TRIZ理论在金属弹性敏感元件设计及工艺中的应用

李 洋

（海军装备部，太原 030006）

TRIZ理论在金属弹性敏感元件设计及工艺中的应用

李 洋

（海军装备部，太原 030006）

由于金属弹性敏感元件的特殊性，它在设计及生产过程中，通过现有理论和经验公式获得的产品性能质量特性，不足以完全真实地反映产品实际情况，仍需要通过大量的试验来获得最终的参数。本文通过引入TRIZ理论，依靠其涵盖的创新思维方法、问题分析方法及解决问题的流程，高效地获得解决金属弹性敏感元件设计生产问题的解决方法或相关产品参数。

金属弹性敏感元件 TRIZ理论 产品性能

引言

金属弹性敏感元件包含膜（片）盒、（焊接）波纹管、振动筒等多种弹性元件，广泛应用于航空、航天、船舶等多个领域。利用其自身的弹性变形功能，它被用作测量元件、执行元件、储能元件、密封元件、弹性连接元件和隔震减振元件等[1]。

和一般的机械零件不同，大多数金属弹性敏感元件在制造过程中要经受较大的塑性变形。除了要保证几何外形尺寸，它还要满足规定的性能要求。金属弹性敏感元件的性能质量，不仅受设计因素的影响，而且很大程度上依赖于制造工艺。即使在确定的设计和工艺条件下，金属弹性敏感元件对原材料的变化依然十分敏感。不同批号、炉号和不同生产厂家的材料，都会引起产品最终性能的变化。因此，在投产前必须调整设计、工艺因素来补偿材料引起的变化。

遗憾的是，迄今还没有包含所有影响参数的完整而实用的设计公式可以遵循[2]。从目前金属弹性敏感元件的研发和生产状况来看，无论是设计初期还是投产以后，都需要大量的试验来保证产品性能的稳定。试验中，通行的方法是试错法——属于传统的一种创新方法。例如，某项新研产品选用了新的材料、新的成型模具以及新的热处理规范和稳定处理工艺；在投入首批试验件后，根据试验结果可知特性偏离的大小和方向；决定下批投入时，需要更改何种工艺参数及设置更改到什么程度。如此反复，直至产品特性合格。

试错法简单易行，但其周期长，耗费大量的人力、物力，且容易使人形成惯性思维，即遇到类似问题时，可能会不假思索地运用过去常用的方法来处理，却忽略环境的变化，从而造成不必要的损失。

1 TRIZ理论概述及其先进性

1.1 TRIZ理论概述

TRIZ理论是一项“发明问题解决理论”，是前苏联发明家阿奇舒勒先生通过研究上万项发明专利后总结形成的一项理论。任何领域的产品改进、技术变革和创新，与生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是有规律可寻的。TRIZ理论就是总结出各种技术发展进化遵循的规律模式以及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、实现创新开发的各种方法和算法组成的综合理论。

TRIZ理论主要涵盖创新思维方法与问题分析方法、技术系统进化法则、技术矛盾解决原理、创新问题标准解法、发明问题解决算法、基于物理、化学几何学等工程学原理而构建的知识库6个方面。它依托分割原理、拆除原理、局部性质原理、不对称原理、组合原理等40项基本措施[1]，构成其完整的结构体系。

1.2 TRIZ理论相对传统创新方法的先进性

相对于传统的创新方法，如试错法、头脑风暴法等，TRIZ理论具有鲜明的特点和优势，成功揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾[2]，通过发现矛盾所在，找到解决问题的方向。它不逃避矛盾，目标就是完全解决矛盾，获得最终的理想解。

以试错法为例，假如某型产品特性测试结果显示其位移偏大，则需按图1所示流程找到问题症结及解决方案。

图1 试错法分析流程

经过对原始问题的层层分解，最终将可能造成位移偏大的原因落实到9个方面。对这9个方面分别验证分析后，确定问题的症结所在，然后再通过进一步试验将技术参数修正，完成对产品特性的纠正。

