应用TRIZ理论解决低温钢筋拉伸试验夹具的设计问题

姜 婷，舒宏富，郭 湛，徐 雁

(马钢股份公司 安徽省马鞍山 243000)

液化天然气简称LNG，是地球上最干净的化石能源，我国正在大量进口和储存。耐零下165 ℃低温钢筋用于储罐外墙和内墙建设，是LNG储罐建设中的关键材料之一，长期依赖进口。国内少数钢厂经过技术攻关，开发出低温钢筋，但必检项目超低温钢筋“零下165 ℃的拉伸力学性能试验”在国内无法检测，因为国内目前仅能够进行标准力学试样的低温检测，而对于必须整体检验的钢筋试样并不适用。为了配合低温钢筋的供货，开发了低温钢筋的零下165 ℃条件下的拉伸设备，但是夹持试样的夹具在超低温条件下失效，无法完成检验。针对此问题，采用TRIZ创新方法进行分析，寻求解决方法。

1 TRIZ理论概述

TRIZ意为发明问题解决理论，是指导人们进行发明创新、解决工程问题的系统化的方法学体系。其基本概念包括技术系统、功能、矛盾、理想度等[1]。使用TRIZ解决问题时，可首先进行系统组件列表，建立作用关系，建立系统组件模型。在针对存在问题进行系统剪裁、矛盾分析、因果分析等。所有技术系统的方向都是增加理想度，得到最终理想结果(ideal final result，IFR)。

2 应用TRIZ理论解决夹具问题

2.1 技术系统分析

对钢筋低温拉伸进行组件模型建立，进行技术系统分析。通过系统分析发现，导致试验失败的功能因素有：(1)低温箱液氮对夹具的冷却有害；(2)夹具对试样夹持不足。

图1 低温拉伸试验机系统组件模型

系统分析发现，置于低温箱内的夹具受热胀冷缩作用，失去了对试样的夹紧力，是导致试验是失败的主要原因。萌生将夹具从试验箱内分离出来的技术思想，这样，夹具处于箱外环境温度不受过度冷却作用，得到的方案如图2所示。

2.2 技术矛盾分析

技术矛盾是是指改善系统的一个参数，导致了另一个参数的恶化。是生活中最常见的矛盾之一。使用TRIZ方法，按照39个通用技术参数对技术矛盾参数进行归类，再查找矛盾矩阵，可得到推荐创新原理用于启发解决矛盾的思路[2]。

图2 将夹具从试验箱内分离方案

上一节中系统分析得出的方案使用以后，虽然有效果，但仍然存在试样松动失效的现象。如果采用在夹具缝隙间垫塞填布的措施，那么会提高夹紧力，但是垫块或布会被冻住，效果不稳定。存在技术矛盾。其改善的参数是“力”，恶化的参数是“结构的不稳定性”。查找矛盾矩阵，得到推荐的发明原理有：35#物理化学参数变化、10#预先作用、21#减少有害作用时间。根据其中“35#物理或化学参数改变原理”的启示，得到方案：改造夹具结构，增加楔块，并开设导向槽，防止试样打滑。

2.3 IFR最终理想解法

IFR最终理想解是指系统能够自行消除有害的、不足的、过度的功能，完成有用功能。其分析步骤为：1.设计的最终目标；2.IFR是什么；3.达到最终理想结果的障碍；4.如何使障碍消失；5.什么资源可以帮助解决问题。

上一节中的“增加楔块”方案使用效果良好，但有时也会出现试样松动失效的现象。从IFR最终理想结果的角度看，无需楔块也能固定试样。最简单的做法，那就是，延长试样固定到拉伸机架上，甚至可以替代夹具。但是，试样的断裂位置不一定发生在低温箱内，代表不了真正意义上的低温力学性能。通过资源分析，得到方案：可以利用更大规格的低温钢筋焊接试样，形成整体，在拉伸试验时，能够保证断裂位置发生在低温箱内，且断在更小规格的试验钢筋上，示意图见图3。

2.4 再次技术矛盾分析

上一节得到的方案使用效果稳定，但是，每次试验前都需要焊接，费时费力、操作不方便。存在技术矛盾。其改善的参数是“力”，恶化的参数是“可操作性”。查找矛盾矩阵，得到推荐的发明原理有：1#分割原理、3#局部质量原理、25#自服务原理、28#机械系统替代原理。根据其中“1#分割原理”和“28#机械系统替代原理”的启示，得到方案：试样两端加工外螺纹，夹具端部加工内螺纹，连接固定试样，拆装方便，可反复使用，见图4。

图3 试样两头焊接大规格低温钢筋方案

图4 螺纹夹具方案

3 结论

针对低温钢筋在零下165 ℃条件下进行拉伸试验时，夹持试样的夹具在超低温条件下失效的问题，采用TRIZ创新理论的思想，利用技术系统分析、技术矛盾分析、IFR最终理想解的方法，得到四种方案，并结合专业知识运用于钢筋低温拉伸试验，解决了夹具失效问题，保证了低温钢筋的生产检验和交付周期。

参考文献

[1] 林 岳, 齐二石, 等. 创新方案教程[M]. 北京：高等教育出版社, 2011

[2] 成思源, 周金平, 郭钟宁. 技术创新方法-TRIZ理论及应用[M]. 北京：清华大学出版社, 2014