基于TRIZ的聚合物动态成型装置设计研究

沈洪雷，刘天军，袁毅

(1.常州工学院机电工程学院，江苏常州213002;2.重庆工商大学机械工程学院，重庆400067;3.制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆 400067)

聚合物动态成型加工就是将物理力场直接作用于聚合物的成型加工过程，其基本原理是将振动产生的应力场作用于聚合物成型的某个过程 (塑化、注射或挤出、保压或冷却)，从而在聚合物的主要剪切流动上叠加一个附加应力，使材料处于组合应力的状态下，强化聚合物加工中的物理和化学现象。大量研究证明，动态成型技术可以:(1)提高聚合物塑化效果和组份的均匀性;(2)降低聚合物熔体的黏度，改善其流动性;(3)控制聚合物熔体的凝聚态结构，如聚合物的结晶和取向，从而改善制品的力学和物理性能等;(4)消除聚合物加工中出现的如熔接痕、凹陷、气孔、翘曲等缺陷。总之，通过振动剪切取向和诱导作用，可影响熔体成型时的流动状态和凝聚态结构转变过程，生产出传统塑料成型工艺无法得到的高强度、高性能的制品［1－3］。因此，动态成型成为聚合物加工成型新方法之一，其相关技术也成为国内外研究的重点。

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是由前苏联发明家G S Altshuller带领一批研究人员，对全世界近250万件专利进行系统研究分析、总结后提出的，基于知识的、面向人的、系统化的方法学和发明问题解决理论。该理论包括:技术系统进化法则、物质－场分析原理、冲突解决原理、发明问题解决算法 (ARIZ)以及工程效应知识库等［4－5］。国内关于TRIZ的研究与应用主要集中在概念设计和创新设计方面，李平平等［6］应用TRIZ对注塑机注射机构进行了创新设计，而关于动态成型装置优化设计的应用还未曾见到报道。文中就利用TRIZ的冲突解决原理、物－场分析原理对动态成型装置进行设计研究。

1 TRIZ原理

1.1 冲突解决原理

TRIZ冲突解决原理主要包括物理冲突和技术冲突。物理冲突是指一个子系统或系统组件为了完成某种功能，应该具有某种性质，但又表现出了一种相反的性质。技术冲突是指一个功能作用同时产生有害效应和有益效应两种，也可以指有害效应的消除或有益效应的引入导致一个或几个子系统变坏。TRIZ提出了描述技术冲突的39个通用工程参数和解决技术冲突的40项发明原理，然后构建一个39×39的矛盾矩阵表，矩阵中的第一行代表39个需要改进的工程参数，第一列代表39个引起恶化的工程参数，行列交叉构成技术矛盾，交叉处列出了解决技术矛盾所推荐的发明原理的系列号，解决了设计过程中选择发明原理的难题［4－7］。

1.2 物－场分析原理

TRIZ物－场分析原理认为，任何系统功能都可以分解为3个基本元素:两个物质和一个是场，当且仅当这3个元素以适当的方式组合，才能有效实施一个作用，它们就构成了物－场基本模型。如图1所示，物质S2施加作用，为作用体;物质S1接受作用，为被作用体;S2通过F作用于S1实现相应的功能。通过物－场分析可以将发明问题构建成TRIZ标准化模型，然后利用76个标准解的方法，对模型3个元素进行改变或调整，以消除冲突或有害效应，从而解决技术系统中的问题。76个标准解分为5类，其中第1类适合于不完整模型和有害功能模型;第2类和第3类适合于作用不足的物场模型;第4类适合于检测和测量的功能模型;第5类为前4类提供使用标准［7］。

