刘晟杰

（1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，唐山 063012）

滑动轴承因其承载力高、抗振性能好、工作平稳可靠以及寿命长等特点，在选矿设备中得到了广泛应用[1]。它的性能好坏将直接影响设备的可靠性和稳定性，因此对滑动轴承的测试尤为重要[2-4]。随着矿产资源开发工艺的进一步发展，人们对选矿设备的要求越来越高，使得设备结构和使用的工况越来越复杂。现阶段，原有的测试设备已不能满足复杂工况下的测试需求，需要不断对试验台进行创新设计[5-6]。

本文在深入理解发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）[7-8]各工具的前提下，结合现有滑动轴承试验台，提出一种滑动轴承试验台创新设计流程，并运用此方法开展了不同要求下的试验台创新设计探索。

1 基于TRIZ的创新方法

功能分析作为TRIZ中一个重要的分析问题的工具，能够帮助人们系统分析问题情境，快速发现问题本质或者矛盾，更好地从根源上解决问题[9]。技术系统功能的实现，最终会落脚到科学效应上[10]。科学效应是最基础的实现方式。因此，在应用功能和科学效应的基础上提出创新设计流程，如图1所示。先从功能角度出发确定设计目标，通过模块划分分解目标，挖掘功能，寻找目标的关键点，并准确描述定义目标功能，抽象化处理功能定义，以便在科学效应库中检索到更多的科学效应。运用筛选机制筛选检索出的科学效应，选择合适的科学效应产生概念方案并设计结构系统。最后，通过仿真等手段验证方案的可行性，并将方案落地，完成预期设计目标。

2 变载荷滑动轴承试验台创新设计

运用图1流程，针对目前径向滑动轴承试验台的局限性进行创新设计。径向滑动轴承试验台如图2所示，需要测量轴瓦不同位置的油膜压力和摩擦系数，通过压力表人工读取数据。传动方式由电机通过皮带带动试验主轴旋转，电机实现无极调速，调速范围在0～1 000 r·m-1。加载采用机械加载方式，施加0～1 000 N的静态载荷。润滑方式为通过试验主轴旋转带入润滑油进行润滑。

图1 滑动轴承试验台创新设计流程

图2 滑动轴承试验台结构简图

2.1 确定设计目标

设计目标往往是为了满足某一类或者某一种工况下滑动轴承的测试需求，将其实现的功能定义为总功能。该类试验台只能施加静态载荷，没有涉及变载荷的工况，因此将施加变载荷确定为设计目标，使试验台不仅可以施加静态载荷，还能施加任意规律的变载荷。

2.2 划分模块

划分模块是将设计目标实现的总功能分解成分功能，把复杂问题简单化的过程。满足滑动轴承测试需求需要模拟滑动轴承运行工况，实现对滑动轴承支撑、润滑以及加载等功能，并且还需满足能够测量、收集试验数据等条件。因此，将滑动轴承试验台分为机械系统、润滑系统、加载系统、控制系统以及数据采集系统几个部分。该设计目标针对施加载荷的类型，主要对加载系统的结构进行创新设计。

2.3 挖掘功能

挖掘功能是对分功能的细化、分解。将分功能分解到能直接由科学效应实现的子功能，并且判断各子功能间的关系。有些子功能间是And关系，必须满足所有的子功能时，分功能才能满足。有些子功能间是Or关系，满足任意一个即可实现分功能。上述流程与功能间的关系如图3所示。

图3 流程与功能关系

该设计目标针对加载系统，加载部分需要模拟滑动轴承受力情况，实现对滑动轴承施加载荷的功能。但是，载荷的施加位置具有多样性，可以施加在滑动轴承上、试验轴上或者轴承座上。

2.4 功能定义

现代TRIZ对功能的定义为“一个组件改变或保持了另外一个组件的某个参数的行为[11]。”通过“动词+名词”的形式进行描述。在描述功能时，通常采用SVOP模型，S（主语）V（谓语）O（宾语）P（参数）或者主语-谓语-宾语（Subject-Verb-Object，SVO）模型对功能进行刻画。

针对某一种情景、某一种工况往往会对谓语V或宾语O或属性参数P有具体的约束（Constraint）。这些约束是为了满足现实的需求而制定的，通常都是规定的设计要求，因此可采用SV（C）O（C）P（C）或者SO（C）V（C）模型对功能进行描述。

在对滑动轴承试验台加载系统的功能进行描述时，先任意选择一个对象进行描述，抽象化后并不影响科学效应的查找。生成方案时，对不同的作用对象产生的结构会存在差异，再验证合理性。因此，可以将此功能描述为加载机构在静态力或者动态力下挤压滑动轴承。

2.5 功能抽象化

在检索科学效应时，功能定义越精确越具体，所能检索出来的科学效应越少。描述越抽象，检索到的科学效应越多。设计阶段，应查找尽可能多的科学效应，从中得到启发。在抽象化时需要将谓语动词V、宾语O以及属性参数P进行规范化处理。谓语动词V规范化为35个最具有代表性的功能名词，同时把宾语O简化归类为5种最一般形态的物质（场）[8]，如表1所示。属性参数P规范化为36个通用属性为基础的属性参数[8]，如表2所示。

表1 35个规范化功能动作及5类作用对象

具体的抽象化步骤如下。

（1）SV（C）O（C）P（C）模型：主语+谓语（具体动作）（对具体动作的约束）+宾语（具体物质）（对具体物质的约束）+属性参数（具体的属性参数）（对属性参数的约束）。

