基于TRIZ和Pro/Innovator的軸承概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新模式

牛青波，葉軍，王瓊

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

TRIZ是俄文теории решения изобр-етательских задач 的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫，英文全稱為Theory of the Solution of Inventive Problems(發(fā)明問題解決理論)，其是基于知識(shí)的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法學(xué)[1]。該理論是前蘇聯(lián)Altshuller G S 及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員自1946年開始花費(fèi)大量人力物力，在研究分析世界各國(guó)250萬件專利的基礎(chǔ)上提出的技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，主要目的是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新、解決技術(shù)問題過程中所遵循的原理和法則。20世紀(jì)80年代中期前，該理論對(duì)其他國(guó)家保密，前蘇聯(lián)解體后，隨著一批科學(xué)家移居美國(guó)等西方國(guó)家，逐漸把該理論介紹給世界產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，其應(yīng)用效果明顯超過其他革新與創(chuàng)造的理論和方法，在美國(guó)和歐洲國(guó)家得到企業(yè)的廣泛支持與應(yīng)用[2]，在全球的創(chuàng)新研究中占有重要的一席之地。

Pro/Innovator是TRIZ與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相融合的新一代計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(Computer-Aided Innovation， CAI)設(shè)計(jì)工具平臺(tái)。下文基于TRIZ和Pro/Innovator探索軸承概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新求解思路和模式。

1 概念設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程一般可分為概念設(shè)計(jì)、具體設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)3個(gè)階段。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品來說，具體設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)是運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理、材料力學(xué)、工程圖學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)完成產(chǎn)品的總裝圖、零件裝配圖、零件圖及有關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，這些通常認(rèn)為是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)則是產(chǎn)品策劃的設(shè)計(jì)，是構(gòu)思和選擇產(chǎn)品工作原理的階段，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段和產(chǎn)品創(chuàng)新的核心，很大程度上決定產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性、成本、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和生產(chǎn)效率等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本的70%以上在概念設(shè)計(jì)階段確定[3]。

概念設(shè)計(jì)的過程是一個(gè)發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程，包括方案構(gòu)思和方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，其中方案構(gòu)思是創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]是TRIZ應(yīng)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的專題研究，表明TRIZ不僅適用于工程中新產(chǎn)品的概念創(chuàng)新，也適用于產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 TRIZ體系及其解決問題的模型

TRIZ是由解決技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，其主要內(nèi)容包括TRIZ創(chuàng)新解決方法(包括九屏幕法、小人法、金魚法、IFR法、STC算子等)、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則(包括S技術(shù)進(jìn)化曲線、完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、動(dòng)態(tài)性法則、子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則等)、矛盾矩陣(40個(gè)創(chuàng)新原理)、物質(zhì)場(chǎng)分析(利用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解)、發(fā)明問題解決算法(ARIZ)及工程效應(yīng)知識(shí)庫(kù)等。TRIZ體系如圖1所示。

圖1 TRIZ體系

根據(jù)TRIZ體系，當(dāng)無法直接找到問題的解決方案時(shí)，可建立TRIZ問題模型，然后利用TRIZ體系中的理論和工具方法獲得TRIZ的解決方案模型，從而解決問題。TRIZ解決問題流程如圖2所示。TRIZ體系具體分析工具及方法過程如圖3所示。TRIZ常要解決工程問題中存在的技術(shù)矛盾，即在改善系統(tǒng)中某一參數(shù)時(shí)，常會(huì)引起系統(tǒng)中另一參數(shù)的惡化，解決技術(shù)矛盾的傳統(tǒng)方法是尋求“中間解”，每一個(gè)參數(shù)都不能達(dá)到最佳值，而TRIZ則是通過獨(dú)特求解工具和方法消除矛盾，獲得創(chuàng)新性解決方案。

圖2 TRIZ解決問題流程

圖3 TRIZ體系具體分析工具及方法過程

圖2中的矛盾矩陣將39個(gè)通用工程參數(shù)作為縱橫坐標(biāo)，與40個(gè)創(chuàng)新原理整合在一張坐標(biāo)圖上形成矩陣，該矩陣建立起技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。TRIZ中39個(gè)通用工程參數(shù)見表1，40個(gè)創(chuàng)新原理見表2，簡(jiǎn)略的TRIZ矛盾矩陣見表3。

表1 TRIZ中39個(gè)通用工程參數(shù)

表2 TRIZ中40個(gè)創(chuàng)新原理

表3 TRIZ矛盾矩陣

3 Pro/Innovator平臺(tái)

Pro/Innovator平臺(tái)是TRIZ研究成果的一種具體化表現(xiàn)。借助Pro/Innovator強(qiáng)大的綜合分析工具、自帶的世界優(yōu)秀專利庫(kù)和可自行創(chuàng)建的方案庫(kù)，技術(shù)開發(fā)人員可打破思維定勢(shì)、拓寬思路，快速得到可操作的高效解決方案。利用Pro/Innovator平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)建要解決問題的系統(tǒng)分析模塊非常重要。通過建立問題功能模型全面描述問題的系統(tǒng)，明確系統(tǒng)中各部件的功能。系統(tǒng)分析模塊提供組件價(jià)值分析和流分析。組件價(jià)值分析應(yīng)用價(jià)值工程理論和價(jià)值分析方法[3]找出系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也就是解決問題的方向，通過計(jì)算每個(gè)系統(tǒng)組件的理想度指數(shù)來分析整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的理想度；流分析可得到比組件價(jià)值分析更客觀的結(jié)果，其構(gòu)建組件間相互作用鏈的結(jié)構(gòu)和目的，描述系統(tǒng)內(nèi)組件間的能量流和信息流。

4 軸承工程實(shí)例

4.1 問題描述

極限轉(zhuǎn)速是軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，是軸承的一個(gè)重要性能指標(biāo)，幾乎所有軸承制造商都將其列入通用軸承樣本中。軸承用戶也把極限轉(zhuǎn)速作為選擇軸承時(shí)確定速度參數(shù)的一個(gè)重要依據(jù)。近年來，隨著主機(jī)高速化的要求，軸承工作轉(zhuǎn)速越來越接近極限轉(zhuǎn)速，由于摩擦發(fā)熱和潤(rùn)滑介質(zhì)性能降低，易出現(xiàn)早期失效，所以提高極限轉(zhuǎn)速、改善潤(rùn)滑性能成為非常重要的課題。

4.2 系統(tǒng)分析

隨著數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)速的提升，機(jī)床配套主軸軸承或電主軸配套軸承在高速環(huán)境中由于摩擦發(fā)熱和潤(rùn)滑系統(tǒng)作用不足，易出現(xiàn)剛度降低、精度喪失甚至失效等現(xiàn)象。在系統(tǒng)建模時(shí)，分析系統(tǒng)中所有組件，畫出組件間的作用關(guān)系，利用Pro/Innovator平臺(tái)的流分析功能構(gòu)建的高速主軸軸承功能模型及組件系統(tǒng)分析圖如圖4所示，并生成“How to”問題模型以便逐一解決技術(shù)問題。

圖4 高速主軸軸承功能模型及組件系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析生成的“How to” 問題模型列表有：

How to prevent 生熱 of 內(nèi)圈?

How to prevent 離心力擠壓 of 外圈?

How to prevent 生熱 of 保持架?

How to prevent 潤(rùn)滑不足失效 of 內(nèi)圈?

How to prevent 潤(rùn)滑不足失效 of 外圈?

How to prevent 內(nèi)圈膨脹擠壓 of 滾動(dòng)體?

以上提出當(dāng)前系統(tǒng)中要解決的問題，組件價(jià)值分析中理想度診斷分析可確定系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并從眾多“How to”問題列表中找出解決系統(tǒng)問題的突破口。組件價(jià)值理想度診斷分析如圖5所示。

由圖5可知，內(nèi)圈在A與B區(qū)之間，改進(jìn)的策略是降低生命周期成本；保持架在C區(qū)縱軸上，改進(jìn)的策略是提高功能性；滾動(dòng)體在C與D區(qū)之間，由于滾動(dòng)體不可缺少，所以也應(yīng)提高功能性；潤(rùn)滑油(脂)在D區(qū)，但由于潤(rùn)滑系統(tǒng)在軸承中具有重要位置，按照組件價(jià)值分析，其在簡(jiǎn)化之列，應(yīng)首先改進(jìn)。

圖5 組件價(jià)值理想度診斷分析

4.3 方案生成

Pro/Innovator平臺(tái)向技術(shù)人員提供獨(dú)有的基于本體論的創(chuàng)新方案知識(shí)庫(kù)，利用系統(tǒng)分析中的“How to”問題模型，技術(shù)人員可迅速掌握知識(shí)庫(kù)中有效解決同一類技術(shù)問題的不同方案，為快速獲得本領(lǐng)域中的創(chuàng)新技術(shù)方案奠定基礎(chǔ)。Pro/Innovator平臺(tái)通過知識(shí)庫(kù)解決“How to”問題模型截圖如圖6所示。Pro/Innovator平臺(tái)通過知識(shí)庫(kù)查找解決“How to”問題模型的技術(shù)方案見表4。同時(shí)還可采用TRIZ矛盾矩陣，使用技術(shù)矛盾和物理矛盾分析有規(guī)可循地解決技術(shù)問題。

