基于TRIZ 理論的1500 ℃拉伸試驗(yàn)變形測(cè)量裝置優(yōu)化*

◆張曉明 孫琳琳 高赫 王亞洲 何金光

作者：張曉明，吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心助理研究員，研究方向?yàn)閯?chuàng)新思維及創(chuàng)新技法、管理科學(xué)與工程；孫琳琳，通信作者，吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院工業(yè)工程系講師，博士研究生，研究方向?yàn)閯?chuàng)新思維及創(chuàng)新技法、人類(lèi)工效學(xué)（130012）；高赫，吉林省科技創(chuàng)新平臺(tái)管理中心（132000）；王亞洲，長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院（130103）；何金光，長(zhǎng)春富維—江森自控汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司（130000）。

1 引言

高溫下使用的結(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能需要在實(shí)際使用溫度下測(cè)定，而且需要專(zhuān)門(mén)的測(cè)試設(shè)備。高溫拉伸試驗(yàn)同其他高溫力學(xué)性能測(cè)試一樣，必須根據(jù)試樣尺寸和試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)某種特定結(jié)構(gòu)型式的加熱裝置。國(guó)內(nèi)外對(duì)材料的高溫試驗(yàn)，都給予極大的重視。

國(guó)內(nèi)外高溫拉伸試驗(yàn)裝置發(fā)展概況尖端科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)難熔金屬和金屬陶瓷材料的使用日益迫切。目前，國(guó)外高溫加熱裝置的最高工作溫度：電阻幅射加熱爐是3000 ℃和3200 ℃，直接通電加熱是4000 ℃左右。裝置的加熱方式，有直接通電加熱、電阻幅射加熱、高頻感應(yīng)輻射加熱和電子束輻射加熱等，裝置的結(jié)構(gòu)多數(shù)為圓筒式。溫度控制多采用調(diào)壓器穩(wěn)壓辦法。我國(guó)的加熱裝置，從種類(lèi)和數(shù)量上看，是極其有限的，試驗(yàn)條件簡(jiǎn)單（真空或充氣） ，特別是高溫變形測(cè)量與國(guó)外有較大差距。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)某些科研單位結(jié)合TRIZ 的相關(guān)理論，已經(jīng)著手建立了1500 ℃的力學(xué)、物理性能測(cè)試方法。

TRIZ 理論TRIZ 的意思是“theory of inventive problem solving”。該理論是由蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuller 和他的同事們?cè)谘芯苛舜罅康陌l(fā)明專(zhuān)利后，于1946年提出的，為發(fā)明問(wèn)題的解決理論。它使新產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)過(guò)程到上市時(shí)間縮短50%，提升60%～70%的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，增加80%～100%的專(zhuān)利數(shù)量并提高專(zhuān)利的質(zhì)量。

本文結(jié)合TRIZ 理論中的組件分析法、因果分析法、物理分析法、矛盾沖突分析法等相關(guān)知識(shí)，對(duì)1500 ℃高溫拉伸試驗(yàn)裝置做了更深一步的改進(jìn)。

2 基于TRIZ 理論中組件分析法的1500 ℃高溫拉伸試驗(yàn)裝置優(yōu)化方案

圖1 為1500 ℃高溫拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，其工作原理是金屬試樣固定在夾具上，在開(kāi)口的金屬爐體內(nèi)通過(guò)鎢絲迅速加熱至1500 ℃，測(cè)量傳感器則通過(guò)引申桿對(duì)金屬試樣的變形進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)一步計(jì)算出金屬試樣的力—變形曲線。

問(wèn)題描述

問(wèn)題一：測(cè)量試驗(yàn)溫度要達(dá)到1500 ℃，而傳感器的使用溫度只能承受200 ℃，所以要用引申桿將傳感器放置在距離金屬試樣很遠(yuǎn)的地方，這樣降低了傳感器的測(cè)量精度。

問(wèn)題二：由于引申桿需要穿過(guò)爐體進(jìn)行工作，因此在爐體需要開(kāi)口，而開(kāi)口降低了鎢絲的升溫速度，并且溫度無(wú)法保持恒溫。

設(shè)定目標(biāo)對(duì)以上兩個(gè)出現(xiàn)的問(wèn)題設(shè)定改進(jìn)目標(biāo)，分解為可實(shí)施的三部分：1）實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬試樣的快速升溫（1500℃）；2）保持試樣恒溫區(qū)域的溫度；3）解決試樣軸向變形的精確測(cè)量。

