陳樂堯，唐恒寧，陳維濤，何海濤

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.三一重工股份有限公司，長沙 410100)

基于TRIZ矛盾矩陣解決壓路機(jī)叉腳開裂問題

陳樂堯1，唐恒寧2，陳維濤2，何海濤2

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.三一重工股份有限公司，長沙 410100)

利用TRIZ創(chuàng)新理論的矛盾矩陣原理，分析雙鋼輪壓路機(jī)叉腳開裂問題是由兩個(gè)技術(shù)矛盾導(dǎo)致的，其一是通過焊接直側(cè)板提高叉腳可靠性導(dǎo)致焊接應(yīng)力集中的矛盾；其二是焊縫較短，焊接不連續(xù)需要多次引弧而導(dǎo)致焊接困難的矛盾.通過查詢矛盾矩陣，利用其提示的發(fā)明原理，分析得到四個(gè)可能解決方案，結(jié)合工程實(shí)際利用其中的兩個(gè)方案巧妙地解決了雙鋼輪壓路機(jī)叉腳開裂問題.

矛盾矩陣；壓路機(jī)；TRIZ；焊接裂紋

矛盾矩陣又名沖突矩陣或阿奇舒勒矛盾矩陣，是蘇聯(lián)發(fā)明問題專家阿奇舒勒為了提高解決技術(shù)矛盾的效率創(chuàng)建的，是解決技術(shù)矛盾的工具.阿奇舒勒通過對大量專利的研究、分析、比較與統(tǒng)計(jì)，歸納出了當(dāng)39個(gè)工程參數(shù)中的任意兩個(gè)參數(shù)矛盾時(shí)，化解該矛盾所使用的發(fā)明原理.這些發(fā)明原理共有40條.阿奇舒勒將工程參數(shù)的矛盾與發(fā)明原理建立的對應(yīng)關(guān)系，整理成了一個(gè)39×39的矩陣，以便使用者查找.阿奇舒勒矛盾矩陣是濃縮了對巨量專利研究所取得的成果，矩陣的構(gòu)成非常緊密而且自成體系[1,2,3,4].本文將利用矛盾矩陣的方法解決雙鋼輪壓路機(jī)叉腳開裂的問題.

1 叉腳開裂問題描述

雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)的主要功能是振動(dòng)壓實(shí)，振動(dòng)是靠振動(dòng)輪上的激振機(jī)構(gòu)強(qiáng)迫激勵(lì)產(chǎn)生的.振動(dòng)輪通過減震塊、叉腳等元件與車架聯(lián)接固定，而且必須具有極高的可靠性，否則將影響壓路機(jī)的正常工作.鋼輪振動(dòng)時(shí)，作為聯(lián)接件的叉腳具有復(fù)雜的受力狀態(tài).

圖1所示為某新型號雙鋼輪壓路機(jī)的叉腳外觀三維圖，由兩種零件焊接而成.一種零件是厚度為20 mm的Q345B折彎鋼板；另一種零件是兩塊直側(cè)板，材料與第一種相同.兩種零件焊接成圖示結(jié)構(gòu)后需滿足車架與鋼輪的可靠聯(lián)接.即折彎板上部有14個(gè)孔與車架相連，直側(cè)板上面設(shè)有若干螺孔與鋼輪減震塊安裝板相連.同時(shí)，采用這種折彎板加直側(cè)板的焊接結(jié)構(gòu)布置形式有利于提高叉腳本身的剛性.由于整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的特殊性，導(dǎo)致該叉腳受力狀態(tài)比較復(fù)雜.產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)到206 h后出現(xiàn)了叉腳開裂的問題.開裂位置在直側(cè)板與折彎板焊接位置的上部，如圖2所示.出現(xiàn)這種問題會(huì)對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響.

圖1 叉腳三維外觀圖

圖2 叉腳開裂位置實(shí)物照片

2 開裂問題分析過程

首先定義技術(shù)矛盾.一方面，直側(cè)板在加強(qiáng)叉腳強(qiáng)度的同時(shí)，直側(cè)板頂端與折彎板焊接處有應(yīng)力集中，主要有焊接應(yīng)力和工作時(shí)的彎曲應(yīng)力. 另一方面，在焊接直側(cè)板與折彎板接觸處時(shí)，由于焊縫較短，使得焊接不連續(xù)，多次焊接引弧導(dǎo)致焊縫內(nèi)部未熔透，且收弧時(shí)焊縫表面容易產(chǎn)生弧坑.這樣就存在兩個(gè)矛盾：

其一，通過焊接直側(cè)板提高叉腳可靠性與焊接應(yīng)力集中的矛盾，用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的兩個(gè)就可以表示成：需要改善的特性參數(shù)(可靠性)與系統(tǒng)惡化的特性參數(shù)(應(yīng)力，壓強(qiáng))之間的矛盾.

其二：焊縫較短，焊接不連續(xù)需要多次引弧而導(dǎo)致焊接困難、未熔透和容易形成弧坑的矛盾，用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的兩個(gè)就可以表示成：需要改善的特性參數(shù)(作用于物體的有害因素)與系統(tǒng)惡化的特性參數(shù)(可制造性)之間的矛盾.

因此，改善的參數(shù)為兩個(gè)：可靠性，作用于物體的有害因素；惡化的參數(shù)為兩個(gè)：應(yīng)力壓強(qiáng)，可制造性.

根據(jù)矛盾矩陣[1]，查出的發(fā)明原理如表1所示.

