孫 超，聞全意，魏曉斌，孫佳寶，包尚令

（齊齊哈爾大學(xué)機(jī) 電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

基于TRIZ理論下的節(jié)能裝置設(shè)計(jì)與分析

孫 超，聞全意，魏曉斌，孫佳寶，包尚令

（齊齊哈爾大學(xué)機(jī) 電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

將TRIZ(theory of inventive problem solving)技術(shù)沖突解決原理應(yīng)用于一種新型節(jié)能裝置的研究，首先對(duì)現(xiàn)有的節(jié)能裝置作了調(diào)查，對(duì)其節(jié)能率低進(jìn)行分析，然后針對(duì)各節(jié)能增力設(shè)備的需求，基于TRIZ理論的技術(shù)矛盾分析解決理論,分析、選擇、確定了可行的發(fā)明原理,給出了重力節(jié)能裝置的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案，從而顯著提高節(jié)能效果。實(shí)現(xiàn)能量的高效節(jié)省，最后對(duì)該節(jié)能裝置的應(yīng)用價(jià)值及前景作進(jìn)一步展望。

曲線靠模板；節(jié)能；TRIZ理論

中國(guó)是當(dāng)前世界上第一位能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。隨著工業(yè)和科技的飛速發(fā)展，能源供應(yīng)量持續(xù)增長(zhǎng)，已難以支撐著社會(huì)快速發(fā)展。能源消費(fèi)的快速增長(zhǎng)，為世界能源市場(chǎng)創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。中國(guó)已成為世界能源市場(chǎng)不可或缺的組成部分，政府以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，加快發(fā)展現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，把建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)放在現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置，努力增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，繼續(xù)為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和繁榮作出更大貢獻(xiàn)。重力節(jié)能裝置以其高效的節(jié)能率而可普遍應(yīng)用于各節(jié)能增力設(shè)備中，具有很好的市場(chǎng)前景。

1 TRIZ理論的核心思想和主要內(nèi)容

TRIZ的中文含義是發(fā)明問題解決理論。是基于知識(shí)、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法學(xué)。TRIZ理論是由根奇·阿奇舒勒通過對(duì)250多萬份高水平發(fā)明專利的研究、分析、歸納總結(jié)，揭示出隱藏在專利之中的奧秘，是集百萬計(jì)發(fā)明家的智慧而創(chuàng)建的卓越成果。其核心思想是：無論是一個(gè)簡(jiǎn)單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進(jìn)化規(guī)律和模式。各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動(dòng)這種進(jìn)化過程的動(dòng)力。技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實(shí)現(xiàn)盡量多的功能。它的主要內(nèi)容包括：①技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則；可以使人明確技術(shù)是如何進(jìn)化的，為技術(shù)創(chuàng)新指明了方向。②矛盾解決原理：創(chuàng)新是通過消除矛盾解決問題的，主要研究技術(shù)矛盾和物理兩種矛盾的解決方法，利用39×39工程參數(shù)的矛盾矩陣和40個(gè)發(fā)明原理解決技術(shù)矛盾等。③物質(zhì)—場(chǎng)分析法：提供了科學(xué)的問題分析及建模方法——物質(zhì)—場(chǎng)分析法，用符號(hào)表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)的建模技術(shù)，可以幫助人們快速確認(rèn)核心問題，發(fā)現(xiàn)根本矛盾所在。④發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法：在物質(zhì)—場(chǎng)模型分析及應(yīng)用過程中，由于所面對(duì)的問題具有復(fù)雜和廣泛性，存在很多困難，TRIZ理論為物質(zhì)—場(chǎng)模型提供了76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解決方法，用來解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)的開發(fā)問題。⑤發(fā)明問題解決算法ARIZ：ARIZ是發(fā)明問題解決過程中應(yīng)遵循的理論方法和步驟，是針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)問題而提出的基于技術(shù)矛盾系統(tǒng)進(jìn)化法則的一套完整的問題解決程序和算法。

2 創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上一些節(jié)能裝置的節(jié)能方式，綜合應(yīng)用了多種學(xué)科，增加了裝置自身技術(shù)難度而減少了使用人群，同時(shí)還使得價(jià)格昂貴。為了提高節(jié)能裝置的節(jié)能率和解決裝置自身重量、壽命和價(jià)格之間的矛盾，對(duì)節(jié)能裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在不增加其他元器件的情況下提高其節(jié)能效率，這是十分重要的。