图1 物－场模型

2 TRIZ 理论应用［7－10］

2.1 问题分析

在目前动态成型加工中，施加振动的方式有机械振动、超声波振动和气体振动等几种。其中超声波振动主要通过电磁装置产生，虽然频率高，但振动能量太小，多适用于微动态成型;气动振动也因其控制精度等原因，适用范围有所限制;而机械振动由于控制方便、形式多样而成为研究振动动态成型的常用方式。机械振动的动力源主要以油缸驱动为主，主要结构形式有螺杆加振和模具 (辅助装置)内加振。如图2所示为常用的螺杆加振结构示意图，将螺杆2与振动油缸4连接，在塑化或注射、保压阶段，通过螺杆将振动油缸产生的轴向脉动传递到聚合物熔体。模具内加振 (如单点和多点加振)结构中将油缸设置在模具外的辅助结构中，如图3分别为多点液压模内加振结构示意图，通过微机控制的电磁阀实现将油缸压力波动产生的振动引入模腔，实现动态成型。

图2 液压式螺杆加振示意图

图3 多点液压式模具加振示意图

利用油缸产生振动的装置主要存在如下一些问题:

(1)油缸在螺杆、模具或辅助装置结构中的紧凑性有所欠缺，尤其对于微型动态成型的驱动实现有较大的难度。

(2)油路的工作必须配合各种阀的调节，会存在油压泄漏，加剧阀的磨损，同时也会造成油温过高、工作噪声大等现象。

(3)油压的控制会存在一定响应滞后，从而导致振动应力场的振动频率、振幅难于精确控制。

因此研发频率、振幅精确可调、振动能量大、结构简单紧凑的动态驱动装置对提高塑料制品的性能有良好的应用前景和现实意义。

2.2 利用TRIZ冲突解决原理分析设计问题

对于问题 (1)，应该改善振动装置的三维空间和安装尺寸，但同时可能会导致系统整体性和各组成部分之间的安装问题，以及系统能否或正常执行其功能的问题。因此，根据TRIZ理论中冲突求解工具，用39个通用工程参数将该问题描述成:改善运动物体的体积 (No.7)与装置的结构稳定性 (No.13)、可靠性 (No.27)恶化的技术冲突。

对于问题 (2)、 (3)，应该改善或克服机械磨损、防止油路泄漏、发热和降低噪声等，同时提高其响应速度和控制精度等问题，但会导致系统元件种类和数量的大大增加。同样，用TRIZ通用工程参数将该问题描述成:改善能量损失 (No.22)、物质损失(No.23)、测试精度 (No.28)与装置的复杂性(No.36)恶化的技术冲突。

根据上述技术冲突参数，查阅TRIZ理论的矛盾矩阵，可得到如表1所示的冲突矩阵简表，从而可获得TRIZ理论所推荐发明原理的系列号。

表1 冲突矩阵简表

2.3 利用TRIZ物－场分析原理分析设计问题

由上述问题分析，可知此系统主要存在需要改善或消除的问题。根据文献 ［4］中TRIZ理论的应用，得到如图4所示利用物－场分析原理进行动态成型装置设计的流程。结合动态成型要达到的功能，将液压振动装置对应为作用体S2，将聚合物熔体对应为物体S1;S1、S2之间的动态应力场对应为F，是一个完整功能的系统。这里需要对液压振动装置存在的性能问题进行改进，因此认为该物－场模型存在有害作用，需要消除和改进。根据TRIZ物－场原理，对于此模型主要从第一类和第二类标准解法中寻找解决方法。在第一类标准解 (不改变或仅少量改变系统)中有改进具有非完整功能的系统和消除或抵消有害效应两类方法;第二类标准解 (改变系统)中有变换和加强物－场模型等方法来消除或抵消有害效应。

图4 利用TRIZ物－场分析原理进行动态装置设计的流程

2.4 利用发明原理和标准解创新设计

由表1可知两个技术冲突矩阵解决方案中均出现了10(预先作用原理)、28号 (机械系统替代原理)发明原理，可以优先考虑采用，同时在第一类标准解中提供了第10号解决方法 (改变已有的物质去除有害作用)、第二类标准解中提供了第18号解决方法(改变S2去除有害作用)。因此，根据前述TRIZ发明原理和标准解提供的思路和线索，决定采用改变S2，即对原有的液压振动源系统进行替代的方案来解决。通过对符合并能产生相应要求的振动源的筛选，考虑到压电陶瓷的逆压电效应，即在压电陶瓷的两个相对表面施加电场后会发生形变，从而可推动相接触的零件产生位移 (其位移量可以通过柔性铰链对其行程进行放大);同时由于压电陶瓷具有体积小、位移分辨率高、频响高、承载力大、控制简单、没有发热、不易受外界电磁场干扰等优点，其功能和特点也符合此系统功能期望的目标要求，因此提出采用压电陶瓷来代替液压驱动装置。

图5所示为压电陶瓷致动器控制系统示意图，其原理为:首先用计算机编制驱动程序 (包含所需参数化的驱动频率、施加电压、驱动波形等)，然后通过程序信号控制驱动电源驱动压电陶瓷致动器产生设定的振动，再经过柔性铰链放大，使与其相接触的动作元件按照所需的频率和振幅产生轴向振动。至于动态成型所需的推力和行程，可通过调整驱动电源功率和柔性铰链的放大率来获得。

图5 压电陶瓷驱动控制系统示意图

3 创新设计应用

根据上述采用的解决方案，结合动态装置在聚合物成型设备中的应用状况，介绍几种压电陶瓷致动器在相应动态成型装备中的结构设计形式。

3.1 螺杆加振

如图6所示，压电陶瓷致动器封装后固结在螺杆与活塞杆之间，活塞杆由液压缸和液压马达分时驱动。利用计算机程序通过驱动电源控制压电陶瓷致动器沿轴向产生振动，从而带动螺杆产生所需的振动。在不同的阶段可方便实现:物料塑化阶段，螺杆在液压马达和压电陶瓷的驱动下进行旋转运动和纵向振动的复合运动，可以加大聚合物塑化效果;注塑阶段，螺杆在液压缸和压电陶瓷的驱动下进行纵向进给运动和微幅纵向振动的复合运动，使熔体产生解缠，并使分子链的排列更加有序，降低熔体黏度;保压阶段，螺杆微幅纵向振动可以控制晶粒的生长和取向、球晶的生长，从而获得比普通注射成型制品强度更高的制品。

图6 压电陶瓷驱动螺杆加振示意图

3.2 模具内部加振

一般来讲，振动属性会随着与振动源距离的增大而逐渐衰减，对于高黏度聚合物来说，其衰变更为明显，而将振动源直接引入模具内部，可以更好地发挥对模腔中熔体动态控制的效果。

(1)注射模加振。如图7所示为注射模内加振的结构示意。压电陶瓷致动器10直接与模具内部的型芯6固结。当聚合物熔体充填进入模腔时，就可以通过计算机将设定的信号传输给驱动电源，从而控制压电陶瓷致动器产生变形，与弹簧9共同作用，推动型芯实现纵向往复振动，实现熔体动态的保压和冷却过程，以消除制件的内外缺陷，提高其整体质量和性能。

图7 压电陶瓷驱动注射模具示意图

(2)挤出模加振。如图8所示为管材挤出模内加振的结构示意。

图8 压电陶瓷驱动管材挤出模具示意图

压电陶瓷致动器2与振动头14固结，同样在计算机和驱动电源的信号控制下，与弹簧3共同的作用带动振动头产生纵向大加速度的往复振动，大大提高分子链的解缠变稀能力，减小流动阻力，同时使分子链沿挤出方向达到预期的取向效果，从而明显增加挤出件纵向的物理机械性能。同理该装置也可以用于其他各类需要引入振动的挤出模具中。

4 结论

通过运用TRIZ冲突解决工具和构建物－场模型对动态成型装置的分析，帮助人们突破思维障碍，系统性地分析现有液压致动装置工作中存在的问题，快速找出问题的本质和冲突，从而根据TRIZ提供的发明原理和解决思路，快速找到利用压电陶瓷致动器替代液压致动器的解决方法。从实现振动功能的完整性和有效性来看，解决了液压振动装置存在的问题，消除了技术冲突并有效地去除了有害效应，达到了期望的目标。当然文中只是应用TRIZ原理提出了解决问题的一种新的思路，实际应用还有待进一步研究和验证。

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