表4 Pro/Innovator平臺(tái)通過知識(shí)庫(kù)查找解決“How to”問題模型的技術(shù)方案

圖6 Pro/Innovator平臺(tái)通過知識(shí)庫(kù)解決“How to”問題模型截圖

定義技術(shù)矛盾的2個(gè)參數(shù)：根據(jù)問題描述，希望改善軸承極限轉(zhuǎn)速——速度參數(shù)(9)，降低軸承系統(tǒng)溫度，而軸承轉(zhuǎn)速改善的后果是軸承系統(tǒng)溫度升高，導(dǎo)致軸承壽命可靠性變差，惡化可靠性參數(shù)(27)。由表3找出適用的創(chuàng)新原理：第11，35，27，28條。

創(chuàng)新原理本身較抽象，只是給技術(shù)設(shè)計(jì)人員指出思考問題的方向，只有與具體的技術(shù)問題相結(jié)合后才具有實(shí)際意義。結(jié)合該工程實(shí)例，對(duì)以上創(chuàng)新原理一一進(jìn)行分析。

第11條：預(yù)先防范原理。該原理采用事先準(zhǔn)備好的應(yīng)急措施補(bǔ)償物體相對(duì)較低的可靠性，結(jié)合“How to”問題模型和組件價(jià)值分析解決問題，為了減小滾動(dòng)體與滾道表面的摩擦，降低軸承系統(tǒng)溫升，預(yù)先在套圈滾道表面增加涂層。

第35條：物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼Ｔ撛碓谟诟淖兿到y(tǒng)組件中的物理或化學(xué)參數(shù)，結(jié)合“How to”問題模型和組件價(jià)值分析，改變潤(rùn)滑油(脂)參數(shù)，提高潤(rùn)滑介質(zhì)性能。

第27條：廉價(jià)替代品原理。該原理用若干便宜的物體代替昂貴的物體，同時(shí)降低某些質(zhì)量要求，對(duì)解決該技術(shù)問題貢獻(xiàn)度不大。

第28條：機(jī)械系統(tǒng)替代原理。該原理主要是更換系統(tǒng)組件中的系統(tǒng)，改善系統(tǒng)性能，在解決該技術(shù)問題時(shí)，結(jié)合“How to”問題模型和組件價(jià)值分析，滾動(dòng)體或套圈更換成線膨脹系數(shù)小的陶瓷和不銹鋼等。

當(dāng)然，不同的技術(shù)人員會(huì)根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)從不同角度考慮和應(yīng)用創(chuàng)新理論。

根據(jù)以上應(yīng)用，結(jié)合系統(tǒng)分析中的參考技術(shù)方案，遵循TRIZ技術(shù)進(jìn)化法則S曲線，為提高軸承極限轉(zhuǎn)速，可得出以下概念設(shè)計(jì)方案：

(1)為減小高速軸承滾動(dòng)體離心力對(duì)外圈的擠壓，使用小尺寸滾動(dòng)體，減小滾動(dòng)體質(zhì)量；

(2)在高轉(zhuǎn)速下，由于離心力導(dǎo)致內(nèi)圈膨脹，在設(shè)計(jì)中采用線膨脹系數(shù)較小的材料，如陶瓷和不銹鋼等；

(3)為增加系統(tǒng)潤(rùn)滑性能，保持架選用自潤(rùn)滑材料，也可改善潤(rùn)滑油性能，增加制冷物質(zhì)；

(4)從軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)看出，最理想的技術(shù)系統(tǒng)法則是“功能齊全、結(jié)構(gòu)消失”，簡(jiǎn)化軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)，從微觀改進(jìn)軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，如增加軸承滾道表面涂層、改善潤(rùn)滑介質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不足，關(guān)鍵是缺乏產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力?；赥RIZ的CAI技術(shù)的研究和應(yīng)用符合我國(guó)制造業(yè)技術(shù)發(fā)展需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用TRIZ給出軸承創(chuàng)新設(shè)計(jì)(主要是概念設(shè)計(jì))的求解思路和模式，有助技術(shù)人員掌握解決問題的方向，有效提高技術(shù)創(chuàng)新能力。