表1 叉腳開裂問題矛盾矩陣求解發(fā)明原理

根據(jù)查到的發(fā)明原理，就可以尋求最佳解決方案.經(jīng)分析，擬采用的創(chuàng)新原理為：預(yù)先作用原理，借助中介物原理，物理或化學(xué)參數(shù)改變原理，周期性作用原理等.

根據(jù)“預(yù)先作用原理”，可得方案一：直側(cè)板與折彎板焊接前，先將兩者加熱至200～250 ℃，焊后立即保溫，減少焊接的內(nèi)應(yīng)力.

根據(jù)“借助中介物原理”，可得方案二：焊接時(shí)，在直側(cè)板上端與折彎板接觸的地方焊接一小件物料用于引弧，焊接后再將焊接的引弧物料去除，減少因引弧而造成的焊接質(zhì)量.

根據(jù)“周期性作用原理”，可得方案三：為消除由于振動(dòng)而造成的應(yīng)力，可以外加其他強(qiáng)迫振源，相位正好與滾輪振動(dòng)的相位相反，以抵消滾輪振動(dòng)對叉腳的影響.

根據(jù)“物理或化學(xué)參數(shù)改變原理”，可得方案四：折彎板與直側(cè)板的焊接接觸為小平面直角接觸，接觸點(diǎn)處存在應(yīng)力大、焊接不便等問題，將折彎板與直側(cè)板的接觸更改為圓弧過渡，使應(yīng)力集中處的應(yīng)力分布更均勻，并且焊縫加長，由平面直角接觸更改為三維空間接觸.

將以上分析的四個(gè)方案整理成如下方案評價(jià)如表2所示.

表2 利用發(fā)明原理分析得到的可能方案及評價(jià)

3 最終解決方案

采用方案二和方案四的組合，側(cè)板焊接時(shí)采用中介物引弧，側(cè)板頂端折彎，分散叉腳折彎板的應(yīng)力集中.修改后的三維模型和實(shí)物樣機(jī)如圖3、圖4所示.

圖3 改進(jìn)后叉腳結(jié)構(gòu)外形圖

圖4 改進(jìn)后的裝機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，用有限元法進(jìn)行了應(yīng)力對比分析，圖5～圖7的結(jié)果顯示，更改后的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)由1.46倍提高到4.42倍，見表3.試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證2000 h以上無開裂故障.

表3 最大應(yīng)力及安全系數(shù)

圖5 兩種結(jié)構(gòu)的分析模型

圖6 兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析云圖對比

圖7 兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析云圖對比放大

4 結(jié)束語

TRIZ創(chuàng)新理論的矛盾矩陣是解決設(shè)計(jì)中技術(shù)矛盾一類問題的一種非常有效的工具，其核心思想是通過對具體設(shè)計(jì)技術(shù)矛盾的分析，找到系統(tǒng)中需改善的參數(shù)與惡化的參數(shù)，然后利用矛盾矩陣找出可能的創(chuàng)新原理，根據(jù)創(chuàng)新原理提供的思路進(jìn)行矛盾問題的求解.求解的過程是創(chuàng)新的過程，雖然創(chuàng)新方案的結(jié)果會(huì)因人而異，但帶給設(shè)計(jì)者的思想火花將指導(dǎo)設(shè)計(jì)者得出許多令人意想不到的創(chuàng)新方案，從而為系統(tǒng)解決問題提供不斷的創(chuàng)新源泉.本文介紹的這個(gè)實(shí)例是利用矛盾矩陣的成功案例，其解決方案也申請了國家專利[5].

[1] 創(chuàng)新方法研究會(huì)&中國21世紀(jì)議程管理中心.創(chuàng)新方法教程(初級)[M].北京：高等教育出版社，2012：100-106，159-179.

[2] 劉曉敏，檀潤華.約束理論中當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹與沖突解決圖表驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].中國機(jī)械工程，2008(12):1442-1445.

[3] 劉桂濤，袁春靜，戴義貴.TRIZ中技術(shù)矛盾解決矩陣的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(8):63-65.

[4] 陳樂堯，唐恒寧，何海濤. 用矛盾矩陣解決振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪晃動(dòng)和膠管磨損問題[J].工程機(jī)械,2016(5):23-27.

[5] 唐恒寧,陳維濤,何海濤. 壓路機(jī)及其叉腳側(cè)板[P]. CN,205259041 U,2016.5.25.

ContradictionMatrixtoSolveCrackProblemofRollerForkBasedonTRIZ

CHEN Le-yao1, TANG Heng-ning2, CHEN Wei-tao2, HE Hai-tao2

(1. College of Mechanical Engineering, Hunan Institude of Engineering, Xiangtan 411104, China；2. Sany Heavy Industry Co.Ltd., Changsha 410100, China)

The principle of the contradiction matrix of TRIZ is used to analyze the crack problem of the fork of the tandem roller, which is caused by two technical contradictions. One is the welded straight plate to improve the reliability of fork between the stress concentration of the weld; the other is that short and discontinuous welding requires multiple striking the are which causes difficult welding. By querying the contradiction matrix, and using the principle of the invention, four potential solutions are obtained, and the welding crack problem of the fork of the tandem roller is solved by two solutions.

contradiction matrix; roller; TRIZ; welding crack

TH122

A

1671-119X(2017)03-0021-04

2017-03-30

陳樂堯(1972-)，男，研究員級高級工程師，研究方向：工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā).