基于TRIZ技术进化分析轴承演进

吕桂志

(菏泽学院 机电工程系，山东 菏泽 274000)

轴承是各类机械装备的重要基础件，在机械装备中起着承受载荷和传递运动的作用，被誉为机械装备的“关节”。轴承的性能对主机性能起着至关重要的作用。下文以发明问题解决理论(TRIZ)中的技术进化理论为基础，利用技术进化理论的进化模式和进化路线对轴承演进发展历程进行分析，并预测了轴承未来的发展方向。

1 TRIZ中关于功能的阐述

TRIZ理论认为人们对技术系统所需要的是其表达的功能，技术系统只是所需功能的表达形式。技术系统由执行不同功能的子系统组成，其在提供有用功能的同时，往往还会对系统或超系统提供有害功能。技术系统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)包括系统的主要功能、辅助功能和附加功能。主要功能指系统中的物体或物体元素完成特定功能来满足超系统的需要。辅助功能用于提高主要功能的性能或提供系统的完整性，如从环境中保护系统、供应和转换能量、在同一系统中与其他元素相联结等。除主要功能和辅助功能以外的功能为附加功能，附加功能可以为系统提供额外收益[2]。

有害功能(HF)包括所有给定元素相关的消耗，包括各种负面影响(锐边、噪声、缺损等)以及不需要的参数(质量、尺寸等)。

中性功能(NF)是指仅在一定时期内系统提供的功能可为企业增加效益(包括在一定时期可提高主要功能性能的辅助功能和在一定时期可提供额外收益的附加功能)以及既可提高主要功能性能或提供额外收益，但同时也会在一定时期内产生不能去除的有害功能。

有关功能的算法如表1、表2所示。X,Y为用不同的变量分别表征不同功能，其中X&Y表征相关功能干涉时的或运算；X·Y表征相关功能干涉时的与运算。

表1 X&Y

表2 X·Y

2 TRIZ的技术进化理论

2.1 进化模式及进化路线

技术进化理论是TRIZ的理论基础，其核心是技术系统进化法则。TRIZ进化理论主要研究技术在结构上的进化趋势，即技术进化模式及进化路线。在宏观层次上，可预测技术结构进化的为8个技术进化模式，每一个宏观模式在微观层次上又有多条技术系统进化路线，这些路线可定性地指明技术系统的演化方向。每条进化路线是从结构进化的特点描述产品核心技术所处的状态序列。

技术进化理论的8个进化模式为[3]：(1)技术系统都要经历出生、成长、成熟和退出的生命周期；(2)向增加理想化水平的方向进化；(3)子系统的不均衡发展导致冲突；(4)增加动态性及可控性；(5)先增加系统的复杂性，通过集成使系统简单；(6)零部件的匹配与不匹配；(7)由宏观向微观进化，增加场的应用，以得到更好的性能或控制；(8)通过增加自动化水平减少人的参与。

2.2 基于功能分析的核心技术进化

产品核心技术的意义为某种物理的、化学的、几何的等科学原理实现，文献[4]提出核心技术的性质为：(1)如果产品采用该核心技术，其性能极限将高于已采用核心技术的性能极限；(2)如果产品采用该核心技术，其原有的性能极限将以较快的速度及较低的成本达到。满足这两条性质之一即为产品新的核心技术，该核心技术可以替代已采用的核心技术。技术进化的过程也就是产品进化的过程，而产品进化又是指其核心技术不断被替代的过程。

根据TRIZ技术系统完整性定律以及产品技术系统子系统之间的关系，可把技术系统的功能单元再次分为驱动功能单元、传动功能单元、控制功能单元以及执行功能单元等[5]，并可在此基础上继续分解出一系列非重叠的子功能集。文献[6]提出了功能单元的选择原则为：(1)功能单元的进化能够提高产品主要功能的效率，至少不影响主要功能；(2)功能单元的进化不会产生新的有害功能；(3)消除原产品有害功能的同时不影响主要功能的完成。并认为执行功能单元完成产品的主要功能，其他单元完成产品的辅助功能。

