呂桂志

(菏澤學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 菏澤 274000)

軸承是各類機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)件，在機(jī)械裝備中起著承受載荷和傳遞運(yùn)動的作用，被譽(yù)為機(jī)械裝備的“關(guān)節(jié)”。軸承的性能對主機(jī)性能起著至關(guān)重要的作用。下文以發(fā)明問題解決理論(TRIZ)中的技術(shù)進(jìn)化理論為基礎(chǔ)，利用技術(shù)進(jìn)化理論的進(jìn)化模式和進(jìn)化路線對軸承演進(jìn)發(fā)展歷程進(jìn)行分析，并預(yù)測了軸承未來的發(fā)展方向。

1 TRIZ中關(guān)于功能的闡述

TRIZ理論認(rèn)為人們對技術(shù)系統(tǒng)所需要的是其表達(dá)的功能，技術(shù)系統(tǒng)只是所需功能的表達(dá)形式。技術(shù)系統(tǒng)由執(zhí)行不同功能的子系統(tǒng)組成，其在提供有用功能的同時，往往還會對系統(tǒng)或超系統(tǒng)提供有害功能。技術(shù)系統(tǒng)提供的功能包括有用功能、有害功能和中性功能[1]。

有用功能(UF)包括系統(tǒng)的主要功能、輔助功能和附加功能。主要功能指系統(tǒng)中的物體或物體元素完成特定功能來滿足超系統(tǒng)的需要。輔助功能用于提高主要功能的性能或提供系統(tǒng)的完整性，如從環(huán)境中保護(hù)系統(tǒng)、供應(yīng)和轉(zhuǎn)換能量、在同一系統(tǒng)中與其他元素相聯(lián)結(jié)等。除主要功能和輔助功能以外的功能為附加功能，附加功能可以為系統(tǒng)提供額外收益[2]。

有害功能(HF)包括所有給定元素相關(guān)的消耗，包括各種負(fù)面影響(銳邊、噪聲、缺損等)以及不需要的參數(shù)(質(zhì)量、尺寸等)。

中性功能(NF)是指僅在一定時期內(nèi)系統(tǒng)提供的功能可為企業(yè)增加效益(包括在一定時期可提高主要功能性能的輔助功能和在一定時期可提供額外收益的附加功能)以及既可提高主要功能性能或提供額外收益，但同時也會在一定時期內(nèi)產(chǎn)生不能去除的有害功能。

有關(guān)功能的算法如表1、表2所示。X,Y為用不同的變量分別表征不同功能，其中X&Y表征相關(guān)功能干涉時的或運(yùn)算；X·Y表征相關(guān)功能干涉時的與運(yùn)算。

表1 X&Y

表2 X·Y

2 TRIZ的技術(shù)進(jìn)化理論

2.1 進(jìn)化模式及進(jìn)化路線

技術(shù)進(jìn)化理論是TRIZ的理論基礎(chǔ)，其核心是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。TRIZ進(jìn)化理論主要研究技術(shù)在結(jié)構(gòu)上的進(jìn)化趨勢，即技術(shù)進(jìn)化模式及進(jìn)化路線。在宏觀層次上，可預(yù)測技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)化的為8個技術(shù)進(jìn)化模式，每一個宏觀模式在微觀層次上又有多條技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線，這些路線可定性地指明技術(shù)系統(tǒng)的演化方向。每條進(jìn)化路線是從結(jié)構(gòu)進(jìn)化的特點(diǎn)描述產(chǎn)品核心技術(shù)所處的狀態(tài)序列。

技術(shù)進(jìn)化理論的8個進(jìn)化模式為[3]：(1)技術(shù)系統(tǒng)都要經(jīng)歷出生、成長、成熟和退出的生命周期；(2)向增加理想化水平的方向進(jìn)化；(3)子系統(tǒng)的不均衡發(fā)展導(dǎo)致沖突；(4)增加動態(tài)性及可控性；(5)先增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過集成使系統(tǒng)簡單；(6)零部件的匹配與不匹配；(7)由宏觀向微觀進(jìn)化，增加場的應(yīng)用，以得到更好的性能或控制；(8)通過增加自動化水平減少人的參與。

