基于TRIZ理论的挡水装置优化设计①

万心华 徐 畅 钱长成 王永志 闵鹏飞 付本事 尹彬沣

（扬州大学机械工程学院 江苏扬州225127）

农业现代化的快速推进为我国经济与社会发展提供了有力保障，但洪涝灾害仍然危害着农业生产，尤其在南方及黄河流域，大棚、地窖和仓库等区域常遭受着洪水的威胁［1]，其中，2017年，洪涝灾害造成长江流域直接经济损失达939亿元［2]。

现有的挡水方式主要为安装防洪挡板、堆砌沙袋。这些方式挡水效果虽有保障，但需耗费大量时间和人力物力，且面对瞬息万变的天气，若处理不及时，仍无法解决问题。

本设计基于TRIZ 理论，对现有的挡水装置进行智能优化，分析挡水装置智能优化过程中的技术冲突，添加预警、自动升降、模块化设计功能。设计并分析参数，保证可根据不同需求选用不同规格的挡水板，进行电机模块化组装，保证挡水质量，满足挡水需求。

1 TRIZ理论概述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）的含义是发明问题的解决理论，由理想解、技术冲突矩阵、物质-场分析、ARIZ 算法等多个部分构成［3-4]，本设计主要采用技术冲突矩阵进行智能优化。

技术冲突是指当系统的一个方面得到优化时，对另一方面会造成了劣化。TRIZ 提供了39 个标准参数［5]，任何一个技术冲突都可用其中的一对参数来描述，而其中一对参数描述的任一技术冲突都有可确定的创新方法进行解决，这些方法被归纳出40 条，构成了技术冲突矩阵。研究者只需描述相关技术冲突，即可根据技术冲突矩阵找到解决问题的方法［6-7]。

2 优化过程中技术冲突的分析

2.1 挡水装置问题分析

现有的挡水装置以单一的挡水板为主，只具备最基本的挡水功能，在现实的使用过程中，主要存在以下问题：（1） 使用不方便。在风雨、洪涝灾害到来时，现有挡水装置需要人工安装到所需地点，险情结束后需人工拆除，耗费时间和人力物力；（2） 响应不及时。现有挡水装置的安装大多在灾害发生过程中，若安装不及时，会有安装危险，产生严重损害；（3） 缺乏适用性。由于各区域需要的挡水面积不同，现有挡水装置需要专门订制不同尺寸的框架和挡水板以满足不同的需求，费时耗力。

2.2 技术冲突的描述

通过上述问题的分析，可提高装置的操作性使其易于使用；提高装置的智能化、自动化程度使其响应速度快；提升装置因地制宜的能力使其广泛应用。

优化后的挡水板要实现操作简易、响应快速和应用广泛等特点，可从可操作性、智能化、因地制宜的角度来优化装置，但这些优化方式会导致装置结构复杂化，构成技术冲突。将其转化为TRIZ 提供的通用工程参数，通过建立TRIZ 参数模型，确定通用的工程参数，可进一步解决上述问题。

通过分析挡水装置存在的技术冲突，可以从39 个通用工程参数中遴选出以下几个与技术冲突相关的参数［5]：33 号操作性，即装置的操作简便，属于改善的参数；38 号自动化水平，即装置在无人操作的情况下可以实现其功能，属于改善参数；35 号适应性，即装置在不同环境中实现其功能，属于改善的参数；36 号装置的复杂程度，即装置的形态结构复杂，属于劣化的参数。

2.3 发明原理的确定

分析确定出与技术冲突相关的通用工程参数［5，8]，在表1中查找技术冲突矩。

表1 部分技术冲突矩阵

根据实际需要，从技术冲突矩阵中筛选可用于优化的发明原理：

17 号一维变多维，24 号中介，26 号代用品，28号机械系统的替代，29号空压机构、液压机构，32 号改变颜色，37 号热膨胀。以上发明原理不适用于本装置的优化，在此不做考虑。

我们遴选出以下适用于本装置优化的发明原理：

10 号动作预置：预置必要的动作、机能。使用单片机、迷你电脑板，通过预设指令操控装置的运动。

12 号等位性：改变物体的动作、作业状况。装置由原来的人工安装优化为自动起降。

15 号动态性：①将物体分割成既可变位又可相互配合的个数构成要素，然后将装置进行模块化处理，根据场合差异使用不同的模块满足需求。②使不动的物体可动或相互交换，可将挡水装置可以通过形态的改变转化为工作状态。

3 智能化挡水装置的设计

3.1 设计方案

由筛选出的发明原理对挡水装置进行智能优化，优化后的结构见图1。

该装置采用模块化设计，将挡水板及安装基座制作成宽1m 的模块，为实现不同模块两两接合，使用卯榫结构。挡水板根部设有转轴，安装于基座的轴套中，两端安装由电脑控制的伺服电机［9]，带动挡水板转动。基座设有液位传感器，向电脑板传输信号，当水位到达预设高度时，电脑板向绑定的终端设备发出预警信息，及时通知相关人员，控制电机正转，带动挡水板立起并自锁；当水位回落，电脑板接收传感器信号，控制电机反转，使挡水板放置于基座上。

图1 挡水装置优化结构

3.2 尺寸确定

当设计方案完成后，对尺寸参数进行计算和选用。这里分析单个宽1m的模块，即b=1m，通过简化设计方案，最终确定出图2结构。

图2 设计方案的数学模型

（1）为保证装置不影响正常情况下的通行，基座高度应低于车辆底盘高度，此处参照减速带的高度设计，取用a=70mm。

（2）为保证挡水板强度，使其不出现变形影响挡水性能，参考现有挡水板材质与部分尺寸，取用铝合金材质，ρ=2 700 kg/m3，取用挡水板厚度s=40mm。

（3）为保证挡水板在工作时保持竖直状态，在动电机自锁时需承受外界积水及挡水板自重造成的转矩。为最大化利用挡水板，设挡水板与积水自由液面等高，由此计算出积水对挡水板作用力：

式（1）中yc为挡水板质心至自由液面距离；H为自由液面至挡水板根部距离；A为挡水板面积；g为重力加速度。

力的作用点至自由液面的距离：

式（2）中Icx为挡水板对x轴惯性矩。

积水对点P的转矩：

式（3）中L为力的作用点至基座上表面的距离。

挡水板自重：

挡水板自重对点P的转矩：

电机自锁时需要承受的转矩：

通过上述计算结果，模拟出积水深度H与电机自锁时所需承受转矩T之间的函数关系，见图3。

在实际使用过程中，为保证挡水效果。挡水板的高度应比积水深度高10～20mm。可根据当地积水深度，参照深度与转矩关系图，自行选用合适的挡水板与电机。

4 结论

基于TRIZ 理论，分析现有挡水装置不足，建立技术冲突，根据技术冲突矩阵查找解决冲突的发明原理，筛选出可应用于实际状况的方案。通过筛选的方案，结合多学科领域知识，对现有挡水装置进行智能优化，可有效解决农业生产过程中作物所在区域在遭受水灾害和雨涝灾害下易被水淹的问题，有效地保证挡水效果。

图3 H与T的函数关系