运用TRIZ理论分析实现舵机噪声的改进

宋培培，杨秀芳，李晓峰

（山西汾西重工有限责任公司设计研究所，山西太原030027）

运用TRIZ理论分析实现舵机噪声的改进

宋培培，杨秀芳，李晓峰

（山西汾西重工有限责任公司设计研究所，山西太原030027）

运用TRIZ理论，结合工况实际，建立系统组件模型、结构模型、功能模型，进行系统功能分析和根本原因分析，通过定义系统中技术矛盾、物理矛盾和应用物场分析，得出了舵机噪声的改进方案。

TR IZ理论；技术矛盾；物理矛盾；物场模型

1 背景介绍

1.1 TRIZ理论简介

TRIZ理论是1946年由前苏联发明家G.S. Altshuller创立，G.S.Altshuller通过分析大量专利发明后，发现任何领域的产品改进、技术变革、创新和生物系统一样，是有规律可循的。在分析了世界大量高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的原理和法则，建立起TRIZ理论体系。

TRIZ理论体系非常核心的内容之一就是TRIZ创新原理，TRIZ创新原理由39个通用技术参数构成矛盾矩阵、40个解决技术矛盾的创新原理以及若干个解决物理矛盾的分离方法等组成。

1.2 TRIZ创新问题解决流程

TRIZ的创新问题解决流程主要包含分析问题和解决问题两个部分，具体流程如下：

运用TRIZ理论，按照TRIZ的创新问题解决流程，结合工况案例，来分析问题和解决问题，便会得到最终解决方案（如图1所示）。

图1 TRIZ的创新问题解决流程

2 解决问题过程

2.1 技术系统工作原理

舵机是水下航行器的执行机构，其工作原理是：中央控制单元发出操舵指令，舵控制器在接收到中央控制单元的操舵指令后，通过控制舵机上的舵驱动电机转动，依次带动行星齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构转动，从而带动与蜗轮相连的舵轴一同转动，推动舵面偏转。通过检测蜗轮蜗杆出轴上的舵轴角度传感器在到达要求的角度值停止电机运行，从而控制水下航行器的航行姿态。舵机动作流程图如图2所示。

2.2 问题描述

该舵机系统空载状态下的噪声值较大。

测试方法及要求：在实验室环境，空载条件下，采用声级计在出轴线离舵机1m处测试噪声不大于56 dB(A)。但现在测试的噪声值最大值可达到61 dB (A)，不满足设计要求。

下面按照TRIZ关于问题分析的流程与方法进行问题分析。

2.3 问题分析

2.3.1 功能分析

功能分析主要包含三个步骤：建立组件模型、建立结构模型和建立功能模型。

1）组件模型。

组件模型是列出技术系统中包含的组件，包括超系统组件、系统组件和子系统组件。该系统的组件模型见表1。

图2 舵机动作流程框图

表1 组件模型

2）结构模型。结构模型包含相互作用矩阵，相互作用矩阵描绘出系统各组件之间是否有关联，该系统结构模型如图3所示。

图3 相互作用矩阵

3）功能模型。功能模型包含两张表，功能表和功能模型。功能组件描述了某组件对系统或超系统其他组件的所有功能，功能模型系统描述了系统中各组件之间的功能关系。该系统功能模型见图4。

