基于 TRIZ 理论的磁悬浮桥梁支座创新设计

韩家山，曾 敏，宋建平，李 靖，梁文伟，郑朋飞

（1. 洛阳双瑞特种装备有限公司，河南洛阳 471000；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430000）

1 研究背景

由于运行速度快，列车悬浮间隙小（10 mm左右），磁悬浮交通系统对支撑列车运行的桥梁及轨道线型要求较高。当支撑磁悬浮列车的桥梁结构发生沉降或者横向变位时，磁悬浮列车的轨道平顺性将受到影响；轨道平顺性超差时，会造成车辆无法悬浮而出现打轨现象[1-4]。作为连接磁悬浮桥梁和桥墩的“关节”，磁悬浮桥梁支座应具备适应梁部温升位移、传递上部结构荷载、调整轨道线型等功能，是保证磁悬浮交通平稳运行的关键部件。

目前，我国已经建成运营的磁悬浮交通线主要有上海高速磁悬浮示范线、北京S1磁悬浮线和长沙磁浮快线等[5-7]。上海高速磁悬浮示范线采用的是可调式支座，结构如图1所示，主要包括上座板、平面摩擦副、传力座板、中座板、球面摩擦副、内衬板、调高座板、锁紧螺母、下座板、横向调位装置、底座板等部件。支座调高采用的是螺纹调高；横向调位通过调整楔块组来实现[8]。

北京S1磁悬浮线和长沙磁浮快线属于低速磁浮线，采用的支座主体结构为普通球型支座，结构如图2所示，主要包括下座板、球面摩擦副、中座板、平面摩擦副、上座板以及导向摩擦副等部件。支座调高采用的是垫板调高方式，在支座锚栓孔中增加可偏心轴套以满足水平调位需求。

现有磁悬浮支座虽然已投入使用，但是在使用过程中已出现调整困难、调整精度低等诸多问题。另外，随着磁悬浮交通技术的发展，磁悬浮列车速度越来越快，对磁悬浮桥梁支座也提出了更高的要求。本文将基于TRIZ理论对磁悬浮桥梁支座进行创新设计，以满足桥梁设计、建设的要求。

2 TRIZ 理论及产品创新设计流程

TRIZ理论是俄文中“发明问题解决理论”的缩写；前苏联专家Altshuller及其团队通过对几百万份专利文献和科学知识进行研究、整理和归纳，抽取了大量发明中运用的规律，最终形成并创建了一套实用的、以解决发明问题为主要目的的理论和方法体系[9]。

TRIZ理论中的工具主要包括问题模型、解决问题的工具以及解决方案模型。问题模型主要包括技术矛盾、物理矛盾、物-场模型以及功能化模型。解决问题的工具包括矛盾矩阵、分离原理、76个标准解以及效应库等。解决方案模型包括40个发明原理、标准解的物场模型以及具体的效应等。

TRIZ理论发展至今已成为一个创新的平台。利用它可以解决技术问题，产生创新的解决方案；可以进行专利布局；可以用于新产品规划布局等。无论出于何种目的而应用，其解决问题的典型过程都主要分为3个步骤：问题识别、问题解决以及概念验证；基于TRIZ理论的产品创新设计流程如图3所示[10-11]。

3 磁悬浮桥梁支座创新设计

3.1 产品功能分析和问题分析

磁悬浮桥梁支座作为磁悬浮交通系统的重要部件，除应具有承受竖向荷载、水平荷载及适应梁端变形（位移、转动）的基本功能外，在梁体架设完毕后，还要具备梁体姿态调整功能。因此，磁悬浮桥梁支座应具备以下功能：竖向承载功能、水平滑移功能、竖向转动功能、水平承载功能、竖向高度调节功能、横向位置调节功能。

另外，由于磁悬浮桥梁对悬浮距离的精确度要求较高，支座竖向调高及水平调位精度要达到无级调整的程度。现有磁悬浮桥梁支座的结构形式及功能经过分析，主要存在以下几方面问题：螺纹调高支座螺纹承载能力差，对接触部位材料的性能要求高；垫板调高支座调整精度差，不满足无级调整的精度要求；横向位置调整不方便；支座结构尺寸偏大，结构不紧凑。

3.2 技术矛盾确定与解决思路

TRIZ理论认为发明问题的核心是解决矛盾；TRIZ中的矛盾被分为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指实际工程问题中2个工程参数之间的矛盾，即改善一个技术参数的同时，带来了另外一个技术参数的恶化。TRIZ理论解决技术矛盾利用的工具是矛盾矩阵和40条发明原理：首先从特定的工程问题中分析出矛盾和冲突，将矛盾用39个工程参数进行表述，通过查询矛盾矩阵，然后从40条发明原理中找出可借鉴的发明原理通解，最后得出实际的工程问题解决方案。

整个磁悬浮交通系统在引用磁悬浮桥梁支座后，梁部载荷、位移可以自由传递到下部墩台，结构更加稳定可靠；明显改善的参数是力、稳定性、作用于物体的有害因素以及适应性、通用性。由于现有支座存在有害功能以及不足功能，对于系统来讲，恶化的参数有应力、压强、强度、物体产生的有害因素以及可维修性等，综合以上分析得出矛盾矩阵表如表1。