2.2 基于功能分析的核心技術(shù)進(jìn)化

產(chǎn)品核心技術(shù)的意義為某種物理的、化學(xué)的、幾何的等科學(xué)原理實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[4]提出核心技術(shù)的性質(zhì)為：(1)如果產(chǎn)品采用該核心技術(shù)，其性能極限將高于已采用核心技術(shù)的性能極限；(2)如果產(chǎn)品采用該核心技術(shù)，其原有的性能極限將以較快的速度及較低的成本達(dá)到。滿足這兩條性質(zhì)之一即為產(chǎn)品新的核心技術(shù)，該核心技術(shù)可以替代已采用的核心技術(shù)。技術(shù)進(jìn)化的過程也就是產(chǎn)品進(jìn)化的過程，而產(chǎn)品進(jìn)化又是指其核心技術(shù)不斷被替代的過程。

根據(jù)TRIZ技術(shù)系統(tǒng)完整性定律以及產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，可把技術(shù)系統(tǒng)的功能單元再次分為驅(qū)動功能單元、傳動功能單元、控制功能單元以及執(zhí)行功能單元等[5]，并可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)分解出一系列非重疊的子功能集。文獻(xiàn)[6]提出了功能單元的選擇原則為：(1)功能單元的進(jìn)化能夠提高產(chǎn)品主要功能的效率，至少不影響主要功能；(2)功能單元的進(jìn)化不會產(chǎn)生新的有害功能；(3)消除原產(chǎn)品有害功能的同時不影響主要功能的完成。并認(rèn)為執(zhí)行功能單元完成產(chǎn)品的主要功能，其他單元完成產(chǎn)品的輔助功能。

待開發(fā)的技術(shù)系統(tǒng)若滿足文獻(xiàn)[4]對核心技術(shù)性質(zhì)1的闡述，則反映了其所要表達(dá)的主要功能性能極限得以提升，沿此方向進(jìn)行的設(shè)計往往為具有重大技術(shù)突破的創(chuàng)新設(shè)計，其相關(guān)技術(shù)原理的改變?yōu)楫a(chǎn)品更新?lián)Q代的重要依據(jù)；待開發(fā)的技術(shù)系統(tǒng)若滿足性質(zhì)2的闡述，則反映了其所要表達(dá)的主要功能性能的提升，現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)可更快達(dá)到其性能極限，沿此方向的設(shè)計一般為不同功能單元的組合、分解和裁減，可以依靠輔助功能核心技術(shù)性能極限的不斷提升，在短時期提高現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)主要功能的性能。

對產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)而言，如果稱沿性質(zhì)1進(jìn)化的S曲線族為主要功能技術(shù)成熟度曲線，沿性質(zhì)2進(jìn)化的S曲線族為輔助或附加功能技術(shù)成熟度曲線，則其關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于功能單元核心技術(shù)進(jìn)化的S曲線族

在表達(dá)產(chǎn)品主要功能的技術(shù)系統(tǒng)到達(dá)成熟期時，企業(yè)可以在研發(fā)可提高產(chǎn)品主要功能性能極限核心技術(shù)的同時，采用提高表達(dá)產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)輔助功能性能極限的方式，進(jìn)一步提高產(chǎn)品主要功能的性能?；蛘卟捎锰岣吒郊庸δ苄阅軄碓黾悠髽I(yè)收益，推遲現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品退出期的到來，為產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)更新?lián)Q代的創(chuàng)新設(shè)計贏取時間。

3 軸承技術(shù)的演進(jìn)

3.1 軸承技術(shù)沿動態(tài)性路線的演進(jìn)

TRIZ中給出的動態(tài)性進(jìn)化路線為：固定→單關(guān)節(jié)→多關(guān)節(jié)→全柔性→液體、氣體→場。軸承的主要功能為支承相對旋轉(zhuǎn)的軸，并承受由軸傳遞的載荷。動態(tài)性進(jìn)化路線也是軸承主要功能核心技術(shù)的進(jìn)化路線。

早期的旋轉(zhuǎn)軸承是無潤滑的軸套軸承，其只是一個夾在車輪和輪軸之間的襯套，輪軸和軸承之間的摩擦為干摩擦。這種設(shè)計隨后被滾動軸承替代(滾動摩擦替代滑動摩擦)，即用很多圓柱滾子替代原先的襯套，每個滾子就像一個單獨(dú)的車輪。1883年，F(xiàn)riedrich Fischer在德國發(fā)明了球磨機(jī)，使大批量、高精度的鋼球生產(chǎn)成為可能，從而開始了球軸承的制造。

