基于TRIZ矛盾矩阵解决压路机叉脚开裂问题

陈乐尧，唐恒宁，陈维涛，何海涛

(1.湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411104；2.三一重工股份有限公司，长沙 410100)

基于TRIZ矛盾矩阵解决压路机叉脚开裂问题

陈乐尧1，唐恒宁2，陈维涛2，何海涛2

(1.湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411104；2.三一重工股份有限公司，长沙 410100)

利用TRIZ创新理论的矛盾矩阵原理，分析双钢轮压路机叉脚开裂问题是由两个技术矛盾导致的，其一是通过焊接直侧板提高叉脚可靠性导致焊接应力集中的矛盾；其二是焊缝较短，焊接不连续需要多次引弧而导致焊接困难的矛盾.通过查询矛盾矩阵，利用其提示的发明原理，分析得到四个可能解决方案，结合工程实际利用其中的两个方案巧妙地解决了双钢轮压路机叉脚开裂问题.

矛盾矩阵；压路机；TRIZ；焊接裂纹

矛盾矩阵又名冲突矩阵或阿奇舒勒矛盾矩阵，是苏联发明问题专家阿奇舒勒为了提高解决技术矛盾的效率创建的，是解决技术矛盾的工具.阿奇舒勒通过对大量专利的研究、分析、比较与统计，归纳出了当39个工程参数中的任意两个参数矛盾时，化解该矛盾所使用的发明原理.这些发明原理共有40条.阿奇舒勒将工程参数的矛盾与发明原理建立的对应关系，整理成了一个39×39的矩阵，以便使用者查找.阿奇舒勒矛盾矩阵是浓缩了对巨量专利研究所取得的成果，矩阵的构成非常紧密而且自成体系[1,2,3,4].本文将利用矛盾矩阵的方法解决双钢轮压路机叉脚开裂的问题.

1 叉脚开裂问题描述

双钢轮振动压路机的主要功能是振动压实，振动是靠振动轮上的激振机构强迫激励产生的.振动轮通过减震块、叉脚等元件与车架联接固定，而且必须具有极高的可靠性，否则将影响压路机的正常工作.钢轮振动时，作为联接件的叉脚具有复杂的受力状态.

图1所示为某新型号双钢轮压路机的叉脚外观三维图，由两种零件焊接而成.一种零件是厚度为20 mm的Q345B折弯钢板；另一种零件是两块直侧板，材料与第一种相同.两种零件焊接成图示结构后需满足车架与钢轮的可靠联接.即折弯板上部有14个孔与车架相连，直侧板上面设有若干螺孔与钢轮减震块安装板相连.同时，采用这种折弯板加直侧板的焊接结构布置形式有利于提高叉脚本身的刚性.由于整机结构设计要求的特殊性，导致该叉脚受力状态比较复杂.产品样机进行可靠性试验到206 h后出现了叉脚开裂的问题.开裂位置在直侧板与折弯板焊接位置的上部，如图2所示.出现这种问题会对产品质量产生非常严重的影响.

图1 叉脚三维外观图

图2 叉脚开裂位置实物照片

2 开裂问题分析过程

首先定义技术矛盾.一方面，直侧板在加强叉脚强度的同时，直侧板顶端与折弯板焊接处有应力集中，主要有焊接应力和工作时的弯曲应力. 另一方面，在焊接直侧板与折弯板接触处时，由于焊缝较短，使得焊接不连续，多次焊接引弧导致焊缝内部未熔透，且收弧时焊缝表面容易产生弧坑.这样就存在两个矛盾：

其一，通过焊接直侧板提高叉脚可靠性与焊接应力集中的矛盾，用39个通用技术参数中的两个就可以表示成：需要改善的特性参数(可靠性)与系统恶化的特性参数(应力，压强)之间的矛盾.

其二：焊缝较短，焊接不连续需要多次引弧而导致焊接困难、未熔透和容易形成弧坑的矛盾，用39个通用技术参数中的两个就可以表示成：需要改善的特性参数(作用于物体的有害因素)与系统恶化的特性参数(可制造性)之间的矛盾.

因此，改善的参数为两个：可靠性，作用于物体的有害因素；恶化的参数为两个：应力压强，可制造性.

根据矛盾矩阵[1]，查出的发明原理如表1所示.