（2）去除主语S和各约束C，变为VOP模型：谓语（具体动作）+宾语（具体物质）+属性参数（具体的属性参数）。

（3）目前，最常用检索科学效应库的方法是通过功能（VO）或者属性参数（MP）来检索，不同的检索方法对功能定义的抽象化过程也有所不同。第一种，通过功能（VO）进行检索。将描述的属性参数P去除，将谓语V和宾语O进行规范化处理，即VO模型——谓语（规范化动作）+宾语（一般形态物质）。第二种，通过属性（MP）来检索。将宾语O去除，对谓语V和属性参数P进行规范化处理，即VP模型——谓语（规范化动作）+属性参数（规范化属性参数）。

表2 36个作用对象属性参数及对应属性

再将表1中35个规范化功能动作进一步抽象简化为5个更一般话的操作M——变、增、减、测、稳，变为MP模型，即操作（一般话动作）+属性参数（规范化属性参数）。

按照上述步骤，将功能描述抽象化为VO模型（压缩固体）和MP模型（改变力）两种模型。

2.6 查找科学效应库

通过属性MP模型检索科学效应检索到145项科学效应，如声学、汽转球、机翼形、角动量守恒、拱以及阿基米德原理等。

2.7 筛选科学效应

在检索到众多的科学效应中，有些并不能满足工程设计要求，因此需要对这些科学效应进行有效筛选，主要包含以下几个方面：

（1）是否满足功能定义中谓语、宾语或属性参数的具体约束；

（2）科学效应产生条件是否容易实现，以及应用此科学效应产生的结构复杂程度和操作难易程度；

（3）轴承工作的外部环境是否对科学效应实现的功能产生影响；

（4）应用此科学效应产生的成本；

（5）可通过类比方法查找科学效应在其他领域的相似工程应用实例，实现所需的功能，并产生相应的结构；

（6）某些功能的实现不能靠单个科学效应来完成，需要不同科学效应的组合共同实现，因此需将不同科学效应进行组合来实现功能。

根据上述筛选机制，筛选出可能实现功能的科学效应，如离心力、压缩、凸轮、曲轴、形变、偏心轮、电场、液压缸、冲击力、机械力、伪斯特林循环、反作用轮以及辊。

2.8 生成概念方案

分析筛选的科学效应，得到思路启发，拟采用的方案之一是用机械力、凸轮效应形成的概念方案。运用机械力实现对滑动轴承的加载。凸轮根据设计的轮廓曲线，可以带动从动件实现规律的往复运动。运用弹簧可将这种规律的往复运动转化成载荷变化，实现动载荷的施加。

但是，机械凸轮只能实现一种规律的运动，如需改变运动规律，则需要更换凸轮，操作较麻烦。为了解决这个问题，使用电子凸轮，利用构造的凸轮曲线模拟机械凸轮，采用旋变作为位置传感器将位置信息反馈给中央处理器。中央处理器将接收到的位置信号进行解码、运算处理，并按设定要求在指定位置设置并输出信号，从而实现任意规律的运动。

2.9 设计结构

滑动轴承试验台加载系统结构简图如图4所示。滑动轴承座通过4个加载杆与下加载板相连，试验主轴上的编码器将旋转信号传送给伺服电机驱动器，驱动伺服电机按照设定好的运动规律运转。伺服电机通过转向箱带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠通过丝杠螺母带动上加载板上下移动，并通过弹簧挤压下加载板，将载荷施加到滑动轴承座上。

图4 滑动轴承试验台加载系统结构简图

3 仿真验证

通过虚拟样机对加载机构进行运动仿真，验证了实验台可以施加变载荷。将加载机构如图4所示进行连接配合，通过定义伺服电机的角位置变化实现机构运动。由于加载机构是滚珠丝杠通过丝杠螺母带动上加载板移动，并压缩弹簧实现加载，因此可以得到载荷F的计算公式为

式中：F为载荷，N；A为角位置变化量，°；P为滚珠丝杠螺距，mm；n为滚珠丝杠线数；k为弹簧劲度系数，N·mm-1。

角位置变化量A为从初始位置到计算位置时伺服电机转过的角度，初始位置可以根据需要进行设定。由式（1）可知，试验台载荷由角位置变化量A、滚珠丝杠螺距P、滚珠丝杠线数n和弹簧劲度系数k共同决定。当选择好滚珠丝杠型号和弹簧时，式（1）中的P、n、k皆变为常量。此时，载荷的大小只与角位置变化量相关。载荷的变化规律也只与角位置变化的规律相关。

以得到的载荷正弦规律变化为例，最大载荷值不超过1 000 N，周期为4 s，验证实验台可以施加变载荷。

设置好伺服电机初始角位置，滚珠丝杠螺距为7 mm，线数为1，弹簧劲度系数为10 N·mm-1，设置伺服电机角位置变化规律如图5所示，得到载荷变化趋势如图6所示。

图5 伺服电机角位置变化

从图5和图6可以看出，载荷变化的规律和伺服电机角位置变化规律一致。因此，只要合理控制伺服电机输出信号，就能得到期望的任意规律变载荷。

图6 载荷变化趋势

4 结语

以滑动轴承试验台为设计目标，在TRIZ指导下，提出了一套创新设计流程。运用此流程对变载荷施加设计要求，对滑动轴承试验台进行创新设计。经虚拟样机模拟仿真，证明了创新流程和设计方案的可行性。此流程不仅可以启发设计人员从不同领域得到不同的创新方案，还能缩短设计周期，加快创新设计的进程，为滑动轴承试验台创新设计提供了一种探索途径。