1886年，英國Reynold建立的流體動壓潤滑理論為流體動壓軸承的研究和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)，由于液體潤滑軸承的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得其在工作轉(zhuǎn)速極高、特大沖擊與振動、徑向空間尺寸受到限制或必須剖分安裝以及需要在水或腐蝕性介質(zhì)中工作的條件下占有重要地位。1932年，美國在陀螺儀上第1次進(jìn)行了氣體軸承的試驗(yàn)；1939年，德國為提高導(dǎo)彈精度而成功地將氣體動壓軸承應(yīng)用于慣性導(dǎo)航儀上，開始了氣體潤滑軸承的研究使用。

1937年，德國的Kemper申請了第1個磁懸浮技術(shù)專利，國際上在20世紀(jì)60年代中期也開始對電磁軸承進(jìn)行研究。其是利用電磁力使轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定懸浮起來且軸心位置可以由控制系統(tǒng)控制的一種新型軸承，具有無接觸、無摩擦磨損、轉(zhuǎn)速高、無需潤滑和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其性能是目前使用的一般軸承所無法比擬的。

軸承主要功能沿動態(tài)性路線演進(jìn)的趨勢如圖2所示。

圖2 軸承主要功能核心技術(shù)動態(tài)性進(jìn)化的S曲線族

由圖2可知，現(xiàn)有軸承中電磁軸承擁有最高的性能極限。因此，大力發(fā)展電磁軸承技術(shù)，進(jìn)一步完善其輔助功能核心技術(shù)以提高其主要功能核心技術(shù)的性能，將是軸承的重要發(fā)展方向之一。

3.2 無潤滑軸承沿空間分割路線的演進(jìn)

TRIZ中給出的空間分割路線為：實(shí)體→洞→多洞→毛孔→添加活性因子。無潤滑軸承提高其性能的演進(jìn)趨勢與此路線有相符之處。無潤滑軸承起初采用的是實(shí)體結(jié)構(gòu)，為了快速發(fā)散干摩擦產(chǎn)生的熱量以及其他一系列問題并提高其性能，無潤滑軸承發(fā)展為擁有洞、多洞等結(jié)構(gòu)的軸承；直至鋼球在無潤滑軸承上使用，為其添加了可滾動的活性因子，再次提高了其性能。無潤滑軸承沿空間分割路線演進(jìn)以提高產(chǎn)品性能與S曲線的關(guān)系如圖3所示。

圖3 無潤滑軸承沿空間分割的演進(jìn)

從目前來看，無潤滑軸承沿空間分割進(jìn)化路線的演進(jìn)已沒有了發(fā)展?jié)摿?。為了提高其輔助功能或附加功能核心技術(shù)的性能以使企業(yè)獲得更大收益，可以對無潤滑軸承產(chǎn)品系列再次進(jìn)行分析，采用適合其發(fā)展的其他進(jìn)化路線。

3.3 滾動軸承沿相似物體由單一到雙向再到多樣路線的演進(jìn)

沿相似物體由單一到雙向再到多樣的進(jìn)化路線為：單一系統(tǒng)→雙系統(tǒng)→三系統(tǒng)→多系統(tǒng)。與此相對應(yīng)的滾動軸承演進(jìn)為：單列軸承→雙列軸承→多列軸承。

起初使用的軸承皆為只有一列滾動體的單列軸承，直到1905年，瑞典工程師Winquist發(fā)明了世界上第1個調(diào)心球軸承，將軸承的性能提升到一個新的階段。以后又逐漸發(fā)展為多于兩列滾動體、承受同一方向載荷的滾動軸承，即多列軸承。

滾動軸承在沿由單一到雙向再到多樣路線進(jìn)化的同時，也沿其他的進(jìn)化路線進(jìn)化，通過提高其輔助功能或附加功能核心技術(shù)的性能極限，提高其主要功能核心技術(shù)的性能，從而形成了滾動軸承的多種結(jié)構(gòu)。

3.4 液體、氣體潤滑軸承沿動作調(diào)整路線的演進(jìn)

