■黃 蕾 鄧援超

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430068)

1 TRIZ理論簡單介紹

TRIZ原是俄文（Teorijz Rezhenija Izobretatel’skich Zadach）的縮寫，其對應(yīng)英文TIPS（Theory of Invention Problem Solving），意為“發(fā)明問題解決理論”[1]。1946年，以蘇聯(lián)海軍專利部G.S.Altshuller為首的專家開始對數(shù)以百萬計的專利文獻(xiàn)加以研究，經(jīng)過50多年收集整理、歸納提煉，發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，并在此基礎(chǔ)上建立了一套體系化的、實(shí)用的解決發(fā)明創(chuàng)造問題的方法，即為TRIZ理論[2]。TRIZ理論方法不是針對某個具體的機(jī)構(gòu)、機(jī)械或過程，而是要建立解決問題的模型及指明問題解決對策的探索方向[1]。

TRIZ理論不僅能找到解決問題的路徑，而且為解決問題找到了通行的方法，為新產(chǎn)品設(shè)計提供了可實(shí)現(xiàn)的工具和路徑[3]。

TRIZ解題模式如圖1所示：

圖1 TRIZ解題模式

利用TRIZ理論解決創(chuàng)新問題的流程分為：分析問題，解決問題，方案實(shí)現(xiàn)。分析問題的TRIZ工具有系統(tǒng)功能分析和三軸分析法；解決問題的方法有技術(shù)矛盾[4]，物理矛盾，HOW TO模型，物場模型等，這些方法又有相應(yīng)的工具來解決問題，如技術(shù)矛盾對應(yīng)矛盾矩陣，物理矛盾對應(yīng)分離方法，HOW TO模型對應(yīng)知識庫，物場模型對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解法等；最后通過解決問題的工具方法找到備選方案，從而得到概念方案。

2 碼垛裝置背景介紹

此處研究的碼垛裝置是全自動飼料裝車機(jī)中的一部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，全自動飼料裝車機(jī)取代人工裝車，利用其中裝車平臺機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飼料裝車全自動化，而碼垛裝置為裝車平臺中負(fù)責(zé)將飼料包從裝車平臺上碼垛到車廂內(nèi)的機(jī)械，其外形構(gòu)造如圖2所示。

圖2 碼垛裝置結(jié)構(gòu)

閘門3通過其側(cè)邊的機(jī)架部分連接在滑套2上，滑套2可以在導(dǎo)柱4上面上下直線運(yùn)動，氣缸1則是推動滑套上下直線運(yùn)動的驅(qū)動裝置。

3 系統(tǒng)組件分析

3.1 問題背景

全自動袋裝飼料裝車機(jī)是一個實(shí)際項目，考察的工廠實(shí)際情況如圖3所示。在做此實(shí)際項目中有一個限制條件，由圖3可知，安裝裝車機(jī)的廠房已經(jīng)做好，廠房的高度和槽的寬度已經(jīng)定好，企業(yè)要求不能更改此部分，以免全部重新做廠房。

圖3 工廠廠房

3.2 組件分析

只針對碼垛閘門部裝來做組件分析，因為問題主要出現(xiàn)在此裝置部分，沒有必要將系統(tǒng)擴(kuò)大做復(fù)雜分析，那樣會給分析帶來麻煩和不必要。

3.2.1 組件列表

組件列表可以回答系統(tǒng)是由哪些組件組成，包括系統(tǒng)作用對象、技術(shù)系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件，以及和系統(tǒng)組件發(fā)生相互作用的超系統(tǒng)組件。

超系統(tǒng)組件：裝車平臺、斜皮帶機(jī)、水平皮帶機(jī)、二樓地面。

系統(tǒng)組件：閘門、滑套、導(dǎo)柱、連接板1、氣缸、連接板2。

作用對象：飼料袋。

3.2.2 結(jié)構(gòu)關(guān)系（見圖4）

圖4 碼垛閘門結(jié)構(gòu)關(guān)系

3.2.3 組件模型（見圖5）

3.3 提出問題

3.3.1 從數(shù)據(jù)出發(fā)

在上面問題背景中提到過，安裝袋裝飼料智能裝車機(jī)的廠房已經(jīng)提前制作完成，也就是說二樓地面到一樓的高度空間已經(jīng)被定死，在項目開始的設(shè)計階段，由于考慮到效率和程序問題，設(shè)計完成斜皮帶機(jī)的長度，裝車平臺的高度已經(jīng)最優(yōu)化設(shè)計。

