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2010产品创新数字化峰会征文:应用TRIZ创新理论解决拖拉机液压差速锁工作可靠性问题

2010/11/23    来源:e-works    作者:宋晓艳      
关键字:差速锁  TRIZ理论  创新原理  技术改进  
本文以拖拉机液压差速锁工作可靠性改进为例,应用TRIZ理论,将待解决的问题转化为问题模型,且通过查询矛盾矩阵,运用“物理或化学参数改变”和“预先反作用”创新原理,并结合物场模型分析,得到了改善弹簧参数及系统密封性的最终解决方案,有效地解决了差速锁脱开异常问题,大大提高了差速锁的工作可靠性及拖拉机行驶安全性。

1. 背景介绍

    1.1 TRIZ理论的起源与发展

    TRIZ是前苏联发明家根里奇?阿奇舒勒提出的,意为“发明问题解决理论”,或称为“解决发明问题理论”。他从1946年开始对专利的潜心研究,经过60多年对数以百万计的发明专利,进行长期的分析、归纳、总结等研究工作,最终建立起一整套系统化的、实用的、解决发明问题的理论体系,即TRIZ理论。

    1.2 TRIZ的核心思想与理论体系

    阿奇舒勒发现:技术系统进化过程不是随机的,而是有客观规律可以遵循,且这些规律在不同领域里可反复出现,这就是TRIZ的核心思想。

    截止21世纪初,围绕发明创新,TRIZ已经构成了较为丰富和完备的理论体系。如图1所示:

图1 TRIZ的基本理论体系框架

图1 TRIZ的基本理论体系框架

    这一理论体系是以辩证法、系统论和认识论为哲学指导,以自然科学、系统科学和思维科学的分析、研究成果为根基和支柱,以技术系统进化法则为理论基础,以技术系统、技术过程、矛盾、资源、理想化为四大基本概念,包括了解决工程矛盾问题和复杂发明问题所需的各种分析方法、解题工具和算法流程。

    使用TRIZ理论解决发明问题,其流程大致分为三步:首先将一个待解决的实际问题抽象转化为问题模型,然后针对不同的问题模型,应用不同的TRIZ解题工具,得到解决方案模型,最后通过类比应用,得到问题的最终解决方案。如图2所示。

图2  TRIZ解题流程图

图2  TRIZ解题流程图

    1.3 TRIZ中的解题工具

    当一个技术系统出现问题时,虽然其表现形式可以多种多样,但均可归类到TRIZ理论中的四种问题模型之中,即:技术矛盾、物理矛盾、HOW TO模型、物场模型。与此相对应,TRIZ的解题工具也有四种,即:矛盾矩阵、分离方法、知识库和标准解法系统。见表1所示。

表1:TRIZ中的工具体系表

表1:TRIZ中的工具体系表

    在本文中,主要应用了“技术矛盾分析”与“物场模型分析”解题工具。

    技术矛盾是指技术系统中两个参数之间存在着相互制约,简单地说,是两个参数之间的问题,是在提高技术系统中的某一个参数(特性、子系统)时,而导致了另一个参数(特性、子系统) 的恶化而产生的技术矛盾。

    矛盾矩阵是TRIZ之父 —— 阿奇舒勒,为了提高解决技术矛盾的效率,搞清楚在什么情况下使用哪些创新原理,因而创建了矛盾矩阵表,并将描述技术矛盾的39个通用技术参数与40个创新原理建立起的对应关系,很好地解决了创新过程中人们选择发明原理的困惑。

    40个创新原理(也称发明原理),见表2所示。

 表2:TRIZ中的 40个创新原理简表

 表2:TRIZ中的 40个创新原理简表

    39个通用技术参数,见表2所示。

表3:TRIZ中的39个技术参数简表

表3:TRIZ中的39个技术参数简表

 