基于TRIZ理論的技術(shù)矛盾沖突解決原理，分析產(chǎn)品存在的矛盾,就可以得到一系列發(fā)明原理,應(yīng)用這些原理，可以找到產(chǎn)品改進(jìn)及創(chuàng)新的方向,技術(shù)矛盾分析如表1所示。

綜合考慮各影響因素的作用及查找到的發(fā)明原理給出的設(shè)計(jì)方向，通過研究重力做功與路徑無關(guān)的特性，創(chuàng)新出重力節(jié)能裝置，將重塊安裝于杠桿兩端，在接近工作軸邊設(shè)置曲線靠模板。此節(jié)能裝置能夠在多種環(huán)境下工作，具有節(jié)能率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增力效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

表1 重力節(jié)能裝置主要技術(shù)矛盾參數(shù)表

3 重力節(jié)能裝置創(chuàng)新結(jié)構(gòu)

在TRIZ技術(shù)沖突分析基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出的的重力節(jié)能裝置，是基于重塊重力做功，使裝置操作簡(jiǎn)單，受曲線靠模板影響工作時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡可靠穩(wěn)定，便可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

重力節(jié)能裝置，是基于重塊運(yùn)動(dòng)過程的模仿。原動(dòng)力裝置通過工作軸將動(dòng)力傳輸?shù)礁軛U執(zhí)行部分，其結(jié)構(gòu)緊湊，便于控制，如圖2所示。

圖1 作品整體圖

圖2 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

兩個(gè)重塊隨著杠桿作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，為減少磨損，可以在杠桿兩端與重塊接觸的地方增加彈簧，使重塊在越過曲線靠模板的過程中，能夠更加穩(wěn)健。

重塊在運(yùn)動(dòng)過程中的兩個(gè)個(gè)特殊位置說明如下：

重塊一與重塊二運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。每次工作重塊到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，原動(dòng)機(jī)開始工作，重塊重心處的軸承開始與曲線靠模板的工作面接觸，由于曲線靠模板的作用，重塊作復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

杠桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，重塊一到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，原動(dòng)機(jī)停止工作，重塊二受力矩大于重塊一所受力矩，其長(zhǎng)度也為離工作軸最大距離，杠桿上的重塊會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，該裝置可多次重復(fù)工作。上述完成一次旋轉(zhuǎn)，重塊完成兩個(gè)工作循環(huán)。而通過控制工作軸的轉(zhuǎn)速大小，來調(diào)節(jié)重塊轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活度。

4 結(jié)語

運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新理論，本作品的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：將原來重塊與靠模板點(diǎn)的小面積接觸改為線大面積接觸，采用軸承接觸，減少了裝置本身的磨損，并對(duì)靠模板可以平穩(wěn)越過。

杠桿兩端與重塊間增加彈簧，大大減小了重塊與中間板的碰撞，讓裝置在運(yùn)動(dòng)的過程中更加穩(wěn)健。通過控制原動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)重塊的周期性運(yùn)動(dòng)。在靠模板上重塊上升的過程中作負(fù)功，在下降的過程中由于力矩的相互作用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而完成節(jié)能。

為進(jìn)一步增加節(jié)能效果，在杠桿的重錘上和曲線靠模板上增設(shè)磁鐵，使其斥力與重塊重力大小相等、方向相反，推動(dòng)杠桿移動(dòng)，從而減少重塊轉(zhuǎn)動(dòng)阻力所做功。

該節(jié)能裝置將會(huì)廣泛地代替節(jié)能增力設(shè)備從事各種工作，使人類從繁重的、重復(fù)單調(diào)的、有害健康和危險(xiǎn)的生產(chǎn)作業(yè)中解放出來，為生活帶來了很大的方便。

［1］許維翰.一種節(jié)能裝置.中國(guó)：201620264292.4［P］.

［2］孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛，等.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000.

［3］大連理工大學(xué)工程畫教研室.機(jī)械制圖［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］孫桓，陳作模.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2000.

2017黑龍江?。R齊哈爾大學(xué)）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710232027）資助；

孫超，男，大學(xué)本科。

通迅作者：聞全意，男，副教授，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論