基于物-场分析与标准解的阻水装置优化设计①

俞金金 王君 尹彬沣

（扬州大学机械工程学院 江苏 扬州 225127）

农业生产是国民经济的重要组成部分，但目前农业生产过程中，仍受到不可抗拒的洪涝灾害影响，导致作物基本产量不稳定，给农户家庭收入造成了不利的影响。统计数据表明，因洪涝灾害造成的农作物受灾面积和受灾面积比均呈现出增加的趋势。中国农作物的受灾面积比在近60年里达到了6.6%［1］。

为解决现代农业生产中，农户温室大棚易受洪涝灾害影响造成巨大损失的问题，本设计基于物‐场分析理论，重点解决装置优化过程的技术难题，实现对现有阻水装置的改进。通过对现有阻水装置技术缺陷的分析，装置可以根据不同区域的阻水需求进行自由组装，在有效、便捷地保证挡水效果的同时，减少了经济损失。

1 物-场分析基本概述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理论的含义是发明问题解决理论，作为一套成熟的创新方法体系，该理论囊括了技术创新、发明制造和求解工具等内容。TRIZ理论基于各学科领域知识，为解决现实问题提供了一种通用的数学模型，该模型指明了其潜在发展的方向。目前在各个领域中，物‐场分析模型被广泛地运用［2］。

在发明问题中，存在物体和外部环境之间的相互作用，即发明出的系统功能都具有两种物体和一个场。由此，研究者通常将待解决的问题转化为物‐场模型，转化后的装置系统模型包含3个基本元素［3］：2个场元素（S1和S2）和场元素之间的作用力效应（F）。模型总共可分为4种情况：（1）模型中的3个元素齐全，2个场元素之间产生有效的作用效果，该情况为理想模型；（2）模型中缺少场元素，模型不完整；（3）模型中的3个元素齐全，但是2个场元素之间缺少有效的相互作用力；（4）模型中的3个元素齐全，2个场元素之间存在相互作用力，但是该作用力产生负面的作用效果，妨碍了系统的正常运行［4］。再根据现实情况确定模型的类型，并由此查找对应的标准解法，针对模型解决实际问题［5］。物‐场分析理论一共提供了76个标准解，详细分为5级：（1）建立或拆除物‐场模型；（2）增强物‐场模型；（3）向超系统或微观级转化；（4）检测和测量的标准解；（5）对简化系统的方法进行改善。

根据建模的物‐场模型类型，研究者对应确定相应的标准解级别，由此进一步找到具体的子系统标准解［6‐7］。

2 阻水装置优化过程中技术冲突分析

2.1 挡水装置问题分析

为实现理想的优化效果，对现有的挡水装置进行分析，具体存在以下问题：（1）装置到位时间长，自动化程度低，需要人力安放和拆除，耗费人力物力，面对突发的洪涝灾害，时间要求往往占据首要位置；（2）阻水效果差，传统的阻水装置往往采用沙袋、隔板等元素，此类装置的安放费时费力，并且与周围固定物之间存在缝隙，而洪水一旦冲开某条缝隙，巨大的水压会导致整个装置从某一点到整体的崩溃；（3）装置无法及时告知使用者当前水况，导致错过实施最佳阻水措施的时机。

2.2 装置优化方案的描述

将物‐场分析理论应用到现有的阻水装置中，优化流程由实际需求引出需要解决的问题开始，通过对装置功能和组件的分析，确定建模物‐场模型主要的3个元素，并分析模型所属的类型，由此找出对应的标准解，解决实际问题，具体流程如图1所示。通过对阻水装置、洪水和机械场之间的作用力效应分析，得到第3类模型：效应不足的完整模型，如图2所示。由此，运用TRIZ物‐场分析理论提供的76个标准解，根据所建立模型的种类与问题，选择相应的标准解法，进行挡水装置优化设计［8‐9］。

图1 基于物-场分析的基于物-场分析的挡水装置优化流程

图2 阻水装置-洪水的机械场

3 智能化阻水装置的优化设计

3.1 优化设计方案

通过传统阻水装置进行优化，优化结构见图3。

图3 阻水装置优化结构

优化后的装置采用拼接式结构，通过挡水板及底座制成固定宽度的模块，实现不同模块间的榫卯连接。转轴部分，利用铰链原理，通过多个套筒与轴连接，两端安装有电脑控制的伺服电机。水位上升时，控制板控制减速电机正转，竖起挡板并自锁，同时发出预警信息给相关人员，水位回落后，减速电机反转，挡板落下置于基座上，它集自动排水、智能阻水、智能预警功能于一体，能辅助地下车库原有的排水装置工作。

3.2 物-场分析模型的应用

针对传统装置自动化程度低，使用不便的问题，建立第2级标准解（一）改变到复杂的物质‐场模型，增加单片机、迷你电脑板等，如图4。挡水板两端安装由电脑控制的伺服电机。基座设液位传感器，向电脑板传输信号，当水位到达预设高度时，电脑板向绑定的终端设备发出预警信息，及时通知相关人员，控制电机正转，带动挡水板立起并自锁；当水位回落，电脑板接收传感器信号，控制电机反转，使挡水板放置于基座上。

图4 电子控制设备

针对传统阻水装置阻水效果差的问题，建立第3级标准解（一）向超系统或微观级转化，通过计算挡水板高度和积水深度参数，分析并确定实际所需挡水板的高度和所用电机的输出转矩，并根据不同区域对挡水装置能力的需求，有效、便捷地保证挡水效果，其中模型两侧侧板螺钉设计方面，如图5，作用在侧面挡水板的力的总和为

可知，力的作用点与底板形心点的距离为

将力移至底板侧面形心处，如图5，得

图5 底板螺钉设计

在力的作用下，螺钉受到的轴向工作拉力为

在倾覆力矩作用下，螺钉1（或3）受力较大（结合轴向力考虑），

查表选用性能等级合级的螺钉，查得屈服极限σs=240 MPa，查得安全系数S=5，故螺钉的许用应力为，因此，螺钉的直径设计为式（6），

按粗牙螺纹设计查表，选用公称直径螺钉d=3mm，满足设计要求，经校核，满足要求。

4 结论

基于TRIZ理论中物‐场分析理论，建立物‐场分析模型，根据物‐场分析模型的标准解实现对现有阻水装置的优化设计，筛选出适用于实际情况的方案。通过标准解优化设计，可有效解决农业生产过程中农户温室大棚易遭受洪涝灾害被水淹的问题，有效地保证阻水效果。