基于TRIZ理論的安全節(jié)能閉門裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郭清++張坤+祝海波

摘 要：為確定一款多領(lǐng)域自動關(guān)門裝置的最佳解決方案，將TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論引入安全節(jié)能閉門裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，在分析現(xiàn)有閉門裝置所存在弊端的基礎(chǔ)上，提出了3種帶有減速功效的自動關(guān)門裝置設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用TRIZ理論中的自服務(wù)原理和多用性原理，對安全節(jié)能閉門裝置的解決方案進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過TRIZ原理分析得出了最終理想解分析表，驗(yàn)證了TRIZ應(yīng)用于工程訓(xùn)練領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性和高效性，為拓寬傳統(tǒng)工程綜合訓(xùn)練的設(shè)計(jì)思路提供了新的工具，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：TRIZ 閉門裝置 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 工程綜合訓(xùn)練

中圖分類號：THl22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0002-01

1 研究背景

現(xiàn)今日常生活中最常用的閉門裝置都采用液壓式，其液壓結(jié)構(gòu)中的密封圈與周圍殼體產(chǎn)生的摩擦損耗又會導(dǎo)致密封不嚴(yán)，致使無法控制關(guān)門速度，在長期失效的情況下使用，液壓式閉門裝置極易造成門框和門體的損壞。鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一款新型閉門裝置，能夠滿足如下設(shè)計(jì)初衷：（1）達(dá)到自動關(guān)門目的；（2）具有減速功能，能夠完成減緩關(guān)門速度的效果；（3）在自動關(guān)門階段，所產(chǎn)生的加速度不會對門體造成磨損；（4）不額外附加任何能源。同時(shí)該裝置在加工制作時(shí)應(yīng)滿足如下要求：（1）該閉門裝置的制造工藝不能太過復(fù)雜，成本盡量少于或不應(yīng)超出現(xiàn)有閉門裝置太多；（2）該閉門裝置所使用的材料應(yīng)簡便易得，不應(yīng)有過于苛刻的材料要求；（3）該閉門裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地減小總體積，以節(jié)約占地空間。

2 TRIZ原理過程分析

TRIZ的中文含義是指“發(fā)明問題解決理論”，TRIZ提供的是一種思維模式，它是幫助人們在處理問題時(shí)快速找到解決方法的一種系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思考模式。為解決液壓式閉門裝置功能與結(jié)構(gòu)上矛盾的問題，采用TRIZ理論中的逆向思維原理，進(jìn)行逆向分析后發(fā)現(xiàn)，既然摩擦不可避免，為何不利用摩擦來達(dá)到減速的目的呢？進(jìn)而我們重點(diǎn)設(shè)計(jì)了機(jī)械式減速模塊，用其與殼體的摩擦來達(dá)到減速關(guān)門目的。

2.1 TRIZ自服務(wù)原理&多用性原理

為避免閉合過程中出現(xiàn)劇烈的碰撞而造成門體破壞，閉門裝置還應(yīng)當(dāng)具有控速功能。在進(jìn)行創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)時(shí)，將這樣的功能也整合到閉門裝置中，以增加閉門裝置的實(shí)用性。設(shè)計(jì)開發(fā)的這款關(guān)門裝置將開門時(shí)的能量收集在能量收集模塊中，待關(guān)門時(shí)能將存儲能量轉(zhuǎn)換得到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩?，從而完成自動平穩(wěn)關(guān)門動作。它能夠幫助用戶快速自動關(guān)門，在門自動回彈的過程中達(dá)到勻速效果，減小對門體及門邊框之間的沖擊力，同時(shí)也避免因?yàn)橥涥P(guān)門而造成的安全隱患或能源浪費(fèi)，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

