金文棟，杜桂賢

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller，1926～1998） 于 1946年創(chuàng)立的理論。TRIZ是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則，其基本原理是技術系統(tǒng)在消除內(nèi)部沖突的進化過程中遵循的客觀規(guī)律，曾經(jīng)被稱作前蘇聯(lián)的“國術”和“點金術”。TRIZ指出：產(chǎn)品及其技術的發(fā)展總是遵循著一定的客觀規(guī)律，解決發(fā)明問題過程中所尋求的科學原理和法則是客觀存在的，大量發(fā)明面臨的基本問題和矛盾（技術矛盾和物理矛盾）也是相同的，同樣的技術創(chuàng)新原理和相應的解決問題方案，會在后來的發(fā)明創(chuàng)新中被反復應用，只是所屬的技術領域可能不同，因此，提煉和重組已有的知識，形成1套系統(tǒng)化的理論，可以指導后來的發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新和開發(fā)，從而能動地進行產(chǎn)品設計并預測產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢。對于工程設計人員而言，產(chǎn)品的創(chuàng)新設計過程就是不斷解決其存在的基本問題和矛盾的過程，而TRIZ正是工程設計人員在產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程中最有用的工具之一。

本文通過應用TRIZ中的部分工具體系，提出了1種具有3工位工作的作動筒結(jié)構(gòu)，并在TRIZ的指導下對方案進行了優(yōu)化，最終得到1種適用于工程實際的方案結(jié)構(gòu)。

1 3工位作動筒創(chuàng)新設計

TRIZ體系是以辯證法、系統(tǒng)論和認識論為哲學指導，以自然科學、系統(tǒng)科學和思維科學的分析和研究成果為根基和支柱，以技術系統(tǒng)進化法則為理論基礎，以技術系統(tǒng)或技術過程矛盾、資源、理想化為4大基本概念，包括了解決工程矛盾問題和復雜發(fā)明問題所需的各種分析方法、解題工具和算法流程。利用ARIZ解決具體問題的思路如圖1所示。首先將1個待解決的具體問題轉(zhuǎn)化并表達為TRIZ的問題模型，利用TRIZ中的工具獲得解決方案模型；然后針對具體問題，應用專業(yè)知識將TRIZ的解決方案模型轉(zhuǎn)化為具體問題的最終解決方案。這種解決問題的模式比以往靠“經(jīng)驗法”、“試錯法”、“頭腦風暴法”等傳統(tǒng)創(chuàng)新方法來的更快、效率更高；同時，縮小了解決問題的思路方向與最終理想解的偏差，使創(chuàng)新變得容易，比直接利用專業(yè)知識求解的效率更高，而且最終解的質(zhì)量也更高。下面以3工位作動筒的創(chuàng)新設計為例進行介紹。

圖1 TRIZ解決問題的思路

1.1 現(xiàn)有作動筒存在的問題

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機可調(diào)噴管一般由液壓作動筒控制，當作動筒活塞桿處于兩端機械限位時，對應噴管面積也處于1個機械最大或最小位置。液壓作動筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可見，在活塞桿完全伸出時處于1個機械限位位置，其收回時處于另外1個機械限位位置，而當噴管需要在中間某一特定位置長時間停留時，則無法實現(xiàn)機械限位，只能通過位移傳感器給出位移信號，然后由控制系統(tǒng)操縱作動筒來實現(xiàn)，這就使得噴管結(jié)構(gòu)、控制及整個技術系統(tǒng)復雜且經(jīng)濟成本較高。為使作動筒活塞桿可在中間某一特定位置實現(xiàn)機械限位，而不需要其余復雜的位移信號及控制系統(tǒng)，需設計1種具有3工位工作的作動筒結(jié)構(gòu)。

圖2 傳統(tǒng)液壓作動筒結(jié)構(gòu)

1.2 基于TRIZ的問題分析

圖3 利用TRIZ解決問題的流程

TRIZ的解題模式如圖3所示。TRIZ中問題模型的建立與其工具都有1套完整的理論體系。對作動筒進行功能分析發(fā)現(xiàn)，該作動筒缺乏無法實現(xiàn)在中間特定位置機械限位的功能。對該非結(jié)構(gòu)化問題，利用TRIZ中的物場模型和標準解法，建立該待解決問題的問題模型，并得到相應的解決方案模型，如圖4所示。在建立的物場模型中，作動筒對于發(fā)動機噴管而言存在1個不充分的作用，即不具備在中間特定位置機械限位的功能，通過物場模型的標準解，必須在作動筒系統(tǒng)中引入1個新的組件，以實現(xiàn)該功能。

F1—機械場；S1—噴管；S2—作動筒；S3—新組件； —不充分作用

1.3 應用TRIZ工具得出的創(chuàng)新方案

在TRIZ體系中，ARIZ是解決發(fā)明問題的完整算法，是指對1個初始問題進行了一系列變形再定義等非計算性的邏輯過程，集成了TRIZ體系中大多數(shù)的觀點和工具，實現(xiàn)對問題的逐步深入分析和轉(zhuǎn)化，最終解決問題。該算法強調(diào)問題矛盾與理想解的標準化，一方面技術系統(tǒng)向理想解的方向進化，另一方面如果1個技術問題存在矛盾需要克服，則該問題就變成1個創(chuàng)新問題。利用ARIZ算法解決創(chuàng)新問題的流程如圖5所示。

圖5 ARIZ算法解決創(chuàng)新問題的流程

針對作動筒缺少中間機械限位的初始問題，利用ARIZ解題主要步驟如下。

（1）最小問題選定。通過對該技術系統(tǒng)矛盾的定義與分析，根據(jù)現(xiàn)有作動筒結(jié)構(gòu)特點，需引入1個新的組件，使其能夠?qū)崿F(xiàn)作動筒中間特定位置機械限位的功能；同時，要求對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不做大的改動。

