TRIZ理论及其在袋装饲料智能装车机中的应用

■黄 蕾 邓援超

（湖北工业大学机械学院，湖北武汉 430068)

1 TRIZ理论简单介绍

TRIZ原是俄文（Teorijz Rezhenija Izobretatel’skich Zadach）的缩写，其对应英文TIPS（Theory of Invention Problem Solving），意为“发明问题解决理论”[1]。1946年，以苏联海军专利部G.S.Altshuller为首的专家开始对数以百万计的专利文献加以研究，经过50多年收集整理、归纳提炼，发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并在此基础上建立了一套体系化的、实用的解决发明创造问题的方法，即为TRIZ理论[2]。TRIZ理论方法不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决问题的模型及指明问题解决对策的探索方向[1]。

TRIZ理论不仅能找到解决问题的路径，而且为解决问题找到了通行的方法，为新产品设计提供了可实现的工具和路径[3]。

TRIZ解题模式如图1所示：

图1 TRIZ解题模式

利用TRIZ理论解决创新问题的流程分为：分析问题，解决问题，方案实现。分析问题的TRIZ工具有系统功能分析和三轴分析法；解决问题的方法有技术矛盾[4]，物理矛盾，HOW TO模型，物场模型等，这些方法又有相应的工具来解决问题，如技术矛盾对应矛盾矩阵，物理矛盾对应分离方法，HOW TO模型对应知识库，物场模型对应标准解法等；最后通过解决问题的工具方法找到备选方案，从而得到概念方案。

2 码垛装置背景介绍

此处研究的码垛装置是全自动饲料装车机中的一部分机械结构，全自动饲料装车机取代人工装车，利用其中装车平台机构实现饲料装车全自动化，而码垛装置为装车平台中负责将饲料包从装车平台上码垛到车厢内的机械，其外形构造如图2所示。

图2 码垛装置结构

闸门3通过其侧边的机架部分连接在滑套2上，滑套2可以在导柱4上面上下直线运动，气缸1则是推动滑套上下直线运动的驱动装置。

3 系统组件分析

3.1 问题背景

全自动袋装饲料装车机是一个实际项目，考察的工厂实际情况如图3所示。在做此实际项目中有一个限制条件，由图3可知，安装装车机的厂房已经做好，厂房的高度和槽的宽度已经定好，企业要求不能更改此部分，以免全部重新做厂房。

图3 工厂厂房

3.2 组件分析

只针对码垛闸门部装来做组件分析，因为问题主要出现在此装置部分，没有必要将系统扩大做复杂分析，那样会给分析带来麻烦和不必要。

3.2.1 组件列表

组件列表可以回答系统是由哪些组件组成，包括系统作用对象、技术系统组件、子系统组件，以及和系统组件发生相互作用的超系统组件。

超系统组件：装车平台、斜皮带机、水平皮带机、二楼地面。

系统组件：闸门、滑套、导柱、连接板1、气缸、连接板2。

作用对象：饲料袋。

3.2.2 结构关系（见图4）

图4 码垛闸门结构关系

3.2.3 组件模型（见图5）

3.3 提出问题

3.3.1 从数据出发

在上面问题背景中提到过，安装袋装饲料智能装车机的厂房已经提前制作完成，也就是说二楼地面到一楼的高度空间已经被定死，在项目开始的设计阶段，由于考虑到效率和程序问题，设计完成斜皮带机的长度，装车平台的高度已经最优化设计。

在企业给出的数据中，饲料袋的高度取平均值为190 mm，码垛闸门一次性完成3层饲料袋的码垛，所以设计气缸的行程为400 mm，每辆车辆需要装载9层饲料袋。

结合楼层高度、皮带机长、装载饲料袋高度、装车平台机架高度、饲料袋高、码垛装置高度等多样数据，发现在空间高度方面存在问题，即装车机需要的空间高度要大于厂房的高度。

3.3.2 找到关键问题及薄弱环节

分析数据中每个导致问题产生的原因：

①水平皮带机因为在二楼，对讨论的问题没有任何影响；

图5 码垛闸门组件模型

②由于每两袋饲料袋之间的距离及斜皮带机上的饲料袋数量取决于生产效率和装载效率，所以其长度没法轻易改动；

③厂房高度在问题背景中已经介绍过，是硬性规定，无法改变；

④码垛饲料的层数以及饲料袋高度也是无法改变的参数；

⑤装车平台机架高度在数据分析中已经告知是最优化设计；

⑥码垛装置通过结构的变换可能可以降低高度。

4 解决问题

4.1 寻找问题中的矛盾

在问题分析中，已经找到问题的薄弱环节，码垛装置的结构设计是一个可以优化的部分。通过上面的码垛装置外形结构和组件模型分析，一层一层分析影响码垛装置高度的参数。决定码垛装置高度的是导柱的长度，导柱的长度由行程和气缸的长度决定。在这两个参数中行程是不能改变的，那么唯一可以改变的只有气缸的长度，但是气缸的长度又取决于行程。

