基于TRIZ理论的支架卸落系统改进设计

谭健　李勇波　余昆　镇顺利

摘 要：在桥梁施工中，现浇梁施工通常采用支模架系统为承重结构，并使用支架卸落系统调节标高以及完成落架。为提高现有支架卸落系统的承载和卸落能力，增大支架卸落系统的安全性、可靠性、灵活性、经济性，基于TRIZ理论，从组件、功能、资源等方面进行分析，对现有支架卸落系统进行改进，提出了多种改进方案。结果表明，TRIZ理论在桥梁施工领域的应用前景广阔，解决问题全面、快速、准确，优势明显。因此，通过引入和应用TRIZ理论，可以提升桥梁施工的效率和效果，提高工程的安全性和可靠性。

关键词：支架卸落系统；TRIZ；承载能力

中图分类号：TU997 文献标识码：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306092

Improved Design of Support Unloading System Based on TRIZ Theory

Tan Jian，Li Yongbo，Yu Kun，Zhen Shunli

（The 7th Engineering Co.， Ltd， China Railway Major Bridge Engineering Group， Wuhan 430056， China）

Abstract：In bridge construction， when the formwork support system is used as the load-bearing structure in cast-in-place beam construction， the support unloading system is generally used to adjust the elevation and complete the fall. In order to improve the bearing capacity and unloading capacity of the existing support unloading system， and increase the safety， reliability， flexibility and economy of the support unloading system， the TRIZ theory is used to analyze the components， functions and resources. The existing support unloading system is improved， and a variety of improvement schemes are put forward. The results show that the application of TRIZ theory in the field of bridge construction has broad prospects， comprehensive， rapid and accurate problem solving， and obvious advantages.

Key Words：Support Unloading System；TRIZ；Carrying Capacity

0 引言

1956年，阿奇舒勒提出了“发明问题解决理论”，即TRIZ理论，该理论不仅提高了技术问题的解决能力，缩短了产品的研发周期，还使企业技术创新的方向具有可预见性，从而降低了企业技术创新的风险。目前，TRIZ理论不仅在工程技术领域发挥着巨大作用，成为企业创新的利器，而且已经在自然科学等多领域得到了应用[1]。

在桥梁施工中，支模架系统是现浇箱梁当中经常使用的一种用于浇筑混凝土的承重结构，支模架在设计施工当中需要考虑施工标高的调节和控制，以及在浇筑完成混凝土主体结构后支架拆除，而桥梁支架卸落系统是用于桥梁支架标高调节与落架的工具，可循环使用，标高调节方便、精度高、应用广泛。为提高现有支架卸落系统的承载和卸落能力，增大支架卸落系统的安全性、可靠性、灵活性、经济性，运用TRIZ理论对现有支架卸落系统从组件、功能、资源等方面进行分析并改进。

1 支架卸落系统

支架卸落系统如图1所示，由等腰梯形形状的上支座、下支座、左支座、右支座组成，左支座和右支座均开有供穿插对拉螺杆的通孔，对拉螺杆贯穿左、右支座，通过对拉螺杆两端锁入螺母将左、右支座固定，对拉螺杆与两端螺母共同组成对拉杆件。通过对拉杆件的松紧来调节上下支座的标高，从而达到快速调节标高和支架卸落的目的。支座的承载能力主要依靠承力坡及对拉杆件强度的确定[2]，可以分块段现场拼装，通过对拉杆件实现支座顶部标高的调节。

2 利用TRIZ解决问题

2.1 工程系统及组件

工程系统是指能够执行一定功能的系统，一般来说，其指的是我们整体的研究对象[3]。根据工程系统定义，对内部组件进行分析，如表1所示，组件包括上支座、下支座、左支座、右支座、对拉螺杆、左螺母、右螺母，超系统组件为人、钢管立柱、上部钢梁。