而运用TRIZ理论分析同样的问题则无需如此繁冗，如图2所示。

图2 TRIZ理论分析流程

相对于传统创新方法，TRIZ理论大大简化了分析过程，减少了试验频次。因为TRIZ理论是基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程，而不是随机行为。实践证明，运用TRIZ理论可以大大加快人们创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品。它能够帮助人们系统地分析问题，快速发现问题的本质或者矛盾，并准确确定问题的探索方向，突破思维障碍，打破思维定式，以新的视觉分析问题，进行系统思维，根据技术进化规律预测未来发展趋势，从而促使人们不断开发富有竞争力的新产品。例如，截止2003年，三星电子采用TRIZ理论指导项目研发而节约的相关成本就有15亿美元，同时通过在67个研发项目中运用TRIZ技术，成功申请了52项专利。

2 TRIZ理论在金属弹性敏感元件设计及工艺中的应用

2.1 应用案例1

2.1 .1 问题描述

某型压力膜盒设计要求在满足一定总位移的前提下，起始压力为总压力的1%时，起始位移要达到总位移的8%以上。初期设计方案膜片采用三角形波纹，结合膜片型面整体上凸一定角度，以获得较大的初始位移。但是，实际采用该型面后，起始位移始终无法满足对总位移的占比要求。经分析是由于受热处理工艺影响，圆片在成形后产生的残余应力大小不一，跨越范围较大，膜片型面锥度无法保持在一个理想的范围所致。然而，热处理工艺水平却不能在短时间内得到提升，因此产品的研制一时陷入僵局。

2.1 .2 分析过程

以九屏幕法为例。九屏幕法以空间为纵轴，考察“当前系统”及其“组成（子系统）”和“系统的环境与归属（超系统）”；以时间为横轴，考察上述三种状态的“过去”“现在”和“未来”，目的是寻找可利用的资源，分析清楚系统的构成与环境。九屏幕法的图形有两类，一类是基于技术系统进化，以当前系统及过去和未来的一种进化关系形成；一类是基于工艺和操作流程，以产品的工艺或操作流程为逻辑关系。

图3 九屏幕法

从图3（该图是基于工艺和操作流程）可以看出，对膜盒的起始位移占比产生影响的只有子系统和当前系统的过去、现在和未来。子系统受目前工艺水平的限制，已经无法进行改进；而当前系统的过去和现在均无法满足膜盒的特性需求，剩下的只有当前系统的未来——未知型面。这个未知型面既要满足膜盒起始位移的占比需求，还要不受或减少应力对型面的影响。这里，需要引入一个新的概念——矛盾矩阵。矛盾矩阵是TRIZ理论为了方便更快地发现解决问题的方法，列出的一个由39项影响事物本身的通用工程参数组成地矩阵表，通过查表可以快速找到解决问题的创新原理。

通过查表，得到表1所示的结果。

表1 矛盾矩阵查表结果

分割原理：把一个物体分成相互独立的部分；将物体分成容易组成和拆卸的部分；提高物体的可分性。这个原理的前提是在一个完整的膜片上实现膜盒的起始位移占比需求，因此无法选用。

变害为利原理：利用有害因素，得到有益结果；将两个有害因素相结合进而消除它们；增大有害因素的幅度直至有害性消失。利用该原理的前提是可以对有害因素进行有效控制，但受工艺水平的限制，目前并不能将膜片成形时产生的应力控制在允许范围内，因此该原理同样无法选用。

物理或化学参数改变原理：改变物态；改变浓度或密度；改变柔度；改变温度。利用该原理的前提是环境允许物理参数改变或现行工艺可以实现材料化学参数的改变，但这些条件目前均不具备，因此无法选用该原理。

局部质量原理：将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀；让物体的不同部分各具不同功能；让物体的各部分处于完全各自功能的最佳状态。该原理的3类方法均可以在一个完整的膜片实现，因此这里选用该原理解决问题。

2.1 .3 解决方案

利用局部质量原理，这里放弃原有模具的型面锥度设计，将膜片本来完全均匀的三角波纹改为将靠近圆心的两个三角波纹的角度由45°增大至60°，降低膜片平中心的刚度，提高膜盒的起始位移。同时，这个型面改进不易受到圆片成形时残余应力的影响，而其他三角波纹角度不变，保证膜盒总位移的需求。通过10个批次产品的连续跟踪，产品平均合格率达到85%以上，完全可以满足生产需求。