4.2 提取出一对技术矛盾

问题描述：码垛装置的引入是为了取代装车平台的整体移动，因为装车平台整体体积太大，会跟车厢板发生碰撞。但是码垛装置的引入导致整个装置高度变大，跟厂房的限制高度有冲突。

需要改善的方面：运动物体的体积减小，不跟车厢板干涉。

造成恶化的方面：运动物体的高度变大，与厂房高度冲突。

运用39个通用技术参数来描述该对技术矛盾：改善的参数：运动物体的体积；

恶化的参数：运动物体的长度。

4.3 寻找解决问题的方案

采用矛盾矩阵的方法，提供的可优先考虑的原理有：1，7，35，4

原理1：分割

① 将物体分成相互独立的部分；

②将物体分成容易组装和拆卸的部分；

③提高物体的可分性。

举例说明：可拆卸铲斗唇缘设计。一个挖掘机铲斗的唇缘是由钢板制成的，只要它的一部分磨损或损坏，就必须更换整个唇缘。这是一项既费力又费时的工作，可使用分割原理来解决这一问题。将唇缘分割成单独的可分离的几部分，这样，就可以快速方便地将毁坏或磨损的部分更换。

原理7：嵌套

①把一个物体嵌入另一个物体，然后将这两个物体再嵌入第三个物体，依此类推；

②让某物体穿过另一物体的空腔。

举例说明：轴与套筒、轴承的配合；起重机的伸缩臂；数控机床的伸缩式导轨等。

原理35：物理或化学参数改变

①改变聚集态；

②改变浓度或密度；

③改变柔度；

④改变温度。

举例说明：柔性机构，一般是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，传动力的机械结构；形状记忆合，即拥有“记忆"效应的合金，形状记忆合金具有形状记忆效应；金属表面渗碳处理增加耐磨性等。

原理4：非对称原理

①用非对称的形式代替对称形式；

②如果物体已经是非对称的，那么增加其非对称的程度。

举例说明：V形发动机，简单的说就是将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起（左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°），使两组汽缸形成一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形（通常的夹角为60°）；椭圆齿轮流量计，是由计量箱和装在计量箱内的一对椭圆齿轮，与上下盖板构成一个密封的初月形空腔（由于齿轮的转动，所以不是绝对密封的）作为一次排量的计算单位；回旋镖（Boomerang），这款诞生于上世纪末的双引擎轻型通用飞机采用了非对称结构，在一个引擎失去动力时的偏航和滚转力矩只有普通双发轻型机的一半和四分之一左右。

通过原理1和7的组合运用，寻找到一种可以解决该问题的方案。原理1为分割，原理7为嵌套。在该问题中，气缸的长度太大，我们可以将其分割为两段，然后将这两段的行程进行嵌套，就可以在不减小行程的基础上将整个装置的高度减小，其原理如图6所示。

图6 解决方案原理

由图6可知，导柱9固定在3-连接板A上，气缸B同过螺钉度固定在3-连接板A上，气缸B的轴通过7-连接板B与2-滑套A相连接，7-连接板B通过垫块6与4-气缸A相连，气缸A的轴通过连接板C与滑套B相连接。

当气缸B的轴向下运行时，气缸B不动，气缸A因与连接板B相连所以整体随着一起运动，与其相连接的滑套A、连接板C、滑套B一起向下运动。当气缸B将所有行程运行完成后，气缸A的轴开始向下运行，气缸A不动，通过连接板与气缸A相连接的滑套A和气缸B也不动，与气缸A的轴通过连接板C相连的滑套B则跟着一起向下运行直到气缸A的行程走完。

通过上述说明，可以看出，我们将原来的行程分割成了两段行程，并将第2段行程嵌套在第一段行程中，这样就将原来的长气缸换成了两个短气缸，将长度减小将近一半。

从原理35可以想到一种新型的概念气缸，将气缸的轴用一种柔性材料制造，这种材料可以使得气缸轴在刚开始的时候只有部分长度，当走完一定行程后，气缸的轴发生形变，使其可以继续增加行程。这种新型的气缸有待科技的进步来完成，相信未来的科技可以做到，这样就可以用小的气缸空间获得大的行程。

从原理4中不能获得能为所用的方案。

5 小结

正如文章前面所讲，TRIZ理论方法并不针对具体的机构、机械或过程，它只是提供寻找方案的探索方向。通过长时间的思考和设计，可能也可以寻找到解决问题的钥匙，但是TRIZ理论方法可以快速的为我们找到答案提供灵感。TRIZ理论方法不只是应用某一指定学科的知识，而是将所有行业的知识都集合起来。在解决简单问题时，工程师运用自己行业的专业知识就可以解决，但是对于稍显复杂的问题，就可能需要运用到其他领域的知识，而且这种跨领域的灵感有时会碰撞产生更加富有市场性的创新方案。

当然，不同人的知识积累和阅历运用TRIZ理论时都会产生不同程度的效果，接下来还需要做的工作是更加丰富个人知识，解决饲料智能装车机中更多的创新问题。