支架卸落系统改进的目的为：提高现有支架卸落系统的承载和卸落能力，增大支架卸落系统的安全性、可靠性、灵活性、经济性。支架卸落系统现存的主要问题为：承载能力较低、安全性较低。对改进后的系统的要求为：能承受更大的竖向荷载、安全可靠、保证调节高度。

2.2 功能分析

功能分析是一种分析问题的工具，专用于识别系统和超系统组件的功能、特点及其成本。功能分析分为三部分，即组件分析、相互作用分析和功能模型[4]。针对支架卸落系統定义及描述对相互作用进行分析，相互作用分析的输出是一个相互作用的矩阵，如表2所示。对这些阻件进行两两分析，看它们是否有相互作用，即是否有接触，如果有相互接触，则在矩阵单元中以“+”标记，没有则以“-”标记。

分析完组件之间的相互作用之后，进行功能建模，功能是指一个组件改变或保持另一个组件的某个参数的行为，功能存在的三个条件分别为：功能的载体和对象都是组件；功能载体和功能对象之间必须有相互作用，即两者必须相互接触；功能对象至少有一个参数由于相互作用发生了改变或保持。功能分为有用功能和有害功能，有用功能指与期望方向一致的功能，有害功能指与期望方向相反的功能。其中有用功能根据性能水平分为正常功能、不足功能、过量功能[5]。

功能分析时，对表2中每一个有“+”的单元进行分析，并对分析出来的每个功能进行判断，判断这个功能是有用的还是有害的，对每个功能分析完之后，进行建模，其中超系统组件用六边形框，目标使用圆角方框，系统组件用直角方框，功能为有害则为曲线箭头，性能水平正常则为直线箭头，性能水平不足则用虚线箭头，性能过量则用在直线箭头上加多条与指向线垂直的短横线的箭头，功能模型如图2所示。

在支架卸落系统功能模型中，系统内组件与超系统组件之间的功能一般为支撑、限制、移动、挤压作用，具体为钢管立柱对下支座、下支座对左右支座、左右支座对上支座、左右支座对对拉螺杆、上支座对上部钢梁有支撑作用，左右螺母分别对左右支座有限制作用，对拉螺杆与左右螺母之间有限制作用，左右支座对左右螺母分别有挤压作用，上部钢梁对上部支座有挤压作用，人通过旋转螺母对左右螺母有移动作用。按照改进目的，可明确现有系统中上支座对上部钢梁的支撑作用是不足的，对拉螺杆对左右螺母的限制作用是不足的，左右支座对螺母的挤压作用是有害的，上部钢梁对上支座的挤压作用是有害的。

根据功能模型对功能缺点进行汇总，并提出可能解决的方案，如表3所示。

根据功能模型对系统进行剪裁，裁剪左右支座，将左右支座对上支座的支撑作用分配给下支座，将左右支座对对拉螺杆和螺母的作用分配给上下支座，剪裁后的方案1如图3所示，可通过对拉杆件的松紧使三角形块产生相对位移，直接调节了上支座的标高，从而达到快速调节标高和支架卸落的目的。系统虽得到了简化，但是卸落能力和安全性并未得到提升。

再次对系统进行剪裁，裁剪掉螺母、对拉螺杆，让系统外新组件调整块实现螺母与对拉螺杆相互组合的限制上下支座位移的功能，形成的方案2如图4所示。通过调整上支座和下支座之间的调整块的数量，使上下支座之间产生相对滑动，从而调整上支座的标高，且拆除全部调整块后，上支座与下支座的接触面构成自锁结构，从而使结构稳定，较好地提高了支架卸落系统的承载和卸落能力，安全性也有了较大提升。

2.3 因果链分析

因果分析法可以形象、直观地将问题以及原因串联起来，从而根据因果分析图，发现问题产生的根本原因[6]，进而寻找解决问题的关键点和突破口。在支架卸落系统中，限制承载和卸落能力并影响安全性的主要原因是螺杆与螺母连接的破坏，设定初始缺点为螺栓连接损坏，然后进行分析，因果链分析模型如图5所示。