在企業(yè)給出的數(shù)據(jù)中，飼料袋的高度取平均值為190 mm，碼垛閘門一次性完成3層飼料袋的碼垛，所以設(shè)計氣缸的行程為400 mm，每輛車輛需要裝載9層飼料袋。

結(jié)合樓層高度、皮帶機(jī)長、裝載飼料袋高度、裝車平臺機(jī)架高度、飼料袋高、碼垛裝置高度等多樣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在空間高度方面存在問題，即裝車機(jī)需要的空間高度要大于廠房的高度。

3.3.2 找到關(guān)鍵問題及薄弱環(huán)節(jié)

分析數(shù)據(jù)中每個導(dǎo)致問題產(chǎn)生的原因：

①水平皮帶機(jī)因為在二樓，對討論的問題沒有任何影響；

圖5 碼垛閘門組件模型

②由于每兩袋飼料袋之間的距離及斜皮帶機(jī)上的飼料袋數(shù)量取決于生產(chǎn)效率和裝載效率，所以其長度沒法輕易改動；

③廠房高度在問題背景中已經(jīng)介紹過，是硬性規(guī)定，無法改變；

④碼垛飼料的層數(shù)以及飼料袋高度也是無法改變的參數(shù)；

⑤裝車平臺機(jī)架高度在數(shù)據(jù)分析中已經(jīng)告知是最優(yōu)化設(shè)計；

⑥碼垛裝置通過結(jié)構(gòu)的變換可能可以降低高度。

4 解決問題

4.1 尋找問題中的矛盾

在問題分析中，已經(jīng)找到問題的薄弱環(huán)節(jié)，碼垛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個可以優(yōu)化的部分。通過上面的碼垛裝置外形結(jié)構(gòu)和組件模型分析，一層一層分析影響碼垛裝置高度的參數(shù)。決定碼垛裝置高度的是導(dǎo)柱的長度，導(dǎo)柱的長度由行程和氣缸的長度決定。在這兩個參數(shù)中行程是不能改變的，那么唯一可以改變的只有氣缸的長度，但是氣缸的長度又取決于行程。

4.2 提取出一對技術(shù)矛盾

問題描述：碼垛裝置的引入是為了取代裝車平臺的整體移動，因為裝車平臺整體體積太大，會跟車廂板發(fā)生碰撞。但是碼垛裝置的引入導(dǎo)致整個裝置高度變大，跟廠房的限制高度有沖突。

需要改善的方面：運(yùn)動物體的體積減小，不跟車廂板干涉。

造成惡化的方面：運(yùn)動物體的高度變大，與廠房高度沖突。

運(yùn)用39個通用技術(shù)參數(shù)來描述該對技術(shù)矛盾：改善的參數(shù)：運(yùn)動物體的體積；

惡化的參數(shù)：運(yùn)動物體的長度。

4.3 尋找解決問題的方案

采用矛盾矩陣的方法，提供的可優(yōu)先考慮的原理有：1，7，35，4

原理1：分割

① 將物體分成相互獨(dú)立的部分；

②將物體分成容易組裝和拆卸的部分；

③提高物體的可分性。

舉例說明：可拆卸鏟斗唇緣設(shè)計。一個挖掘機(jī)鏟斗的唇緣是由鋼板制成的，只要它的一部分磨損或損壞，就必須更換整個唇緣。這是一項既費(fèi)力又費(fèi)時的工作，可使用分割原理來解決這一問題。將唇緣分割成單獨(dú)的可分離的幾部分，這樣，就可以快速方便地將毀壞或磨損的部分更換。

原理7：嵌套

①把一個物體嵌入另一個物體，然后將這兩個物體再嵌入第三個物體，依此類推；

②讓某物體穿過另一物體的空腔。

舉例說明：軸與套筒、軸承的配合；起重機(jī)的伸縮臂；數(shù)控機(jī)床的伸縮式導(dǎo)軌等。

原理35：物理或化學(xué)參數(shù)改變

①改變聚集態(tài)；

②改變濃度或密度；

③改變?nèi)岫龋?/p>

④改變溫度。

舉例說明：柔性機(jī)構(gòu)，一般是指通過其部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移，傳動力的機(jī)械結(jié)構(gòu)；形狀記憶合，即擁有“記憶"效應(yīng)的合金，形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)；金屬表面滲碳處理增加耐磨性等。

