基于TRIZ和Pro/Innovator的轴承概念设计创新模式

2014-07-21牛青波叶军王琼

轴承 2014年4期

牛青波，叶军，王琼

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039)

TRIZ是俄文теории решения изобр-етательских задач 的英文音译Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写，英文全称为Theory of the Solution of Inventive Problems(发明问题解决理论)，其是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化方法学[1]。该理论是前苏联Altshuller G S 及其领导的一批研究人员自1946年开始花费大量人力物力，在研究分析世界各国250万件专利的基础上提出的技术创新设计理论，主要目的是研究人类进行发明创新、解决技术问题过程中所遵循的原理和法则。20世纪80年代中期前，该理论对其他国家保密，前苏联解体后，随着一批科学家移居美国等西方国家，逐渐把该理论介绍给世界产品开发领域，其应用效果明显超过其他革新与创造的理论和方法，在美国和欧洲国家得到企业的广泛支持与应用[2]，在全球的创新研究中占有重要的一席之地。

Pro/Innovator是TRIZ与计算机软件技术相融合的新一代计算机辅助创新(Computer-Aided Innovation， CAI)设计工具平台。下文基于TRIZ和Pro/Innovator探索轴承概念设计的创新求解思路和模式。

1 概念设计

产品设计的过程一般可分为概念设计、具体设计和细节设计3个阶段。对于机械产品来说，具体设计和细节设计的工作重点是运用机械设计原理、材料力学、工程图学等基础知识完成产品的总装图、零件装配图、零件图及有关的设计计算，这些通常认为是产品设计中的常规产品设计。概念设计则是产品策划的设计，是构思和选择产品工作原理的阶段，也是产品设计的关键阶段和产品创新的核心，很大程度上决定产品的性能、创造性、成本、市场竞争力和生产效率等。据统计，产品设计成本的70%以上在概念设计阶段确定[3]。

概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，包括方案构思和方案设计与验证，其中方案构思是创新设计研究的重点。文献[4]是TRIZ应用于产品概念设计的专题研究，表明TRIZ不仅适用于工程中新产品的概念创新，也适用于产品的优化改进设计。

2 TRIZ体系及其解决问题的模型

TRIZ是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，其主要内容包括TRIZ创新解决方法(包括九屏幕法、小人法、金鱼法、IFR法、STC算子等)、技术系统进化法则(包括S技术进化曲线、完备性法则、能量传递法则、协调性法则、动态性法则、子系统不均衡进化法则等)、矛盾矩阵(40个创新原理)、物质场分析(利用76个标准解)、发明问题解决算法(ARIZ)及工程效应知识库等。TRIZ体系如图1所示。

图1 TRIZ体系

根据TRIZ体系，当无法直接找到问题的解决方案时，可建立TRIZ问题模型，然后利用TRIZ体系中的理论和工具方法获得TRIZ的解决方案模型，从而解决问题。TRIZ解决问题流程如图2所示。TRIZ体系具体分析工具及方法过程如图3所示。TRIZ常要解决工程问题中存在的技术矛盾，即在改善系统中某一参数时，常会引起系统中另一参数的恶化，解决技术矛盾的传统方法是寻求“中间解”，每一个参数都不能达到最佳值，而TRIZ则是通过独特求解工具和方法消除矛盾，获得创新性解决方案。

图2 TRIZ解决问题流程

图3 TRIZ体系具体分析工具及方法过程

图2中的矛盾矩阵将39个通用工程参数作为纵横坐标，与40个创新原理整合在一张坐标图上形成矩阵，该矩阵建立起技术矛盾与创新原理间的对应关系。TRIZ中39个通用工程参数见表1，40个创新原理见表2，简略的TRIZ矛盾矩阵见表3。

表1 TRIZ中39个通用工程参数

表2 TRIZ中40个创新原理

表3 TRIZ矛盾矩阵

3 Pro/Innovator平台

Pro/Innovator平台是TRIZ研究成果的一种具体化表现。借助Pro/Innovator强大的综合分析工具、自带的世界优秀专利库和可自行创建的方案库，技术开发人员可打破思维定势、拓宽思路，快速得到可操作的高效解决方案。利用Pro/Innovator平台进行创新设计时，创建要解决问题的系统分析模块非常重要。通过建立问题功能模型全面描述问题的系统，明确系统中各部件的功能。系统分析模块提供组件价值分析和流分析。组件价值分析应用价值工程理论和价值分析方法[3]找出系统中最关键的环节，也就是解决问题的方向，通过计算每个系统组件的理想度指数来分析整个技术系统的理想度；流分析可得到比组件价值分析更客观的结果，其构建组件间相互作用链的结构和目的，描述系统内组件间的能量流和信息流。

4 轴承工程实例

4.1 问题描述

极限转速是轴承正常运转时所能达到的最高转速，是轴承的一个重要性能指标，几乎所有轴承制造商都将其列入通用轴承样本中。轴承用户也把极限转速作为选择轴承时确定速度参数的一个重要依据。近年来，随着主机高速化的要求，轴承工作转速越来越接近极限转速，由于摩擦发热和润滑介质性能降低，易出现早期失效，所以提高极限转速、改善润滑性能成为非常重要的课题。

4.2 系统分析

随着数控机床转速的提升，机床配套主轴轴承或电主轴配套轴承在高速环境中由于摩擦发热和润滑系统作用不足，易出现刚度降低、精度丧失甚至失效等现象。在系统建模时，分析系统中所有组件，画出组件间的作用关系，利用Pro/Innovator平台的流分析功能构建的高速主轴轴承功能模型及组件系统分析图如图4所示，并生成“How to”问题模型以便逐一解决技术问题。

图4 高速主轴轴承功能模型及组件系统分析

系统分析生成的“How to” 问题模型列表有：

How to prevent 生热 of 内圈?

How to prevent 离心力挤压 of 外圈?

How to prevent 生热 of 保持架?

How to prevent 润滑不足失效 of 内圈?

How to prevent 润滑不足失效 of 外圈?

How to prevent 内圈膨胀挤压 of 滚动体?

以上提出当前系统中要解决的问题，组件价值分析中理想度诊断分析可确定系统的关键环节，并从众多“How to”问题列表中找出解决系统问题的突破口。组件价值理想度诊断分析如图5所示。

由图5可知，内圈在A与B区之间，改进的策略是降低生命周期成本；保持架在C区纵轴上，改进的策略是提高功能性；滚动体在C与D区之间，由于滚动体不可缺少，所以也应提高功能性；润滑油(脂)在D区，但由于润滑系统在轴承中具有重要位置，按照组件价值分析，其在简化之列，应首先改进。

图5 组件价值理想度诊断分析

4.3 方案生成

Pro/Innovator平台向技术人员提供独有的基于本体论的创新方案知识库，利用系统分析中的“How to”问题模型，技术人员可迅速掌握知识库中有效解决同一类技术问题的不同方案，为快速获得本领域中的创新技术方案奠定基础。Pro/Innovator平台通过知识库解决“How to”问题模型截图如图6所示。Pro/Innovator平台通过知识库查找解决“How to”问题模型的技术方案见表4。同时还可采用TRIZ矛盾矩阵，使用技术矛盾和物理矛盾分析有规可循地解决技术问题。