（2）問題模型分析。在作動筒系統(tǒng)中，活塞桿可實現(xiàn)作動筒兩端機械限位的功能，為使作動筒能實現(xiàn)中間特定位置的機械限位，引入1個新的活塞桿，利用其功能，即可實現(xiàn)作動筒中間位置機械限位功能。

（3）最終理想解和物理矛盾。在作動筒系統(tǒng)中引入1個新的活塞桿，可實現(xiàn)作動筒3工位要求，又不會喪失原作動筒功能。為了實現(xiàn)作動筒中間位置機械限位功能，新引入活塞桿限位位置必須位于作動筒中間，而為了使作動筒原兩端機械限位功能不喪失，新引入活塞桿限位位置又不能位于作動筒中間。對此，需要思考如何使新引入的活塞桿限位位置既能位于作動筒中間，又不能使作動筒原兩端機械限位功能喪失。

（4）物理矛盾去除方法。調(diào)動和使用物場資源，用“小人法”模擬，并利用物場資源，充分考慮第3步提出所需解決的問題，用作動筒系統(tǒng)中“空間＋物質(zhì)”的組合資源，初步得到1個技術方案，如圖6所示。在該技術方案結(jié)構(gòu)中，原作動筒活塞桿位置未發(fā)生變化，其機械兩端的機械限位方式也保持不變。新引入的活塞桿位于作動筒右側(cè)，并相應增加1個容腔，當作動筒需要在中間特定位置限位時，其左端和中間油路同時進油，對每個活塞桿而言，其有桿腔與無桿腔之間始終存在1個壓力差，使得左端活塞桿向右移動，而新引入活塞桿向左移動。當2個活塞桿頂靠在一起時，由于新引入活塞桿有桿腔面積大于原活塞桿的，雖兩端壓力相同，但新引入活塞桿向左的作用力始終大于原活塞桿向右的，此時2個活塞桿同時向左移動，當新引入活塞桿上限位螺母與作動筒中間部分頂靠在一起時，實現(xiàn)機械限位，而新引入活塞桿向左移動的距離即為原活塞桿所需中間機械限位位置。

（5）分析已得到的方案。由第4步所得出的初步技術方案可知，新引入的活塞桿不但實現(xiàn)了作動筒中間機械限位的功能，同時原活塞桿的功能也沒有被破壞，基本上解決了該作動筒技術系統(tǒng)存在的矛盾，實現(xiàn)了初始問題的順利解決。

由上述ARIZ算法主要解題步驟可知，該算法具有優(yōu)良的操作性、系統(tǒng)性、實用性以及易流程化等特性，成為TRIZ理論的重要支撐，對于解決那些問題情景復雜、矛盾不明顯的非標準發(fā)明問題，可行且有效。

圖6 3工位作動筒初步方案

2 應用TRIZ工具進行方案優(yōu)化

上文描述的初步方案雖然有效，但距工程應用依然有一定距離，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)比原作動筒的復雜，不便于維修。為此，必須在該方案的基礎上進行優(yōu)化設計。應用TRIZ工具優(yōu)化方案的主要步驟是，首先對該方案用TRIZ術語定義其存在的技術矛盾，然后利用TRIZ工具解決。在TRIZ工具體系中，技術系統(tǒng)中出現(xiàn)的絕大部分技術矛盾可用39個通用技術參數(shù)來定義，然后利用矛盾矩陣找出相應的創(chuàng)新原理，對技術矛盾加以解決。

在現(xiàn)方案中，要解決的主要技術矛盾是指作動筒系統(tǒng)的復雜性與可維修性之間的矛盾，優(yōu)化的目的在于改善系統(tǒng)的復雜性，由此根據(jù)矛盾矩陣，可利用40個創(chuàng)新原理中的分割和反向作用原理來優(yōu)化該方案。在得到的初步方案中，系統(tǒng)過于復雜的原因主要是：為使新引入的活塞桿起到應有作用，而同時原活塞桿功能不喪失，新引入活塞桿的同時引入了相關輔助功能的零件。利用分割原理，若將原活塞桿一分為二，既可實現(xiàn)新引入活塞桿功能，又可保留原活塞桿功能，則不需要引入更多輔助功能的零件，使系統(tǒng)的復雜性得到改善。優(yōu)化后的方案如圖7所示。在優(yōu)化后的方案結(jié)構(gòu)中，原作動筒活塞桿左端保留了原活塞桿功能，右端實現(xiàn)了新引入活塞桿功能，其工作原理與初步方案基本相同，惟一變化的是利用分割原理實現(xiàn)了2個活塞桿“共行程”，使整個系統(tǒng)簡單化，達到了預期優(yōu)化目的，可應用于工程實踐。

圖7 優(yōu)化后3工位作動筒方案

3 結(jié)束語

利用TRIZ創(chuàng)新思想和自身經(jīng)驗與知識，指導整個產(chǎn)品的設計及優(yōu)化的全過程，不僅肯定了人們的經(jīng)驗和知識，同時提高了整個產(chǎn)品的設計效率，快速實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設計；但同時要求設計人員必須掌握一定的TRIZ運用技巧和專業(yè)知識。將二者很好地結(jié)合是解決問題的關鍵。3工位作動筒的設計，打破了常規(guī)設計的慣性思維，使作動筒獲得了新功能，在設計及優(yōu)化過程中較好地應用了TRIZ理論和專業(yè)知識，得到了最終問題的理想解。

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