動作調(diào)整的進(jìn)化路線為：不同步動作→局部同步動作→同步動作→間隔時動作。

液體動壓軸承只有當(dāng)軸達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時，軸頸才能穩(wěn)定在一定的偏心位置上，使軸承處于流體動壓潤滑狀態(tài)；在軸啟動、停止或低速運(yùn)行時，會使軸頸和軸承處于不完全液體摩擦狀態(tài)，加大了啟動力矩和軸承磨損，軸頸和軸承之間為不同步的動作。

液體靜壓軸承依靠一個液壓系統(tǒng)供給壓力油，壓力油進(jìn)入軸承間隙里，強(qiáng)制形成壓力油膜以隔開摩擦表面，保證軸頸在任何轉(zhuǎn)速和預(yù)定載荷下都與軸承處于液體摩擦狀態(tài)。但是靜壓軸承在工作轉(zhuǎn)速足夠高時也會產(chǎn)生動壓效應(yīng)，這一點(diǎn)在重載場合尤為明顯。此時，軸頸和軸承達(dá)到局部同步動作的程度。

液體動靜壓軸承是在液體動壓軸承和液體靜壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的油膜軸承。動靜壓軸承兼有動壓和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，其既有動壓腔，又有靜壓腔。當(dāng)軸靜止或轉(zhuǎn)速低于臨界值時，靜壓供油系統(tǒng)向靜壓腔送入高壓油，將軸托起并承受載荷，使軸承處于完全液體摩擦狀態(tài)；當(dāng)軸在高速下正常運(yùn)行時，由動壓供油系統(tǒng)向動壓腔送入低壓油，使軸承在動壓效應(yīng)下工作。若動壓效應(yīng)仍不能形成足夠的承載力，則可同時向動壓和靜壓腔供油，使軸承同時具備動壓效應(yīng)和靜壓效應(yīng)，提高軸承承載力[7]，從而使軸頸與軸承之間的動作達(dá)到同步。同理，氣體潤滑軸承的演化規(guī)律與液體潤滑軸承相似。液體或氣體潤滑軸承沿動作調(diào)整進(jìn)化與其對應(yīng)S曲線的關(guān)系如圖4所示。

圖4 液體或氣體潤滑軸承沿動作調(diào)整進(jìn)化

根據(jù)TRIZ沿動作調(diào)整路線進(jìn)化分析可知，液體或氣體潤滑軸承沿此路線仍具有向間隔時動作方向進(jìn)化的潛力。

3.5 電磁軸承沿智能材料路線的演進(jìn)

沿智能材料進(jìn)化的路線為：被動材料→單面適應(yīng)材料→雙面適應(yīng)材料→全適應(yīng)材料。沿此進(jìn)化路線的電磁軸承材料也由鐵磁材料、混合材料向超導(dǎo)材料的方向發(fā)展，對應(yīng)的電磁軸承形式也由有源磁力軸承經(jīng)混合磁力軸承向永磁磁力軸承的方向演進(jìn)[8-9]。

電磁軸承憑借其固有的優(yōu)勢將逐漸帶領(lǐng)機(jī)電行業(yè)走向一個沒有摩擦、沒有損耗和沒有限速的嶄新境界。從多條進(jìn)化路線分析探討電磁軸承的發(fā)展，對電磁軸承進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計以提高其主要功能核心技術(shù)性能，將具有重大意義。

4 結(jié)束語

TRIZ中技術(shù)系統(tǒng)生命周期模式可以確定產(chǎn)品在S曲線上的位置。基于功能分析產(chǎn)品的核心技術(shù)，認(rèn)為產(chǎn)品的核心技術(shù)又可進(jìn)一步分為表達(dá)產(chǎn)品主要功能的核心技術(shù)和表達(dá)產(chǎn)品輔助功能的核心技術(shù)。企業(yè)可以先根據(jù)表達(dá)主要功能的核心技術(shù)，再根據(jù)表達(dá)輔助功能的核心技術(shù)，判斷出產(chǎn)品目前所處S曲線位置的狀況，對產(chǎn)品發(fā)展做出相應(yīng)合理的決策。

根據(jù)研究結(jié)果，分析了軸承沿TRIZ進(jìn)化路線進(jìn)化的規(guī)律，同時給出了可提高目前表達(dá)其主要功能核心技術(shù)性能的輔助功能沿TRIZ進(jìn)化路線的發(fā)展方向。