    矛盾矩阵为一个39×39的矩阵,见表4所示。

    表4:TRIZ中的矛盾矩阵简表

表4:TRIZ中的矛盾矩阵简表

    1.4  工程背景介绍

    本技术系统为轮式拖拉机前驱动桥的液压差速锁系统,用于差速器功能的锁止与解除。当拖拉机行驶在湿滑路面或一侧车轮陷入泥潭或凹坑时,通过操作,差速锁起作用将差速器功能锁止。这样扭矩就会全部传给慢转车轮,带动拖拉机驶出恶虏路况,提高了拖拉机的通过性。

    拖拉机液压差速锁的结构示意,如图3所示。

图3  拖拉机液压差速锁结构图

图3  拖拉机液压差速锁结构图

1 锥支座壳体  2 进油口  3 半离合器  4 轴用挡圈   5 止动垫圈  6 活塞 8 导向销 9 垫圈  7/10 密封圈  11弹簧  12 轴承座圈  13 轴承调整垫  14 挡圈 15 差速器壳体 16 半轴齿轮

1.4.1  拖拉机液压差速锁工作原理

    如图所示,差速锁装置工作时,在液压力的作用下,液压油通过进油口2推动活塞6,活塞6压缩弹簧11与锥支座壳体1产生相对滑移,将半离合器3与差速器壳体15联锁,使差速器失去差速作用。液压放松时在弹簧11的作用下,活塞6退回原位,差速器恢复差速功能。

2. 解题过程

    2. 1问题描述

  主要问题:差速锁锁止或脱开动作异常

    2.2  问题发生的条件

    在拖拉机单侧车轮行驶在湿滑路况时,需要将差速器功能锁止,充分发挥拖拉机牵引力,以提高拖拉机通过性。正常行驶时,差速锁脱开,使差速器恢复差速功能。本系统在差速锁脱开时动作卡滞,出现异常,严重影响了差速锁工作可靠性,对整机行驶操纵产生安全隐患。

    2.3 组件分析

    问题分析应从系统分析入手,系统分析包括功能分析和组件分析。

    所谓组件分析,就是从构成系统的组件入手,分清层级,建立组件之间的联系,明确组件之间的功能关系,构建系统功能模型的过程。其分析的步骤为:建立组件列表,建立作用关系,建立组件模型。

    2.3.1  步骤一 —— 建立组件列表

    确定图3中的件10悬臂梁式“冲板流量计”为其研究的技术系统,另依据图3和图4选择确定本项目所需的超系统组件、系统组件和子系统组件。其组件列表模板,见图4所示。

图7  组件列表模板

 

图4  组件列表模板

    2.3.2 步骤二   ——   建立作用关系

    作用分析是描述组件列表中各个组件之间的相互作用关系,作用分析模板包括组件作用矩阵和组件作用表格。矩阵的作用是检查每对组件之间的关系,表格的作用是详细描述这对组件之间的相互作用关系。本项目的组件作用矩阵和组件作用表格分别如图5、图6所示。

图8  作用分析模板(矩阵)

图8  作用分析模板(矩阵)


                 
   图5  作用分析模板(矩阵)
        注:符号A和B表示组件的作用方向

图9 作用分析模板(表格)

图6 作用分析模板(表格)

    2.3.3  步骤三  ——  建立组件模型

    建立组件模型,系用规范化的功能描述,揭示整个技术系统中所有组件之间的相互作用关系,以及如何实现其系统的功能。本项目的组件模型,见图7所示。

图10  组件模型模板

图7  组件模型模板

       2.3.4  组件分析结论

    通过以上组件分析,可以进一步明确“液压差速锁 ”各组件之间的相互作用关系,并且对其每一个“组件对”的功能属性,也有了进一步的认识,为下一步裁剪分析奠定了良好的基础。

    2.3.5  组件裁剪分析

    通过组件价值分析,子系统组件中的减摩垫圈主要起减摩作用,由于半离合器是旋转零件,而活塞只做轴向移动,不做回转运动,因此为了减少半离合器对活塞的磨损作用,在两者之间设计了减摩垫以保护活塞端面。如果在半离合器与活塞端面都做淬火处理,使两者的硬度提高,就能保证两个端面不被磨损,因此,就可以裁减掉“减摩垫圈”,它的减摩功能由系统组件半离合器与活塞本身来完成。从而达到”精简组件数量,降低系统成本”的目的。

