1、基于 TRIZ 理论下的节能装置设计与分析 孙超 闻全意 魏晓斌 孙佳宝 包尚令 齐齐哈尔大学机电工程学院 摘 要： 将 TRIZ (theory of inventive problem solving) 技术冲突解决原理应用于一种新型节能装置的研究, 首先对现有的节能装置作了调查, 对其节能率低进行分析, 然后针对各节能增力设备的需求, 基于 TRIZ 理论的技术矛盾分析解决理论, 分析、选择、确定了可行的发明原理, 给出了重力节能装置的创新性设计方案, 从而显著提高节能效果。实现能量的高效节省, 最后对该节能装置的应用价值及前景作进一步展望。关键词： 曲线靠模板; 节能; TRIZ 理论
2、; 作者简介：孙超, 男, 大学本科。作者简介：闻全意, 男, 副教授, 主要研究方向:机械设计及理论基金：2017 黑龙江省 (齐齐哈尔大学) 大学生创新创业训练计划项目 (201710232027) 资助中国是当前世界上第一位能源生产国和消费国。随着工业和科技的飞速发展, 能源供应量持续增长, 已难以支撑着社会快速发展。能源消费的快速增长, 为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已成为世界能源市场不可或缺的组成部分, 政府以科学发展观为指导, 加快发展现代能源产业, 坚持节约资源和保护环境的基本国策, 把建设资源节约型社会放在现代化发展战略的突出位置, 努力增强可持续发展能力, 建设创新
3、型国家, 继续为世界经济发展和繁荣作出更大贡献。重力节能装置以其高效的节能率而可普遍应用于各节能增力设备中, 具有很好的市场前景。1 TRIZ 理论的核心思想和主要内容TRIZ 的中文含义是发明问题解决理论。是基于知识、面向人的发明问题解决系统化方法学。TRIZ 理论是由根奇阿奇舒勒通过对 250 多万份高水平发明专利的研究、分析、归纳总结, 揭示出隐藏在专利之中的奥秘, 是集百万计发明家的智慧而创建的卓越成果。其核心思想是:无论是一个简单产品还是复杂的技术系统, 其核心技术的发展都是遵循着客观规律发展演变的, 即具有客观的进化规律和模式。各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的
4、动力。技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。它的主要内容包括:技术系统进化法则;可以使人明确技术是如何进化的, 为技术创新指明了方向。矛盾解决原理:创新是通过消除矛盾解决问题的, 主要研究技术矛盾和物理两种矛盾的解决方法, 利用 3939 工程参数的矛盾矩阵和 40 个发明原理解决技术矛盾等。物质场分析法:提供了科学的问题分析及建模方法物质场分析法, 用符号表达技术系统的建模技术, 可以帮助人们快速确认核心问题, 发现根本矛盾所在。发明问题标准解法:在物质场模型分析及应用过程中, 由于所面对的问题具有复杂和广泛性, 存在很多困难, TRIZ 理论为物质场模型提供了 76 个标
5、准解决方法, 用来解决创新设计的开发问题。发明问题解决算法 ARIZ:ARIZ 是发明问题解决过程中应遵循的理论方法和步骤, 是针对非标准问题而提出的基于技术矛盾系统进化法则的一套完整的问题解决程序和算法。2 创新方案设计针对当前市场上一些节能装置的节能方式, 综合应用了多种学科, 增加了装置自身技术难度而减少了使用人群, 同时还使得价格昂贵。为了提高节能装置的节能率和解决装置自身重量、寿命和价格之间的矛盾, 对节能装置进行创新设计, 在不增加其他元器件的情况下提高其节能效率, 这是十分重要的。基于 TRIZ 理论的技术矛盾冲突解决原理, 分析产品存在的矛盾, 就可以得到一系列发明原理, 应用
6、这些原理, 可以找到产品改进及创新的方向, 技术矛盾分析如表 1 所示。综合考虑各影响因素的作用及查找到的发明原理给出的设计方向, 通过研究重力做功与路径无关的特性, 创新出重力节能装置, 将重块安装于杠杆两端, 在接近工作轴边设置曲线靠模板。此节能装置能够在多种环境下工作, 具有节能率高、结构简单、增力效果显著等优点。表 1 重力节能装置主要技术矛盾参数表 下载原表 3 重力节能装置创新结构在 TRIZ 技术冲突分析基础上, 创新设计出的的重力节能装置, 是基于重块重力做功, 使装置操作简单, 受曲线靠模板影响工作时运动轨迹可靠稳定, 便可以实现节能, 其总体结构简图如图 1 所示。重力节能
7、装置, 是基于重块运动过程的模仿。原动力装置通过工作轴将动力传输到杠杆执行部分, 其结构紧凑, 便于控制, 如图 2 所示。图 1 作品整体图 下载原图图 2 运动结构简图 下载原图两个重块随着杠杆作复合运动, 为减少磨损, 可以在杠杆两端与重块接触的地方增加弹簧, 使重块在越过曲线靠模板的过程中, 能够更加稳健。重块在运动过程中的两个个特殊位置说明如下:重块一与重块二运动轨迹如图 2 所示。每次工作重块到达 A 点时, 原动机开始工作, 重块重心处的轴承开始与曲线靠模板的工作面接触, 由于曲线靠模板的作用, 重块作复合运动。杠杆继续转动, 重块一到达 B 点时, 原动机停止工作, 重块二受力
8、矩大于重块一所受力矩, 其长度也为离工作轴最大距离, 杠杆上的重块会自动旋转, 该装置可多次重复工作。上述完成一次旋转, 重块完成两个工作循环。而通过控制工作轴的转速大小, 来调节重块转动的灵活度。4 结语运用 TRIZ 创新理论, 本作品的创新点主要体现在以下方面:将原来重块与靠模板点的小面积接触改为线大面积接触, 采用轴承接触, 减少了装置本身的磨损, 并对靠模板可以平稳越过。杠杆两端与重块间增加弹簧, 大大减小了重块与中间板的碰撞, 让装置在运动的过程中更加稳健。通过控制原动机来实现重块的周期性运动。在靠模板上重块上升的过程中作负功, 在下降的过程中由于力矩的相互作用, 实现自动旋转,
9、从而完成节能。为进一步增加节能效果, 在杠杆的重锤上和曲线靠模板上增设磁铁, 使其斥力与重块重力大小相等、方向相反, 推动杠杆移动, 从而减少重块转动阻力所做功。该节能装置将会广泛地代替节能增力设备从事各种工作, 使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来, 为生活带来了很大的方便。参考文献1许维翰.一种节能装置.中国:201620264292.4P. 2孙志礼, 冷兴聚, 魏严刚, 等.机械设计M.沈阳:东北大学出版社, 2000. 3大连理工大学工程画教研室.机械制图M.北京:高等教育出版社, 1993. 4孙桓, 陈作模.机械原理M.北京:高等教育出版社, 2000.
