基于TRIZ理论的双螺旋轴阻力加载设计

张新洋

（济南大学泉城学院 工学院，山东 蓬莱 265600）

基于TRIZ理论的双螺旋轴阻力加载设计

张新洋

（济南大学泉城学院 工学院，山东 蓬莱 265600）

本文围绕阻力加载这一主题，系统地分析了双螺旋轴阻力加载系统中的技术冲突，然后运用TRIZ理论提供的问题分析与解题工具，创造性地提出电磁阻尼效应加载阻力。本文设计的阻力加载装置，对于其他领域的阻力加载具有一定的借鉴意义，同时对于运用TRIZ理论解决机械工程实际问题起到一定的参考作用。

TRIZ理论；螺旋轴；阻力加载

螺旋轴是一种常见的传动部件，广泛应用在钵苗移栽机的移箱机构和送苗装置中。其工作时，通常受到来自外载荷的横向正应力和纵向剪应力以及环向扭矩，它是磨损比较严重的部位。研究螺旋轴的受力分布及磨损规律是提高其使用寿命的重要途径。在试验阶段，为了更真实地模拟螺旋轴的工作情况，需要给其加载一定大小的工作阻力。目前国内对于阻力加载装置的研究，常规手段是利用惯性飞轮或摩擦产生的阻力矩，利用液压原理以及电液比例阀加载也有人开始着手研究。另外，由于双螺旋轴结构的特殊性及运动的双向性，使用常规阻力加载会使加载装置结构变得更加复杂。因此，设计一套结构简单，适合双螺旋轴工作特点的阻力加载装置很有实际意义。

1 双螺旋轴阻力加载现有问题分析

螺旋轴组件受到轴向和径向应力，磨损比较严重。为研究其磨损规律，需建立螺旋轴组件磨损试验台；而试验台的关键技术是如何给轴上滑块加载一个大小恒定、方向周期性变化的持续轴向阻力，以真实地反映双螺旋轴实际工作状态。

图1 螺旋轴组件受力分析图

下图1为螺旋轴组件主要受力分布图。如图1所示，左侧视图描述双螺旋轴在电动机的驱动下一直作逆时针转动，当螺旋轴驱动轴上的滑块向右运动时，滑块位于滑槽中的部位左侧受到摩擦力，同时螺旋轴与滑块接触的其他部位也受到摩擦力，尤其是滑槽侧壁；反之，滑块向左运动时，滑块位于滑槽中的部位右侧受到摩擦力。滑块与滑槽侧壁间的摩擦力的水平分量与加载在滑块运动反方向的阻力使滑块处于平衡状态。螺旋轴与滑块在整个运动过程中受到外载阻力的磨损。

2 TRIZ分析工具与常用问题解决工具应用

针对以上阻力加载存在的问题，本文沿着技术系统进化方向，以最终理想解为目标，首先利用TRIZ理论的基本概念将现有问题标准化，然后采用TRIZ提供的丰富分析工具，如：系统分析、资源分析、物－场分析以及矛盾分析等，分析现有阻力加载装置的可利用资源、可引用资源以及存在的技术冲突等，再针对不同标准问题模型分别采用标准解、科学效应知识库和发明原理等问题求解工具，得到相应标准解，最后应用该阻力加载的实际解决方案。

2.1 系统分析

TRIZ理论认为，任何系统都是为实现功能而建立，履行功能而存在。技术系统的最低配置，即一个完备的技术系统必须包括动力装置、传输装置、执行装置和控制装置四个部分，缺一不可［1］。这就是TRIZ提供的八大进化法则之一的完备性法则。

根据技术系统的完备性法则分析目前试验台装置可得：以电动机为动力装置，通过传动装置螺旋轴及滑块，电动机开关为整个系统的控制装置。如果以滑块的正压力来提供整个系统的摩擦阻力显然达不到阻力加载效果，因此目前阻力加载系统缺少执行装置。故完善执行装置是本系统进化的方向，本研究将设计两种方案给双螺旋轴加载阻力。

为了进一步地理解系统，分析系统的问题本质，设计者通常要从功能的角度分析系统。功能分析的目的是优化技术系统功能并减少实现功能的消耗，使技术系统以很小的代价获得更大的价值，从而提高系统的理想度［2］。经分析，该阻力加载系统的基本功能是将旋转运动转化为来回往复的直线运动；有用功能为螺旋轴支撑滑块左右水平运动；系统的问题功能为滑块的单侧变换阻力加载。