根据因果链分析模型和支架卸落系统的实际情况得知，关键缺点为螺杆与螺母的强度、硬度不够、受力过大。通过将关键缺点转化为关键问题，并从关键问题出发挖掘存在的矛盾形成解决方案，形成的对应解决方案如表4所示。方案6如图6所示，方案6通过将上下左右支座的接触面处处理成圆弧阶梯状，改变了原有支座内部受力形式，将上支座的力直接传递到下支座，使对拉杆件受力减少，增加了支架卸落系统的承载与卸落能力，安全性也得到了保证。

2.4 矛盾分析

通过前面的分析结果可以发现，为了提高螺杆和螺母的强度，会提高制造精度，增加成本，这在 TRIZ理论中是一个技术矛盾，根据矛盾矩阵，推荐使用局部质量原理进行求解，可以通过增加螺母与螺杆的连接处的局部强度，采用表面淬火或者局部采用优质的合金材料来解决（方案7）。螺母与螺杆的数目需要增加，因为要减少单个螺母与螺杆受力以提高系统承载能力，但是螺栓与螺杆的数目需要减少，因为增加数量会增加系统的复杂性，对螺杆与螺母的“数量”参数而言，这是既要“多”又要“少”，形成了物理矛盾，基于条件分离中的合并原理，可以通过方案3解决。

2.5 方案分析与评价

通过对支架卸落系统组件、功能、因果链、矛盾等进行分析，得到了7种解决方案，此外还可通过资源分析、物场分析等得到相关的解决方案，比如在螺母与螺杆之间加入钢丝螺套以消除螺纹制造误差，提高连接强度。通过运用TRIZ理论得到的7种方案，不仅可以单独应用还可以组合使用，比如方案3与方案4组合，方案3与方案5组合，方案3与方案4与方案5组合等，形成更多的方案。在上述方案中，方案2、方案3、方案4、方案5、方案6的适用性比较广泛，部分已在实际工程中得到了应用，方案2和方案6的具体应用案例较少，但理论效果较好，实际适用性还需要加以验证。

3 结语

通过运用TRIZ理论，对支架卸落系统进行了改进，得到了多个可行性方案，对提升支架卸落系统的承载和卸落能力，提高支架卸落系统的安全性、可靠性、灵活性、经济性有积极的作用和一定的创新性。通过系统的分析，能在较短时间内提出多个解决方案，体现了TRIZ理论在解决问题上具有快速、准确、高效的特点。但在实际应用中，除达到改进目的外，还应注意方案的适用性与经济性，根据现场实际情况综合考虑进行比选，选择最优方案，方能增强创新方法在桥梁施工及智能建造领域施工中的生命力。

参考文献：

[1]刘丽，陈海周，解伟民， 等. TRIZ理论在立式冷藏展示柜噪声改进中的应用[J].科学技术创新， 2020（27）：172-173.

［2］刘磊.桥梁支架卸落装置浅析[J].赤子，2019（21）： 164-165.

［3］孙永伟.TRIZ——打开创新之门的金钥匙（六）[J].家电科技，2013（9）：32-33.

［4］李培培，刘雷.基于TRIZ的冰箱温度控制分析研究[J].日用电器，2022（11）：121-124.

［5］周东亚，金燕，朱宏轩.基于TRIZ理论的榨汁机创新设计研究[J].包装工程，2023，44（8）：402-411.

［6］林岳，史晓凌.创新思维与问题分析方法：“TRIZ理论”及其创新方法知识介绍[J].中小企业管理与科技，2013（25）： 294.

（責任编辑：张双钰）

基金项目：湖北省创新方法推广应用基地服务能力建设项目（2020IM020800）

作者简介：谭健（1996-），男，中铁大桥局第七工程有限公司助理工程师，研究方向：桥梁工程。