表1 矛盾矩阵表

根据磁悬浮桥梁支座的特点，在上述发明原理中有5条发明原理可以应用，分别是发明原理7、发明原理9、发明原理13、发明原理14以及发明原理15，原理名称及解释见表2。

表2 发明原理及解释说明

3.3 创新设计

3.3.1 无级调高结构设计

目前支座调高主要采用填充钢垫板的方式进行，针对不同的调高量需加工特定厚度的钢板，实际施工中调高精度较低[12-13]。针对磁悬浮桥梁支座调高的功能需求，依据发明原理14曲面化发明原理中的原则2和原则3，使用螺旋结构，改直线运动为旋转运动。但是，单纯地使用螺旋结构，螺旋结构承受竖向荷载，会导致支座承载能力差、疲劳性能不好等问题。针对该问题，采用发明原理9预先反作用中的原则2，在结构中施加1个预先反作用力，分担螺旋结构承受的竖向荷载。

具体方案是采用高性能的梯形螺纹传动调高结构实现支座的无级调高功能，然后在调高结构中加入楔块，通过楔块的楔紧功能，分担螺旋结构承受的竖向荷载，结构示意图如图4所示。

3.3.2 倒置球面结构设计

为满足支座的转动功能，利用发明原理14曲面化发明原理中的原则1，引入球面结构设计；同时利用发明原理13中的原则3，将球面进行倒置，支座上部结构可以一体转动，螺纹结构受力性能更好，结构示意图如图5所示。

如图5所示倒置球面结构后，支座上部结构可以一体转动，且传力均匀，梯形螺纹结构受力性能更好，结构更加可靠。

3.3.3 横向位置调节结构设计

现有支座的横向位置调节功能在实际应用中存在位置调整程序复杂、调节不便利等缺点，不利于支座的安装施工及后期维护。根据磁悬浮桥梁支座的横向调位需求，依据发明原理7嵌套发明原理的原则2，让某物体穿过另一物体的空腔；同时利用发明原理15动态特性的原则1，分割物体使其各部位可以改变相对位置，将物体分割成容易拆卸和组装的部分，增加物体的分割程度。

具体方案是提出一种组合垫片式位置调节结构，如图6所示。位置调节结构的调位螺栓穿过顶推板侧面设置的螺纹，并与上部结构顶推部位相接触，旋动调位螺栓推动支座上部位置进行移动，达到位置调节的目的。

位置调节结构的底板顶推部位与上部结构之间设置间隙调整垫片组合；垫片组合由多个特定厚度的垫片组成，可根据位置调节量选取不同的垫片组合，通过增加或减少两侧的垫片数量，填充两侧位置调节的间隙。另外，为提高位置调整精度，将其中1组调整垫片做成楔形垫片；位置调整结束后，利用楔形垫片进行楔紧，从而达到横向无级调整的精度要求。

3.3.4 支座总体结构设计

在对支座进行总体结构设计时，利用发明原理7嵌套发明原理的第1个发明原则，将无级调高结构、倒置球面结构以及横向位置调节结构进行分步嵌套，同时为满足支座水平滑移功能，利用发明原理15动态特性的第2个发明原则，增加活动导向板结构。另外，为增加结构的可靠性，在调高楔块处增加楔块挡板结构，防止楔块在交变荷载下出现松动；在活动导向板处增加盖板结构，对活动导向板等结构进行竖向限位。

支座结构示意如图7所示，主要包括下座板、平面摩擦副、中座板、球面摩擦副、调高座板、导向摩擦副、活动导向板、调位垫片、调位螺栓、盖板、楔块、楔块挡板、上座板等部件。支座能够传递竖向压载、水平荷载，可实现水平滑移和转动功能，同时又可以调节支座的高度和横向位置。

4 样品试验

根据磁悬浮桥梁支座的创新设计方案试制样品。为验证支座的整体性能及各项功能是否满足设计要求，对样品支座进行了系列试验；试验项目主要包括竖向承载力试验、水平承载力试验、摩擦系数试验、转动试验、调高试验及水平调位试验，样品支座试验照片如图 8、图9所示，试验结果见表3。通过表3试验结果可以看出，样品支座的整体力学性能及各项功能完全符合设计要求及相关标准的规定。此试验同时也验证了基于TRIZ理论所得的磁悬浮桥梁支座创新设计方案的有效性和可行性。

表3 样品支座试验结果

5 结论

基于TRIZ理论，对磁悬浮桥梁支座进行了功能分析和问题分析，然后建立了矛盾矩阵，并用典型的发明原理对磁悬浮桥梁支座进行了创新设计。根据创新设计方案，进行了样品试制，并对样品支座进行了系列试验。试验结果表明支座整体力学性能及各项功能完全符合设计要求及相关标准的规定。运用TRIZ理论进行创新设计的磁悬浮桥梁支座，具有传力可靠、结构紧凑、高度无级可调、横向位置无级可调等优点，可以为相关的磁悬浮桥梁工程建设提供参考。