另外，该系统表面上是给轴上的滑块施加阻力，实质上可衍生出实现控制物体位移的功能。根据TRIZ提供的How To模型与科学效应知识库分析知，设计者可以考虑采用惯性力或安培力来实现对轴上的滑块位移的控制。

2.2 理想化目标分析

最终理想解（IFR）指明了系统进化的最终方向。它有助于设计者克服思维障碍，避开惯性思维。要实现问题的最终理想解需要创造者充分挖掘系统资源。经分析，本阻力加载系统的最终理想解——当滑块水平向右运动时，它到向左的阻力；反之，受到向右的阻力。

2.3 资源分析

善于利用系统中的物质资源是高水平发明家的标志。九屏图就是一种从时间、空间多维角度分析和查找解决问题所用资源的有效途径。经分析，该阻力加载系统九屏图如图2所示：

图2 双螺旋轴阻力加载的九屏图

经分析，利用子系统的资源可得到的解决方案有：改变滑块结构，使它变成旋转可动，利用滑块可动部分的惯性力改变滑块的受力方向。

从当前系统未来发展的角度，可得到的解决方案有：利用滑动摩擦力的方向总是与物体相对运动的方向相反的特点，给滑块施加阻力或利用电磁感应原理产生的电磁阻尼阻碍滑块与磁场之间的相对运动。相比而言，这类方案较优，为解决滑块的单侧阻力加载提供了新思路。

技术系统问题的解决离不开当前系统的资源。资源包含系统内部资源和外部可引用资源，其中系统内部资源又包括现有资源、派生资源。经分析，该阻力加载系统的资源如下表1所示：

表1 系统资源分布

2.4 物－场分析与标准解的综合应用

TRIZ理论认为，任何功能的实现都离不开至少2种物质和1种场。其中物质S1为被作用对象，物质S2为“工具”，即作用的施予者；场为维系两种物质的“能量”、“力”。本文先分析当前阻力加载系统所涉及的物质和场元素，然后判断现有模型存在的问题，再根据物－场分析的一般解法［3］（见表2）及相应的标准解建立有效作用的物－场模型。

表2 物－场分析的一般解法

其具体解法如下：

2.4.1 识别元件

功能＝单侧变换加载；

螺旋轴＝S1，滑块＝S2，能量＝F。

要实现螺旋轴滑块组件单侧变换加载功能，原有系统中滑块不足以给螺旋轴加载一定量的阻力，该系统的工具对作用对象作用效应不足。

物－场分析：需要给滑块施加足够的阻力，原系统虽然是一个结构完整系统，但功能不完整，滑块与螺旋轴之间的“场”的作用不足。

2.4.2 构造模型

利用物质－场分析和76个标准解中第2级标准解或表2中提供的一般解法5，引入移动托盘物质S2和机械能场F1或引入金属框S2和磁场F2可实现螺旋轴滑块单侧变换加载。对于机械场模型，本文引入新物质S3—移动托盘，对于磁场模型，本文引入另一物质S3—导体棒。其原有及两次改进后的物－场模型表示如下图3所示：

图3 应用解法5前后的物－场模型

2.4.3 标准解的具体应用

对于引入的机械场模型，设计阻力加载装置简图如图4所示，移动托盘与滑块通过套筒连接和导轨构成摩擦副。通过托盘与导轨的滑动摩擦力来给滑块加载阻力；为了阻力加载的需要，移动托盘可以增减重物砝码。

设计的主要技术指标：斜置移动托盘质量m，导轨两端冲击力F，螺旋轴转动频率f约为2Hz，双螺旋轴的导程l选为268mm。滑块水平移动速率v大约为0.04m/s，通过试验可以测试质量m与冲击力F之间的关系。冲击力F过大会引起运动副工作的稳定性。

图4 机械场阻力加载装置简图

虽然上述方案可以实现螺旋轴－滑块组件的单侧变换加载，然而，摩擦力场并非是一个容易控制的场，且摩擦力带来物质损耗和能量损失。根据TRIZ理论提供的八大进化法则之一的向微观级和场应用进化法则的提示。场应用可按以下路径进化：重力场→机械场→电场或磁场→辐射场。本文考虑更高效、作用力更强和便于控制的磁场来给滑块加载阻力。

该方案引入了另一种新物质－导体棒，将导体棒与滑块上的轴套固定，将导轨的一端连接与导体棒构成一个闭合回路。亥姆霍兹线圈（如图5）置于导轨平面上下，使导轨平面区域产生均匀近似恒定的磁场。当导体棒切割磁力线运动时，如图6所示，其内部产生感应电流，与此同时，导体棒受到一个与其运动方向相反的安培阻力，这样也可实现螺旋轴－滑块组件的单侧变换加载。