待开发的技术系统若满足文献[4]对核心技术性质1的阐述，则反映了其所要表达的主要功能性能极限得以提升，沿此方向进行的设计往往为具有重大技术突破的创新设计，其相关技术原理的改变为产品更新换代的重要依据；待开发的技术系统若满足性质2的阐述，则反映了其所要表达的主要功能性能的提升，现有的技术系统可更快达到其性能极限，沿此方向的设计一般为不同功能单元的组合、分解和裁减，可以依靠辅助功能核心技术性能极限的不断提升，在短时期提高现有技术系统主要功能的性能。

对产品的相关技术系统而言，如果称沿性质1进化的S曲线族为主要功能技术成熟度曲线，沿性质2进化的S曲线族为辅助或附加功能技术成熟度曲线，则其关系如图1所示。

图1 基于功能单元核心技术进化的S曲线族

在表达产品主要功能的技术系统到达成熟期时，企业可以在研发可提高产品主要功能性能极限核心技术的同时，采用提高表达产品技术系统辅助功能性能极限的方式，进一步提高产品主要功能的性能。或者采用提高附加功能性能来增加企业收益，推迟现有技术系统产品退出期的到来，为产品技术系统更新换代的创新设计赢取时间。

3 轴承技术的演进

3.1 轴承技术沿动态性路线的演进

TRIZ中给出的动态性进化路线为：固定→单关节→多关节→全柔性→液体、气体→场。轴承的主要功能为支承相对旋转的轴，并承受由轴传递的载荷。动态性进化路线也是轴承主要功能核心技术的进化路线。

早期的旋转轴承是无润滑的轴套轴承，其只是一个夹在车轮和轮轴之间的衬套，轮轴和轴承之间的摩擦为干摩擦。这种设计随后被滚动轴承替代(滚动摩擦替代滑动摩擦)，即用很多圆柱滚子替代原先的衬套，每个滚子就像一个单独的车轮。1883年，Friedrich Fischer在德国发明了球磨机，使大批量、高精度的钢球生产成为可能，从而开始了球轴承的制造。

1886年，英国Reynold建立的流体动压润滑理论为流体动压轴承的研究和应用打下了理论基础，由于液体润滑轴承的独特优点，使得其在工作转速极高、特大冲击与振动、径向空间尺寸受到限制或必须剖分安装以及需要在水或腐蚀性介质中工作的条件下占有重要地位。1932年，美国在陀螺仪上第1次进行了气体轴承的试验；1939年，德国为提高导弹精度而成功地将气体动压轴承应用于惯性导航仪上，开始了气体润滑轴承的研究使用。

1937年，德国的Kemper申请了第1个磁悬浮技术专利，国际上在20世纪60年代中期也开始对电磁轴承进行研究。其是利用电磁力使转轴稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承，具有无接触、无摩擦磨损、转速高、无需润滑和寿命长等优点，其性能是目前使用的一般轴承所无法比拟的。

轴承主要功能沿动态性路线演进的趋势如图2所示。

图2 轴承主要功能核心技术动态性进化的S曲线族

由图2可知，现有轴承中电磁轴承拥有最高的性能极限。因此，大力发展电磁轴承技术，进一步完善其辅助功能核心技术以提高其主要功能核心技术的性能，将是轴承的重要发展方向之一。

3.2 无润滑轴承沿空间分割路线的演进

TRIZ中给出的空间分割路线为：实体→洞→多洞→毛孔→添加活性因子。无润滑轴承提高其性能的演进趋势与此路线有相符之处。无润滑轴承起初采用的是实体结构，为了快速发散干摩擦产生的热量以及其他一系列问题并提高其性能，无润滑轴承发展为拥有洞、多洞等结构的轴承；直至钢球在无润滑轴承上使用，为其添加了可滚动的活性因子，再次提高了其性能。无润滑轴承沿空间分割路线演进以提高产品性能与S曲线的关系如图3所示。

图3 无润滑轴承沿空间分割的演进

从目前来看，无润滑轴承沿空间分割进化路线的演进已没有了发展潜力。为了提高其辅助功能或附加功能核心技术的性能以使企业获得更大收益，可以对无润滑轴承产品系列再次进行分析，采用适合其发展的其他进化路线。