2.2 应用案例2

2.2 .1 问题描述

某型焊接波纹管（见图4）要求测量压缩后的位移。由于前期对工艺细节的考虑不周，并未设计工装夹具，而是由测量人员直接用手将该焊接波纹管压并，然后用游标卡尺测量。但是，由于人的力量有限，不能持续工作，时间稍长，手的力量就不能完全将焊接波纹管压并。因此，无法准确测量到焊接波纹管真实的压缩位移。

图4 焊接波纹管组件

为避免人手力量无法长时间持续工作的弊端，后采用手压床将焊接波纹管压并，以避开人手力量的限制。但是，由于受设备和场地的限制，需要一只手控制手压床的手柄，另一只手用游标卡尺测量压缩位移。这种方案不仅可操作性差，还有可能造成测试的误差。

2.2 .2 分析过程

从前面的问题描述可以看出，需要一种兼顾省力、方便、准确的测量方法或工装。此类问题可以归结为系统在最小程度改变的情况下能够实现最大程度的自服务，即TRIZ理论中的IFR（Ideal Final Result）方法——最终理想结果。

IFR方法有4个特点：保持原系统的优点；消除原系统的不足；没有使系统变得更复杂；没有引入新的缺陷。因为IFR方法要实现的是一种最理想的技术系统，而这种完全理想的结果作为物理实体是不存在的。因此，在实际操作中完全做到以上4点有一定难度，在解决实际问题的过程中，只能尽量向理想结果靠近。

如表2所示，IFR方法法分析过程一般分为4个步骤：1.现有问题描述；2.问题解决的IFR描述；3.分析现有的所有可利用资源；4.得到接近IFR的技术方案。

表2 IFR法分析过程

2.2 .3 解决方案

根据自服务原理：物体通过执行辅助或维护功能为自身服务；利用废弃的能量与物质。本文利用焊接波纹管的压缩力（废弃的能量）以及焊接波纹管的螺孔（执行辅助或维护功能为自身服务），设计了一种夹具（见图5）。该夹具使用时，是先将焊接波纹管旋至底座上，用有簧百分表测量其自由高度，然后将螺杆插入产品的螺孔内不断旋转，直至产品完全压并，再用有簧百分表测量其压并后的高度，则两者之差就是产品的压缩位移。

图5 测量夹具使用示意图

3 结论

经过对TIRZ理论先进性的阐述以及该理论在金属弹性敏感元件设计及工艺中两个实际应用案例的分析和说明，充分证明了TIRZ理论可以应用于金属弹性敏感元件设计及工艺中，且优于常规的试错法、头脑风暴法等常规创新方法，可以迅速找准在设计或工艺中的问题症结，并通过相应的创新原理得到比较合理、可靠的解决方案，从而节省宝贵的人力和物力。

但从目前的应用效果来看，TIRZ理论虽然可以明确指出在金属弹性敏感元件设计及工艺中遇到的问题需要改进的方向，大幅节约时间和经济成本，但尚不能给出改进所需的具体技术参数，仍然需要结合金属弹性敏感元件专业知识，通过进一步的试验来获得最终的技术参数。

[1]金慧根.航空制造手册/弹性元件工艺[M].北京：航空工业出版社，1994：1-2.

[2]赵敏.创新的方法[M].北京：当代中国出版社，2008：10-11，50-52.

The Application of TRIZ Theory in the Design and Technology of Metal Elastic Sensitive Element

LI Yang
(Department of Naval Equipment, Taiyuan 030006)

Due to the particularity of the metallic elastic sensing element, the performance quality characteristic of the product obtained through the existing theory and experience formula in the design and production process is not enough to reflect the actual situation of the product, and still needs a lot of experiments. Obtain the final parameters. In this paper, by introducing TRIZ theory, the method of resolving the design and production problem of metal elastic sensitive components or the related product parameters can be obtained efficiently by relying on the innovative thinking method, problem analysis method and solving process.

metal elastic sensitive element, TRIZ theory, product performance