表1 叉脚开裂问题矛盾矩阵求解发明原理

根据查到的发明原理，就可以寻求最佳解决方案.经分析，拟采用的创新原理为：预先作用原理，借助中介物原理，物理或化学参数改变原理，周期性作用原理等.

根据“预先作用原理”，可得方案一：直侧板与折弯板焊接前，先将两者加热至200～250 ℃，焊后立即保温，减少焊接的内应力.

根据“借助中介物原理”，可得方案二：焊接时，在直侧板上端与折弯板接触的地方焊接一小件物料用于引弧，焊接后再将焊接的引弧物料去除，减少因引弧而造成的焊接质量.

根据“周期性作用原理”，可得方案三：为消除由于振动而造成的应力，可以外加其他强迫振源，相位正好与滚轮振动的相位相反，以抵消滚轮振动对叉脚的影响.

根据“物理或化学参数改变原理”，可得方案四：折弯板与直侧板的焊接接触为小平面直角接触，接触点处存在应力大、焊接不便等问题，将折弯板与直侧板的接触更改为圆弧过渡，使应力集中处的应力分布更均匀，并且焊缝加长，由平面直角接触更改为三维空间接触.

将以上分析的四个方案整理成如下方案评价如表2所示.

表2 利用发明原理分析得到的可能方案及评价

3 最终解决方案

采用方案二和方案四的组合，侧板焊接时采用中介物引弧，侧板顶端折弯，分散叉脚折弯板的应力集中.修改后的三维模型和实物样机如图3、图4所示.

图3 改进后叉脚结构外形图

图4 改进后的装机试验样机

在进行结构改进后，用有限元法进行了应力对比分析，图5～图7的结果显示，更改后的结构安全系数由1.46倍提高到4.42倍，见表3.试验样机验证2000 h以上无开裂故障.

表3 最大应力及安全系数

图5 两种结构的分析模型

图6 两种结构的应力分析云图对比

图7 两种结构的应力分析云图对比放大

4 结束语

TRIZ创新理论的矛盾矩阵是解决设计中技术矛盾一类问题的一种非常有效的工具，其核心思想是通过对具体设计技术矛盾的分析，找到系统中需改善的参数与恶化的参数，然后利用矛盾矩阵找出可能的创新原理，根据创新原理提供的思路进行矛盾问题的求解.求解的过程是创新的过程，虽然创新方案的结果会因人而异，但带给设计者的思想火花将指导设计者得出许多令人意想不到的创新方案，从而为系统解决问题提供不断的创新源泉.本文介绍的这个实例是利用矛盾矩阵的成功案例，其解决方案也申请了国家专利[5].

[1] 创新方法研究会&中国21世纪议程管理中心.创新方法教程(初级)[M].北京：高等教育出版社，2012：100-106，159-179.

[2] 刘晓敏，檀润华.约束理论中当前实现树与冲突解决图表驱动创新设计研究[J].中国机械工程，2008(12):1442-1445.

[3] 刘桂涛，袁春静，戴义贵.TRIZ中技术矛盾解决矩阵的应用[J].机械设计与制造，2007(8):63-65.

[4] 陈乐尧，唐恒宁，何海涛. 用矛盾矩阵解决振动压路机钢轮晃动和胶管磨损问题[J].工程机械,2016(5):23-27.

[5] 唐恒宁,陈维涛,何海涛. 压路机及其叉脚侧板[P]. CN,205259041 U,2016.5.25.

ContradictionMatrixtoSolveCrackProblemofRollerForkBasedonTRIZ

CHEN Le-yao1, TANG Heng-ning2, CHEN Wei-tao2, HE Hai-tao2

(1. College of Mechanical Engineering, Hunan Institude of Engineering, Xiangtan 411104, China；2. Sany Heavy Industry Co.Ltd., Changsha 410100, China)

The principle of the contradiction matrix of TRIZ is used to analyze the crack problem of the fork of the tandem roller, which is caused by two technical contradictions. One is the welded straight plate to improve the reliability of fork between the stress concentration of the weld; the other is that short and discontinuous welding requires multiple striking the are which causes difficult welding. By querying the contradiction matrix, and using the principle of the invention, four potential solutions are obtained, and the welding crack problem of the fork of the tandem roller is solved by two solutions.

contradiction matrix; roller; TRIZ; welding crack

TH122

A

1671-119X(2017)03-0021-04

2017-03-30

陈乐尧(1972-)，男，研究员级高级工程师，研究方向：工程机械产品设计与研发.