    2.4  因果分析

    在TRIZ理论中,问题的原因分析,主要是指因果分析。其因果分析包括原因轴分析、结果轴分析、因果轴的规范化图示和选择解题的入手点。

    2.4.1  步骤一  ——  原因轴分析

    原因轴分析的目的是了解事件的根本原因,确定解决问题的最佳时间点,是从发现的问题出发,列出其直接原因。本项目的原因轴分析,见图8所示。

图11  原因轴分析

图8  原因轴分析

    通过上述对产生问题的原因进行分析,可以看出弹簧回弹力不足是造成差速锁脱开卡滞的主要原因。

    2.5  问题解决

    通过以上组件分析、因果分析,我们已对本项目存在的问题有了进一步的了解。其解决问题的流程,按以下步骤进行。

    2.5.1  定义问题模型

    针对液压差速锁锁止与脱开动作异常问题,通过初步分析,我们认为系统中弹簧的弹力不足,需要改善弹簧的“力”,但在改善弹簧弹力的同时也会带来其它问题,如对系统油压的稳定性要求提高,这就要求系统的密封性要好,这样势必会“恶化”系统控制的复杂性。

    将以上技术矛盾情境归结为39个通用技术参数中的两个参数希望改善的参数:力和导致恶化的参数:系统的复杂性。

    2.5.2  选择TRIZ工具

    根据定义的技术矛盾,查矛盾矩阵表,查到相应的创新原理为: 26号原理:复制;35号原理:物理或化学参数改变;10号原理:预先作用;18号原理:机械振动。

    2.5.3 应用创新原理

    选用35号创新原理来改善弹簧的物理参数,加大弹簧中经或加粗弹簧簧丝直径,从而提高弹簧的弹力,使牙嵌结合或脱开动作顺畅。弹簧加粗后,会带来系统的推力增加,在不改变活塞作用面积的同时必然要提高系统油压,这样会导致系统的密封性不可靠。又产生了新的问题:对新问题继续进行技术矛盾分析,归结为39个通用技术参数中的两个参数: 希望改善的参数:运动物体的面积 和导致恶化的参数:可靠性 。

    利用矛盾矩阵表查到2个创新原理: 9号原理:预先反作用原理和29号原理:气压和液压结构原理。

    2.6 物场模型分析

    针对密封系统建立物场模型:

 

    2.7 最终解决方案确定

    方案1  针对系统弹簧弹力不足问题进行改进,改善弹簧参数,并加强系统的密封性。

    方案2  将系统中弹簧去掉,增加一个活塞复位油路,用于实现牙嵌脱开,活塞回位。

    通过建立方案评价模型,对上述两个方案进行评价,最终选定方案1。

    方案评价模型

   方案评价结果

  最终解决方案确定

    由以上两个备选方案的技术说明可以看出,备选方案1显然优于备选方案2。因此,决定选择方案1作为最终解决方案,并在此基础上完善其工程图的改进设计,见图9所示。

图17 拖拉机液压差速锁技术改进图

图9  拖拉机液压差速锁技术改进图

3  结论

    本项目以拖拉机液压差速锁工作可靠性改进为例,应用TRIZ理论,将待解决的问题转化为问题模型,且通过查询矛盾矩阵,运用“物理或化学参数改变”和“预先反作用”创新原理,并结合物场模型分析,得到了改善弹簧参数及系统密封性的最终解决方案,有效地解决了差速锁脱开异常问题,大大提高了差速锁的工作可靠性及拖拉机行驶安全性。

    通过应用TRIZ理论解决拖拉机液压差速锁工作可靠性问题,可以深深地体会到,技术创新不仅有方法、有规律可循,而且有原理、有工具。可以完全借助TRIZ的这些方法、规律、原理和工具,达到自主创新的目的。我们相信,随着时间的推移和社会的发展,TRIZ理论的应用将会具有非常广阔的前景。

责任编辑:许小倩
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