對(duì)新系統(tǒng)的要求：1）達(dá)到系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)；2）盡量不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性；3）有效控制成本和加工難度；4）控制系統(tǒng)的體積和對(duì)外界影響。

基于以上分析，設(shè)定技術(shù)系統(tǒng)的IFR 為：爐體自主保持恒溫區(qū)域的溫度，引申桿帶動(dòng)測(cè)量?jī)x器能夠自主完成高精度的測(cè)量。

3 基于TRIZ 理論中40 個(gè)發(fā)明原理的1500 ℃高溫拉伸試驗(yàn)裝置優(yōu)化方案

在詳細(xì)了解了系統(tǒng)中組件的相互關(guān)系之后，找到影響高溫拉伸試驗(yàn)裝置的主要因素有：1）由于爐體開(kāi)口導(dǎo)致的鎢絲冷卻；2）傳感器溫度過(guò)高影響測(cè)量精度；3）引申桿阻隔傳感器，導(dǎo)致測(cè)量精度不準(zhǔn)確。

對(duì)此提出問(wèn)題求解及具體的解決方案。

1）從“鎢絲易冷卻”入手解決問(wèn)題。通過(guò)查找矛盾矩陣，得到方案一：運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)替代原理，即利用其他加熱方式代替熱輻射加熱，可以解決矛盾問(wèn)題。由于試樣是金屬的，因此考慮采用電磁加熱的模式。

通過(guò)查找相應(yīng)的矛盾矩陣，得到方案二：運(yùn)用未達(dá)到或過(guò)度的作用原理，即改變加熱鎢絲的形狀，將原來(lái)相同密度的鎢絲變?yōu)楹銣貐^(qū)域密度較大、隔熱區(qū)域密度較小的結(jié)構(gòu)，提高恒溫區(qū)域的升溫能力，同時(shí)較少地消耗了能量，也有利于溫度的穩(wěn)定和保持。

2）從“傳感器溫度過(guò)高”入手解決問(wèn)題。通過(guò)查找矛盾矩陣得到方案三：運(yùn)用預(yù)先作用原理，即在兩個(gè)引申桿上分別加一個(gè)擋片，擋片隨著引申桿運(yùn)動(dòng)，擋住從爐身沖出的熱量，既降低了熱量擴(kuò)散，又變相降低了熱浪對(duì)傳感器沖擊，也不會(huì)影響引申桿的運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)查找矛盾矩陣得到方案四：運(yùn)用中介物質(zhì)原理，即引入超系統(tǒng)的“水”，利用水冷結(jié)構(gòu)，降低傳感器溫度，在傳感器殼體、測(cè)量臂、應(yīng)變體等位置進(jìn)行水循環(huán)，可有效降低傳感器溫度，長(zhǎng)時(shí)間保持傳感器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）從引申桿阻隔傳感器入手解決問(wèn)題。通過(guò)查找2003年最新版本的矛盾矩陣表和采用系統(tǒng)分離法，得到方案五：金屬存在電阻，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量而升溫，利用通電加熱直接加熱試樣技術(shù)取代熱輻射方式。

通過(guò)之前的功能分析，形成方案六：在每個(gè)引申桿上都安裝金屬螺旋機(jī)構(gòu)，螺旋小的一面固定在引申桿上，大的一面固定在金屬殼體上，螺旋結(jié)構(gòu)讓引申桿自由活動(dòng)，又可以擋住熱量散失。

4 方案選擇

通過(guò)TRIZ 理論得到以上六個(gè)方案，之后應(yīng)用方案評(píng)價(jià)模型，從可操作性、有用作用、成本和有害作用四個(gè)方面來(lái)對(duì)以上六個(gè)方案進(jìn)行分析。最后得出優(yōu)先考慮高溫拉伸裝置的復(fù)雜度，其次考慮高溫拉伸裝置的可靠性。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，這三項(xiàng)方案現(xiàn)均已應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)高溫拉伸試驗(yàn)裝置中，并已獲得專(zhuān)利：

方案一：將爐體開(kāi)口取消，采用無(wú)開(kāi)口下引出式高溫試驗(yàn)裝備

方案二：根據(jù)擋板隔熱啟示，采用上下加移動(dòng)擋板保持溫度恒定的隔熱高溫試驗(yàn)裝備

方案三：從降低傳感器溫度的角度出發(fā)，采用外置水冷系統(tǒng)高溫試驗(yàn)裝備

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