图4 功能模型

2.3.2 根本原因分析

为了找到导致现有问题的原因，基于建立的功能模型，进行了根本原因分析，从而得到更多的解决问题的突破口（如图5所示）。

图5 根本原因分析

3 解题工具的应用

3.1 采用技术矛盾、创新原理方法

根据根本原因分析中的因果链，定义出技术矛盾，并利用矛盾矩阵和创新原理解决。

定义技术矛盾有以下几点：

1）问题。

电机旋转产生的振动向外传递，致使整个舵机产生噪声过大。

2）现有解决方案。

将电机做成密闭腔，并将安装电机的安装板底板厚度加厚。

3）现有解决方案的缺点。

噪声值有所下降，但还是不能满足系统要求的指标，同时整个舵机的质量增加。

技术矛盾1：将电机本体加装头盖形成密闭空腔后，电机轴处产生的噪声仍较大，且电机本身重量增加。技术矛盾1：改善对象产生的有害因素与恶化静止对象的重量。

查矛盾矩阵表，运用的创新原理为：35，22，1，39。

解决方案：利用原理35物理或化学参数改变。

改变对象的柔性。将形成电机密闭空腔的头盖做成柔性的或在刚性头盖与电机本体之间加装柔性物质，使电机轴旋转产生的振动在轴向方向上得以阻断和吸收。

技术矛盾2：舵机的安装板厚度增加后，可以有效的减少振动的向外传播，从而降低整个系统的噪声值，但同时整个舵机系统的重量增加。技术矛盾2：改善作用域对象的外部有害影响与恶化静止对象的重量。

查矛盾矩阵表，运用的创新原理为：2，22，13，24。

解决方案：利用原理24借助中介物原理。

利用中介物来转移或传递某种作用。在舵机系统与安装板之间加装中介物，这样在电机振动传递过程中，会将振动先传至中介物，经过中介物将振动减缓后，再传至安装板上。

3.2 采用物理矛盾、分离方法

系统中物理矛盾定义。

第一步：定义物理矛盾。

参数：电机头架、舵机安装板重量。

要求1：大。

要求2：小。

第二步：系统的不同级别上要满足不同的要求。

级别1：对于整个舵机系统外的环境超系统来说，增加电机头架、舵机安装板重量，整个系统的振动噪声会减小。

级别2：对于舵机系统来说，需尽量减少系统的总重量。

第二步：分离方法的运用。

分离方法：系统级别上的分离。

解决方案：改进电机头架，电机安装板结构，将其一部分重量转变为柔性的比原材料密度小的，且同时能起到吸声、减振作用的材料，比如橡胶板。

3.3 采用物场分析方法

通过分析发现舵机噪声通过舵机安装板传递后加强了舵机噪声在空气中的传播，如下图6建立物场模型，其中F1为声场，S1为舵机安装板，S2为舵机系统，S1对S2产生有害作用。

图6 物场模型图

利用标准解法中的“消除有害作用”得出解决方案：

通过引入第二种物质来消除有害作用。

利用将第二种物质S3作为外部添加物引入到系统中解决方案：在舵机系统与安装板处增加中介物，即增加一块橡胶块S3，减弱了噪声的物理传递，从而有效地降低了噪声的大小。

4 结语

TRIZ基础理论培训和论文实践，开拓了思路，可以多角度、多学科的思考问题，使解决问题更加清晰。通过应用TRIZ理论解决该项目的实践问题，进一步加深了对该理论的理解，熟练了TRIZ理论中术语、工具及创新原理的用法。本文应用TRIZ理论及工具有效地解决了舵机噪声超标的问题。

[1]李海军,丁雪燕.经典TRIZ通俗读本[M]北京:中国科学技术出版社,2011.

[2]金昊宗.实用TRIZ研究与实践[M].北京:中国科学技术出版社, 2014.

（编辑：刘楠）

The Im provement of Steering Engine Noise by TRIZ Theory Analysis

Song Peipei,Yang Xiufang,Li Xiaofeng
(Design Institute of Fenxi Heavy Industries Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030027)

Using TRIZ theory,combined with the actual conditions,the system componentmodel,structuremodel,function model are established.And the system function and root cause are analyzed.Through the definition of system contradiction,physical contradictions and application field,the improvementprogram for steering gear noise are provided.

TRIZ theory;technical contradiction;physical contradiction;physical fieldmodel

TB657.4

A

2095-0748(2016)23-0061-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.23.29

2016-11-16

宋培培（1981—），女，山西长治人，本科，工程师，现就职于山西汾西重工有限责任公司设计研究所。