2.2 TRIZ發(fā)明創(chuàng)新理論最終理想解

為確立安全節(jié)能閉門裝置的最佳設(shè)計(jì)方案，對TRIZ閉門裝置的理想解進(jìn)行了整理，得出了最終理想解分析表，見表1。每一個(gè)關(guān)門過程都必然先有一個(gè)開門過程，為利用開門這部分的能量來實(shí)現(xiàn)關(guān)門目的，將其開門時(shí)的能量儲存起來，在沒有額外能量消耗的情況下，利用其自身存儲能量實(shí)現(xiàn)自動閉門的目的，做到低碳節(jié)能。

3 TRIZ解決方案

閉門裝置的減速模塊是保證實(shí)現(xiàn)自動關(guān)門的核心構(gòu)件，對其進(jìn)行改良和優(yōu)化有助于提升閉門裝置的整體性能。在前期的TRIZ分析基礎(chǔ)上，提出了三種閉門裝置設(shè)計(jì)解決方案。

3.1 方案一

將門板與門框之間用彈簧連接，開門時(shí)彈簧被拉伸產(chǎn)生的彈性勢能存儲，松手后彈簧收縮門閉合。利用離心原理在減速模塊中的使用重錘，利用其甩出與外壁產(chǎn)生的摩擦力達(dá)到減速的目的，以達(dá)到控制關(guān)門速度的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。即使用傳動機(jī)構(gòu)帶動摩擦盤高速旋轉(zhuǎn)，使重錘依靠重力甩出與外壁摩擦產(chǎn)生制動力從而控制速度。

3.2 方案二

為了獲得勻速關(guān)門效果，在方案一的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。將開門過程中剩余能量儲蓄在閉門裝置中的彈簧內(nèi)，手離開門后彈簧開始釋放能量，彈簧伸長帶動齒條移動，移動的齒條撥動主齒輪讓主齒輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)過高傳動比的齒輪組帶動摩擦盤高速旋轉(zhuǎn)，最后高速轉(zhuǎn)動的摩擦盤將內(nèi)部的重錘甩出，并與外壁相互摩擦產(chǎn)生制動力從而控制門閉合的速度。

3.3 方案三

方案二中提到的摩擦盤和其轉(zhuǎn)軸是完全固定的，因而不論開門還是關(guān)門都會帶動摩擦盤轉(zhuǎn)動，這樣會導(dǎo)致開門比較費(fèi)力，浪費(fèi)能量，為解決這一弊端添加棘輪機(jī)構(gòu)，將摩擦盤和棘輪機(jī)構(gòu)外圈固定在一起，轉(zhuǎn)軸與棘輪內(nèi)圈相對固定，因棘輪具有單向轉(zhuǎn)動特性，所以開門時(shí)棘輪外圈不轉(zhuǎn)動，只有關(guān)門時(shí)棘輪機(jī)構(gòu)才鎖死帶動摩擦盤高速轉(zhuǎn)動，借助產(chǎn)生的摩擦制動力達(dá)到減速效果。

運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新理論，研究分析得到三種閉門裝置設(shè)計(jì)方案，最終確定方案三為閉門裝置的最佳創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

4 TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)總結(jié)

4.1 方案技術(shù)評價(jià)

該方案采用成熟穩(wěn)定的齒輪機(jī)構(gòu)，使用富有創(chuàng)意的機(jī)械摩擦減速模塊代替易損耗的橡膠密封圈，提升了該閉門裝置的安全技術(shù)指標(biāo)，延長了整個(gè)閉門裝置的使用年限，并且所用材料均為現(xiàn)代工業(yè)大量使用的材料，采購便捷，現(xiàn)有加工工藝完全可以滿足技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)方案不失為現(xiàn)有閉門裝置的一個(gè)良好的代替方案。

4.2 市場前景分析

閉門裝置在商業(yè)和公共建筑物中為必須之物，有著巨大的市場需求。在智能城市、智能家居的智能化浪潮中，閉門裝置作為智能系統(tǒng)中的基本組成部分將會進(jìn)入發(fā)展升級階段。本方案設(shè)計(jì)研發(fā)的安全節(jié)能閉門裝置低碳環(huán)保，可以預(yù)見，該安全節(jié)能閉門裝置將具有廣闊的市場需求空間和發(fā)展前景。

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