TRIZ 理论在斜行电梯结构改进设计中的应用研究

张 浩

(扬州职业大学，江苏 扬州 225009)

在日常生活中，大家对普通的垂直电梯和自动扶梯比较熟悉，但随着社会进步生活水平的提高和电梯技术的快速发展，特别是为了解决城区面积紧张问题，某些国家和地区在山坡地区建设住宅，产生了对一种新型的特种电梯即斜行电梯的需求。除此之外，在旅游观光景点或钢结构的电视塔脚处，也出现了斜行电梯的身影。由于斜行电梯多安装在露天场合，轿厢的振动和噪声大于垂直升降电梯，电梯起动和制动时产生影响舒适度和安全性的水平作用力，对斜行电梯的设计和生产提出了新的要求。

1 目前斜行电梯的使用状况

自21 世纪以来，为了残疾和行动不便的人的出行方便以及解决斜坡上的交通问题，逐渐出现了斜行电梯。斜行电梯主要用于完成倾斜运行轨迹的提升，下面以曳引式斜行电梯为例进行叙述，其工作原理是通过钢丝绳或链条悬挂，并且与水平面呈一定的角度，以达到运输人员或货物的目的。［1］此外，因为水平作用力的原因，斜行电梯水平加、减速度被限制在0.5m·s-2以内，实际上只适用于1m·s-1以下的电梯，这就限制了斜行电梯的应用。［2］因此，为了提高斜行电梯的运行速度同时不影响乘客的舒适度，需要对斜行电梯的结构进行改进设计。

2 TRIZ 理论

2.1 TRIZ 的含义

TRIZ 的含义是发明问题的解决理论，其英文全称是Theory of the Solution of Inventive Problems，在欧美国家也可缩写为TIPS(Theory of inventive Problem Solving)。

前苏联著名的发明家、教育家阿利赫舒列尔在1946 年创立了TRIZ 理论，Altshuller 也被尊称为TRIZ 之父。通过对世界各国著名的发明专利过程的处理，Altshuller 从1946 年开始研究发明问题的解决理论，找出创造发明的内在规律和原理，可以加快创造发明的进程和设计出一流的创新产品。Altshuller 发现不同行业、不同领域的产品改进、技术变革和创新都是有规律可循的，只要掌握了这种规律(即可以遵循的科学方法和法则)，就可以主动地设计产品并推测出产品的未来发展趋势。［3］

2.2 冲突解决原理

在进行产品设计的时候发现矛盾(冲突)，传统的设计方法通常是采取折衷的方法，两利相权取其重，两害相权取其轻，但是这样做并没有彻底解决冲突。TRIZ 理论则要求在设计过程中完全解决冲突，提出全新的设计方案，实现产品的真正创新。

在设计过程中，单纯的增强有利的效应或者消除不利的效应并不能真正解决问题，反而会引起其它一个或多个方面的不利效应，这被称之为技术冲突。

TRIZ 理论通过对现实中的各种冲突进行分析和归纳，提出了39 个通用工程参数(表1)。在实际的设计过程中，可以用至少2 个工程参数来表示组成冲突的双方内部性能，然后在冲突矩阵中找出解决冲突的发明原理。

在冲突矩阵表(表3)中，按照代表恶化的技术特性水平排列，代表改善的技术特性垂直排列的方式依次将39 个通用工程参数进行排列。冲突矩阵为40 行40 列的一个矩阵，根据矩阵中数字编号可以选用发明原理表(表2)中的对应原理，然后根据这些发明原理来考虑具体的解决方案。

表1 通用工程参数表

表2 发明原理表

表3 冲突矩阵表

3 利用TRIZ 理论提出结构设计方案

3.1 分析问题

通过查阅相关的资料发现，目前已经投入使用的斜行电梯运行速度还比较低，一般不超过1.0m·s-1，对电梯的水平加速度和乘客的舒适感的影响较小，但是随着人们对斜行电梯运行速度的要求不断提高，特别是当运行速度超过2m·s-1之后，其对电梯和乘客的影响就比较突出了。

因为在起动和制动运行时斜行电梯会产生水平作用力，让乘客感到不舒服和不安全。为了提高舒适度和安全性，就要减小这种水平作用力，也就是要减小水平加速度，从而导致电梯运行速度和效率大为降低。但是，如果提高斜行电梯的运行速度，其水平加速度也必然会提高，使乘客感到不舒适。这就在运行速度和舒适度之间产生了一个矛盾(冲突)。

3.2 斜行电梯结构设计中的速度和舒适度的冲突分析

电梯结构设计中的冲突很多，经常碰到的是速度和舒适度的冲突，斜行电梯也存在这样的问题，而且问题比垂直电梯更突出。斜行电梯的速度是希望改进的，而速度的改进导致舒适度的恶化，即稳定性的恶化。利用表3 冲突矩阵表，发现希望改进参数9 强度，但是恶化了参数13 稳定性，二者相交的数字是1、18、28、33，即采用表2中1、18、28、33 四个原理可以解决冲突。

3.3 TRIZ 在斜行电梯结构改进设计中的应用

根据TRIZ 的解决原理，提出了一种改进的可变角度倾斜机构的设计方案，如图1、2 所示。

图1 倾斜机构简图

3.3.1 倾斜机构设计

该可变角度倾斜机构是由控制系统、机电作动器和倾斜执行机构三个部分组成。［4］根据电梯是起动还是制动，先由控制系统控制作动器向左或者向右移动，接着作动器带动倾斜执行机构使轿厢产生一定角度的倾斜，最后由检测系统对倾斜的角度进行检测，反过来调节作动器移动的幅度。

图2 倾斜机构工作示意图

此外，当发生断电等特殊情况的时候，作动器没有动力输出，而倾斜机构因为左右对称，轿厢在自身重力作用下将自动回正。可以防止紧急情况下，轿厢由于不能自动回正而导致倾覆的危险。

3.3.2 倾斜机构控制系统原理

该机构首先通过加速度传感器测量轿厢的水平加速度信号，然后通过处理过的加速度信号控制作动系统进行一定角度的倾斜，以改善因水平加速度造成的不适感，其控制系统原理图如图3所示。

图3 控制系统原理图

3.3.3 Matalab 仿真

仿真结果表明，电梯在空载上行时轿厢的振动加速度值最大，可通过Matlab 软件针对这一点进行优化以获得最佳的运行速度(图4)。

图4 沿导轨方向的振动位移、振动速度、振动加速度

4 结论

本文通过对TRIZ 发明问题解决理论的介绍，把TRIZ 理论应用于斜行电梯的结构设计，最后提出一种可变角度倾斜机构设计方案，解决了斜行电梯舒适度随着运行速度的提高而降低的问题，再一次证明TRIZ 理论是一种有效的创新设计方法。

［1］ 姜淑雄. 斜行电梯设计浅谈［J］. 电梯工业，2006(5):13 -14.

［2］ 贾涛，岑理章，王昕.非线性变频电梯调速系统算法的研究［J］.电气时代，2009(7):62 -63.

［3］ 王芍.基于蒙特卡罗模拟在天气期权定价中的运用［J］.电科技经济市场，2014(2):109 -110.

［4］ 张浩，芮延年. 快速斜行电梯关键结构设计和动态特性研究［D］.苏州:苏州大学，2010.