图5 亥姆霍兹线圈模型图

图6 导体棒在磁场中运动示意图

亥姆霍兹线圈是一对密绕、N匝、同轴截流圆绕圈。主要设计参数如下：

线圈内径r1=40cm，外径r2=44cm，宽度3cm，两线圈间距R=20cm，匝数N＝300，施加均匀电流密度20 000A/m2，真空中的磁导率u0＝4π·10-7N/A2，空气中的磁导率可近似为u0。其中两线圈中间点处的磁场强度计算公式如下：

经计算，线圈中间部分（x⁃6～6cm）磁场分布比较均匀，磁场强度在0.18～0.2T之间［4］。

本装置中导体棒受到的安培阻力计算公式如下：

其中l为导轨宽度，S为导体棒的截面面积，R0为导体棒的电阻，P为导体棒室温时的电阻率，v为导体棒的移动速率，忽略导轨的电阻，综合考虑导体棒的材料的力学性能和电阻率，本文选用铝合金棒，代号6A02，状态T6，电阻率，S为0.01πm2。

导轨宽度选为0.35m，将数据代入公式（2），经计算，在磁场公布均匀区域得到的安培阻力约为439.6N。

2.5 技术矛盾与发明原理应用

由于螺旋轴转速越大，克服的惯性力越大，轴受到的阻力也越大，但滑块的方向转变也变得困难，产生对轴的冲击力越大。

本文利用矛盾矩阵和40条发明原理解决运动物体的质量（托盘或导体棒）和冲击力之间的技术冲突；利用第10条预操作原理和第18条振动发明原理在导轨两端焊接挡板并加弹簧，解决了移动托盘质量大带来的惯性力（或安培阻力）和冲击力的弊端。具体解决方法如下：

定义技术矛盾：为了给滑块施加一定的阻力，移动托盘质量必须足够大，而大质量的移动托盘必然带来大的惯性力，给滑块在两端的移动变换带来麻烦。如果在导轨两侧加挡板，又会给挡板带来大的冲击力。于是构成了运动物体的质量和力之间的技术矛盾。如下表3

表3 矛盾矩阵简表

本文采用发明原理10（预操作）和发明原理18（振动），在导轨两端焊接挡板并加弹簧。

3 结论

本文的创新点：引入系统外摩擦力和电磁阻尼实现摩擦副的阻力单向变换加载。解决的关键技术：克服了试验台的螺旋轴阻力加载不足和加载过大产生的副作用以及阻力加载的单向性。

本设计参照TRIZ理论问题解决一般流程，先对当前系统进行系统分析、理想化目标分析和资源分析，得到问题标准模型，然后采用相应的基于知识的问题解决工具，解决了原来系统单侧阻力加载及阻力加载不足的弊端。磁场的引入优化了利用摩擦力来提供摩擦阻力导致的新物质损耗。引入新的物质和有竞争力的场增强了原有的物－场模型，但难免会产生一系列新的冲突，形成冲突链。利用矛盾矩阵和发明原理进一步解决新的冲突，彻底解决了系统矛盾。

［1］张明勤.TRIZ入门100问-TRIZ创新工具导引［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］高常青.TRIZ发明问题解决理论［M］.北京：科学出版社，2011.

［3］孙峰华.TRIZ创新理论与应用原理［M］.北京：科学出版社，2010.

［4］王之魁，樊庆文，等.基于亥姆霍兹线圈的均匀磁场发生器设计分析及应用［J］.医疗卫生装备，2014（10）：1-3，10.

Double Spiral Shaft Resistance Load Design based on TRIZ

Zhang Xinyang
（SchoolofEngineering,Universityof Jinan Quancheng College，PenglaiShandong265600）

Around with the theme of resistance load，systematic analysis of technology conflictin the double spiral shaft load resistance system was carried out in this paper，and then by using the analysis and problem-solving toolsprovided byTRIZ theory，the loading resistance with electromagnetic damping effect wasput forward creative⁃ly.The resistance loading device in this paperhas certain reference significance in other areas，andusing TRIZ the⁃ory to solve practical problems ofmechanical engineering plays a reference role.

TRIZtheory；spiral shaft；resistance load

TH122

A

1003-5168（2015）05-0050-4

2015-4-10

张新洋（1987-），男，硕士，助教。