浅探TRIZ 理论在机械创新教学中的应用

罗彬宾

（常州信息职业技术学院常州市高端制造装备智能化技术重点实验室，江苏常州 213164）

创新是一个国家持续发展的最基本的动力，是一个国家摆脱依赖，保持竞争力的最大保障。特别是随着国家的实力越来越强大，人们所面临的科技竞争和封锁也越来越严重。因此，党的十九大指出“要坚定地实施科教兴国战略，培养造就一大批具有国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队[1]”。由此可见创新在国家的大力推行下已经深入到国民生活的方方面面，与人们的生活息息相关。

TRIZ 理论是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒对不同工程领域中的大量发明专利进行研究、整理、归纳、提炼及总结出来的[2]，他发现技术系统的创新是有规律的，为了验证他的理论，阿奇舒勒基于此理论做出了多项发明。笔者是一位从事多年机械类课程教学的高校教师，平时在机械创新方面也作了一些努力，特别是学习过TRIZ 理论后，利用TRIZ理论撰写专利，获得了一些发明专利[3-5]，因此对于TRIZ 理论有一些粗浅的见解，并且利用TRIZ 理论基于自己的专业，在机械创新教学和指导学生进行创新设计上作出了一些自己的努力[6-7]。

一般而言，所有机械结构都是为了实现特定的功能而设计的，而要实现机械创新这个过程不外乎是对结构中零件的形状进行创新以及零件之间相互运动和力传递方式的创新。不管是对于零件形状的创新，还是对于零件之间相互运动及力的传递方式的改进或创新，都是机械结构之间运动副[8]的变异和演化方面的创新，比如：运动副尺寸的变异、运动副形状的变异以及运动副性质的变异这三个方面[8]。阿奇舒勒的TRIZ理论中的矛盾矩阵以及相对应的40个发明原理对于如何迅速地解决这些问题有很好的参考作用，在此笔者就自己做过的一些创新谈谈TRIZ 理论在机械创新教学中的应用。

1 创新设计中的技术矛盾

研究圆柱磁铁在非磁金属管中的运动时，笔者发现圆柱磁铁在非磁金属管的轴线处缓缓下落。于是根据TRIZ 理论的发明原理4 非对称性[2]，研究圆柱磁铁在单缝非磁金属管中的运动现象，发现圆柱磁铁在电磁感应的作用下紧贴非磁金属管缝隙处下落，并发出极其刺耳的摩擦噪音。根据圆柱磁铁在单缝非磁金属管运动现象，可以设计一款旅游观光高空体验降道，这种旅游观光降道即安全又刺激，而且还很新奇，既可以寓教于乐，又可以激发前来体验的观光者的好奇心，从而激发人们发明创造的欲望。虽然这个设计避免了圆柱磁铁在无缝非磁金属管中运行时形成的空间密闭现象，也就是说如果圆柱磁铁上搭乘体验者的话，虽然体验者在圆柱磁铁的舱体内，随之下落的速度很缓慢，但是体验者在圆柱磁铁的舱体内这个相对密闭的空间，其既看不到外面的景象，也无法摆脱那种悬在空中无依无靠的恐惧感。因此非磁金属管的单缝设计很好地解决了这个问题，但是其他的问题又随之而来。由于电磁感应的作用，圆柱磁铁紧贴非磁金属管缝隙处下落会发出极其刺耳的摩擦噪音，如果体验者在这种旅游观光体验降道中体验的话，其体验的感受肯定会大打折扣，因此如何消除或者是减轻这种摩擦噪音就变得极其重要。

2 TRIZ 阿奇舒勒矛盾矩阵的应用

阿奇舒勒的TRIZ 理论认为，发明问题的核心是解决矛盾，没有克服矛盾的设计不是好的创新设计，而且产品的创新过程就是不断解决产品所存在的矛盾的过程[2]。于是笔者根据面临的问题总结其可能的矛盾，发现噪音变小或消除可以从能量的损失和接触材料的变化两个方面入手，那么就确定了阿奇舒勒矛盾矩阵的改善参数——运动物体消耗的能量，如果改善运动物体消耗的能量，那么它圆柱磁铁的舱体对单缝非磁金属管的压力就会变小，从而面临的情况是圆柱磁铁的舱体由于没有足够的感应阻尼下坠的速度会变得很快，这会造成很大的安全隐患，因此这个过程恶化的参数——应力和压力，也就是说圆柱磁铁的舱体会对单缝非磁金属管的压力变小，那么总结得出改善参数是运动物体消耗的能量以及对应的恶化参数是应力和压力。通过查询阿奇舒勒矛盾矩阵可以得到对应的发明原理是23、14、25，现在可以根据这些发明原理来一一分析。