原理4：非對稱原理

①用非對稱的形式代替對稱形式；

②如果物體已經(jīng)是非對稱的，那么增加其非對稱的程度。

舉例說明：V形發(fā)動機(jī)，簡單的說就是將所有汽缸分成兩組，把相鄰汽缸以一定夾角布置一起（左右兩列氣缸中心線的夾角γ＜180°），使兩組汽缸形成一個夾角的平面，從側(cè)面看汽缸呈V字形（通常的夾角為60°）；橢圓齒輪流量計，是由計量箱和裝在計量箱內(nèi)的一對橢圓齒輪，與上下蓋板構(gòu)成一個密封的初月形空腔（由于齒輪的轉(zhuǎn)動，所以不是絕對密封的）作為一次排量的計算單位；回旋鏢（Boomerang），這款誕生于上世紀(jì)末的雙引擎輕型通用飛機(jī)采用了非對稱結(jié)構(gòu)，在一個引擎失去動力時的偏航和滾轉(zhuǎn)力矩只有普通雙發(fā)輕型機(jī)的一半和四分之一左右。

通過原理1和7的組合運(yùn)用，尋找到一種可以解決該問題的方案。原理1為分割，原理7為嵌套。在該問題中，氣缸的長度太大，我們可以將其分割為兩段，然后將這兩段的行程進(jìn)行嵌套，就可以在不減小行程的基礎(chǔ)上將整個裝置的高度減小，其原理如圖6所示。

圖6 解決方案原理

由圖6可知，導(dǎo)柱9固定在3-連接板A上，氣缸B同過螺釘度固定在3-連接板A上，氣缸B的軸通過7-連接板B與2-滑套A相連接，7-連接板B通過墊塊6與4-氣缸A相連，氣缸A的軸通過連接板C與滑套B相連接。

當(dāng)氣缸B的軸向下運(yùn)行時，氣缸B不動，氣缸A因與連接板B相連所以整體隨著一起運(yùn)動，與其相連接的滑套A、連接板C、滑套B一起向下運(yùn)動。當(dāng)氣缸B將所有行程運(yùn)行完成后，氣缸A的軸開始向下運(yùn)行，氣缸A不動，通過連接板與氣缸A相連接的滑套A和氣缸B也不動，與氣缸A的軸通過連接板C相連的滑套B則跟著一起向下運(yùn)行直到氣缸A的行程走完。

通過上述說明，可以看出，我們將原來的行程分割成了兩段行程，并將第2段行程嵌套在第一段行程中，這樣就將原來的長氣缸換成了兩個短氣缸，將長度減小將近一半。

從原理35可以想到一種新型的概念氣缸，將氣缸的軸用一種柔性材料制造，這種材料可以使得氣缸軸在剛開始的時候只有部分長度，當(dāng)走完一定行程后，氣缸的軸發(fā)生形變，使其可以繼續(xù)增加行程。這種新型的氣缸有待科技的進(jìn)步來完成，相信未來的科技可以做到，這樣就可以用小的氣缸空間獲得大的行程。

從原理4中不能獲得能為所用的方案。

5 小結(jié)

正如文章前面所講，TRIZ理論方法并不針對具體的機(jī)構(gòu)、機(jī)械或過程，它只是提供尋找方案的探索方向。通過長時間的思考和設(shè)計，可能也可以尋找到解決問題的鑰匙，但是TRIZ理論方法可以快速的為我們找到答案提供靈感。TRIZ理論方法不只是應(yīng)用某一指定學(xué)科的知識，而是將所有行業(yè)的知識都集合起來。在解決簡單問題時，工程師運(yùn)用自己行業(yè)的專業(yè)知識就可以解決，但是對于稍顯復(fù)雜的問題，就可能需要運(yùn)用到其他領(lǐng)域的知識，而且這種跨領(lǐng)域的靈感有時會碰撞產(chǎn)生更加富有市場性的創(chuàng)新方案。

當(dāng)然，不同人的知識積累和閱歷運(yùn)用TRIZ理論時都會產(chǎn)生不同程度的效果，接下來還需要做的工作是更加豐富個人知識，解決飼料智能裝車機(jī)中更多的創(chuàng)新問題。