3.3 滚动轴承沿相似物体由单一到双向再到多样路线的演进

沿相似物体由单一到双向再到多样的进化路线为：单一系统→双系统→三系统→多系统。与此相对应的滚动轴承演进为：单列轴承→双列轴承→多列轴承。

起初使用的轴承皆为只有一列滚动体的单列轴承，直到1905年，瑞典工程师Winquist发明了世界上第1个调心球轴承，将轴承的性能提升到一个新的阶段。以后又逐渐发展为多于两列滚动体、承受同一方向载荷的滚动轴承，即多列轴承。

滚动轴承在沿由单一到双向再到多样路线进化的同时，也沿其他的进化路线进化，通过提高其辅助功能或附加功能核心技术的性能极限，提高其主要功能核心技术的性能，从而形成了滚动轴承的多种结构。

3.4 液体、气体润滑轴承沿动作调整路线的演进

动作调整的进化路线为：不同步动作→局部同步动作→同步动作→间隔时动作。

液体动压轴承只有当轴达到稳定运行时，轴颈才能稳定在一定的偏心位置上，使轴承处于流体动压润滑状态；在轴启动、停止或低速运行时，会使轴颈和轴承处于不完全液体摩擦状态，加大了启动力矩和轴承磨损，轴颈和轴承之间为不同步的动作。

液体静压轴承依靠一个液压系统供给压力油，压力油进入轴承间隙里，强制形成压力油膜以隔开摩擦表面，保证轴颈在任何转速和预定载荷下都与轴承处于液体摩擦状态。但是静压轴承在工作转速足够高时也会产生动压效应，这一点在重载场合尤为明显。此时，轴颈和轴承达到局部同步动作的程度。

液体动静压轴承是在液体动压轴承和液体静压轴承的基础上发展起来的油膜轴承。动静压轴承兼有动压和静压轴承的优点，其既有动压腔，又有静压腔。当轴静止或转速低于临界值时，静压供油系统向静压腔送入高压油，将轴托起并承受载荷，使轴承处于完全液体摩擦状态；当轴在高速下正常运行时，由动压供油系统向动压腔送入低压油，使轴承在动压效应下工作。若动压效应仍不能形成足够的承载力，则可同时向动压和静压腔供油，使轴承同时具备动压效应和静压效应，提高轴承承载力[7]，从而使轴颈与轴承之间的动作达到同步。同理，气体润滑轴承的演化规律与液体润滑轴承相似。液体或气体润滑轴承沿动作调整进化与其对应S曲线的关系如图4所示。

图4 液体或气体润滑轴承沿动作调整进化

根据TRIZ沿动作调整路线进化分析可知，液体或气体润滑轴承沿此路线仍具有向间隔时动作方向进化的潜力。

3.5 电磁轴承沿智能材料路线的演进

沿智能材料进化的路线为：被动材料→单面适应材料→双面适应材料→全适应材料。沿此进化路线的电磁轴承材料也由铁磁材料、混合材料向超导材料的方向发展，对应的电磁轴承形式也由有源磁力轴承经混合磁力轴承向永磁磁力轴承的方向演进[8-9]。

电磁轴承凭借其固有的优势将逐渐带领机电行业走向一个没有摩擦、没有损耗和没有限速的崭新境界。从多条进化路线分析探讨电磁轴承的发展，对电磁轴承进行创新设计以提高其主要功能核心技术性能，将具有重大意义。

4 结束语

TRIZ中技术系统生命周期模式可以确定产品在S曲线上的位置。基于功能分析产品的核心技术，认为产品的核心技术又可进一步分为表达产品主要功能的核心技术和表达产品辅助功能的核心技术。企业可以先根据表达主要功能的核心技术，再根据表达辅助功能的核心技术，判断出产品目前所处S曲线位置的状况，对产品发展做出相应合理的决策。

根据研究结果，分析了轴承沿TRIZ进化路线进化的规律，同时给出了可提高目前表达其主要功能核心技术性能的辅助功能沿TRIZ进化路线的发展方向。