对于发明原理23 反馈，其根本的方法是：①引入反馈改善过程或动作；②如果反馈已经存在，改变反馈信号的大小或灵敏度[2]。通过仔细研究该发明原理以及参照其给定的大量案例发现，无法根据此发明原理同时改善圆柱磁铁舱体在单缝非磁金属管中下落过程中运动物体能量的消耗以及压力和应力两个矛盾参数。

对于发明原理14 曲面化，其根本的方法是：①将直线、平面用曲线、曲面代替，立方体结构改为球体结构；②使用滚筒、球体、螺旋状等结构；③从直线运动改为旋转运动，利用离心力[2]。从这个发明原理发现，可以在改善运动物体消耗的能量的同时保证应力和压力的不变甚至增大。也就是说可以在圆柱磁铁舱体靠近单缝非磁金属管的缝隙处设计两列均匀分布的滚轮，那么圆柱磁铁舱体在单缝非磁金属管下落时，由于电磁感应的作用圆柱磁铁舱体上的滚轮作用在单缝非磁金属管缝隙的两端缓缓下落，这个改动做到了将圆柱磁铁舱体与单缝非磁金属管的滑动摩擦变为圆柱磁铁舱体上的滚轮与单缝非磁金属管的滚动摩擦，大大减小其相互运动期间的能量的消耗，也大大减小了因滑动摩擦产生的刺耳的噪音，形成了一个很好的解决方案。

发明原理25 自服务，其根本的方法是：①使物体具有自补充和自恢复功能以完成自服务；②利用废气的资源、能量和物资。通过仔细研究该发明原理以及参照其给定的大量案例笔者发现无法根据此发明原理同时改善圆柱磁铁舱体在单缝非磁金属管中下落过程中运动物体能量的消耗以及压力和应力两个矛盾参数。所以最终得到的方案是使用发明原理14 曲面化。

3 TRIZ 发明原理的应用

根据阿奇舒勒矛盾矩阵所获得的发明原理，最终确定的观光高空体验降道的设计方案如图1 所示。该旅游观光高空体验降道是由绞盘、缆线、观光舱体及金属管道、安全矫正台等组成的。其中观光舱体的轴线在缆线和重力的作用下与金属管道的轴线基本一致，金属管道的管口直径稍大于观光舱体的直径，且金属管道的一侧开一道可供观赏管外景色的缝隙，这样观光舱体既可以轻松地落入金属管道之中，又能让体验者欣赏到管外的美景。通过滑轮、缆线及绞盘让观光舱体保持在金属管道上方，当突然放开绞盘的制动系统或断开缆线与观光舱体的连接，那么观光舱体在重力的作用下就会下落到金属管道中，由于观光舱体本身是一个电磁铁，那么观光舱体在短暂加速后匀速地紧贴金属管道的缝隙两端中缓缓下落。当处于极端情况下，也就是在电磁感应产生的电磁阻尼消失的情况下以及在观光舱体呈自由落体下落的情况下，安全矫正台作为最后的缓冲保障，保证体验者安然无恙地着陆。

图1 旅游观光高空体验降道示意图

观光舱体如图2 所示，观光舱体两侧设计了滚轮，其作用是将观光舱体与金属管道滑动摩擦转变为滚轮与金属管道的滚动摩擦，这样既可以消除滑动摩擦产生的刺耳噪音，也可以将观光舱体因为滑落产生的损耗转变为舱体上滚轮的损耗，可以随时根据滚轮的损耗状态更换滚轮，而不是更换观光舱体。

图2 观光舱体

4 结束语

TRIZ 理论与工业的各个方面联系都非常紧密，而机械是工业最重要的组成部分，可以说只要有实体结构的地方就有机械，因此一个好的机械创新可以大大提高其工作效率，从而降低其运营成本。TRIZ 理论在解决机械创新问题上有很好的参照作用，使用者可以通过寻找其工程矛盾参数迅速地找到其可能解决的方案，极大地提高了机械创新效率，本文通过笔者在机械创新教学方面体会，深感在机械创新教学中引入TRIZ 理论是非常必要的。