金文栋，杜桂贤

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

发明问题解决理论（TRIZ）是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller，1926～1998） 于 1946年创立的理论。TRIZ是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，其基本原理是技术系统在消除内部冲突的进化过程中遵循的客观规律，曾经被称作前苏联的“国术”和“点金术”。TRIZ指出：产品及其技术的发展总是遵循着一定的客观规律，解决发明问题过程中所寻求的科学原理和法则是客观存在的，大量发明面临的基本问题和矛盾（技术矛盾和物理矛盾）也是相同的，同样的技术创新原理和相应的解决问题方案，会在后来的发明创新中被反复应用，只是所属的技术领域可能不同，因此，提炼和重组已有的知识，形成1套系统化的理论，可以指导后来的发明创造、创新和开发，从而能动地进行产品设计并预测产品的未来发展趋势。对于工程设计人员而言，产品的创新设计过程就是不断解决其存在的基本问题和矛盾的过程，而TRIZ正是工程设计人员在产品创新设计过程中最有用的工具之一。

本文通过应用TRIZ中的部分工具体系，提出了1种具有3工位工作的作动筒结构，并在TRIZ的指导下对方案进行了优化，最终得到1种适用于工程实际的方案结构。

1 3工位作动筒创新设计

TRIZ体系是以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学和思维科学的分析和研究成果为根基和支柱，以技术系统进化法则为理论基础，以技术系统或技术过程矛盾、资源、理想化为4大基本概念，包括了解决工程矛盾问题和复杂发明问题所需的各种分析方法、解题工具和算法流程。利用ARIZ解决具体问题的思路如图1所示。首先将1个待解决的具体问题转化并表达为TRIZ的问题模型，利用TRIZ中的工具获得解决方案模型；然后针对具体问题，应用专业知识将TRIZ的解决方案模型转化为具体问题的最终解决方案。这种解决问题的模式比以往靠“经验法”、“试错法”、“头脑风暴法”等传统创新方法来的更快、效率更高；同时，缩小了解决问题的思路方向与最终理想解的偏差，使创新变得容易，比直接利用专业知识求解的效率更高，而且最终解的质量也更高。下面以3工位作动筒的创新设计为例进行介绍。

图1 TRIZ解决问题的思路

1.1 现有作动筒存在的问题

传统的航空发动机可调喷管一般由液压作动筒控制，当作动筒活塞杆处于两端机械限位时，对应喷管面积也处于1个机械最大或最小位置。液压作动筒结构如图2所示。从图中可见，在活塞杆完全伸出时处于1个机械限位位置，其收回时处于另外1个机械限位位置，而当喷管需要在中间某一特定位置长时间停留时，则无法实现机械限位，只能通过位移传感器给出位移信号，然后由控制系统操纵作动筒来实现，这就使得喷管结构、控制及整个技术系统复杂且经济成本较高。为使作动筒活塞杆可在中间某一特定位置实现机械限位，而不需要其余复杂的位移信号及控制系统，需设计1种具有3工位工作的作动筒结构。

图2 传统液压作动筒结构

1.2 基于TRIZ的问题分析

图3 利用TRIZ解决问题的流程

TRIZ的解题模式如图3所示。TRIZ中问题模型的建立与其工具都有1套完整的理论体系。对作动筒进行功能分析发现，该作动筒缺乏无法实现在中间特定位置机械限位的功能。对该非结构化问题，利用TRIZ中的物场模型和标准解法，建立该待解决问题的问题模型，并得到相应的解决方案模型，如图4所示。在建立的物场模型中，作动筒对于发动机喷管而言存在1个不充分的作用，即不具备在中间特定位置机械限位的功能，通过物场模型的标准解，必须在作动筒系统中引入1个新的组件，以实现该功能。

F1—机械场；S1—喷管；S2—作动筒；S3—新组件； —不充分作用

1.3 应用TRIZ工具得出的创新方案

在TRIZ体系中，ARIZ是解决发明问题的完整算法，是指对1个初始问题进行了一系列变形再定义等非计算性的逻辑过程，集成了TRIZ体系中大多数的观点和工具，实现对问题的逐步深入分析和转化，最终解决问题。该算法强调问题矛盾与理想解的标准化，一方面技术系统向理想解的方向进化，另一方面如果1个技术问题存在矛盾需要克服，则该问题就变成1个创新问题。利用ARIZ算法解决创新问题的流程如图5所示。

图5 ARIZ算法解决创新问题的流程

针对作动筒缺少中间机械限位的初始问题，利用ARIZ解题主要步骤如下。

（1）最小问题选定。通过对该技术系统矛盾的定义与分析，根据现有作动筒结构特点，需引入1个新的组件，使其能够实现作动筒中间特定位置机械限位的功能；同时，要求对现有结构不做大的改动。

（2）问题模型分析。在作动筒系统中，活塞杆可实现作动筒两端机械限位的功能，为使作动筒能实现中间特定位置的机械限位，引入1个新的活塞杆，利用其功能，即可实现作动筒中间位置机械限位功能。

（3）最终理想解和物理矛盾。在作动筒系统中引入1个新的活塞杆，可实现作动筒3工位要求，又不会丧失原作动筒功能。为了实现作动筒中间位置机械限位功能，新引入活塞杆限位位置必须位于作动筒中间，而为了使作动筒原两端机械限位功能不丧失，新引入活塞杆限位位置又不能位于作动筒中间。对此，需要思考如何使新引入的活塞杆限位位置既能位于作动筒中间，又不能使作动筒原两端机械限位功能丧失。

（4）物理矛盾去除方法。调动和使用物场资源，用“小人法”模拟，并利用物场资源，充分考虑第3步提出所需解决的问题，用作动筒系统中“空间＋物质”的组合资源，初步得到1个技术方案，如图6所示。在该技术方案结构中，原作动筒活塞杆位置未发生变化，其机械两端的机械限位方式也保持不变。新引入的活塞杆位于作动筒右侧，并相应增加1个容腔，当作动筒需要在中间特定位置限位时，其左端和中间油路同时进油，对每个活塞杆而言，其有杆腔与无杆腔之间始终存在1个压力差，使得左端活塞杆向右移动，而新引入活塞杆向左移动。当2个活塞杆顶靠在一起时，由于新引入活塞杆有杆腔面积大于原活塞杆的，虽两端压力相同，但新引入活塞杆向左的作用力始终大于原活塞杆向右的，此时2个活塞杆同时向左移动，当新引入活塞杆上限位螺母与作动筒中间部分顶靠在一起时，实现机械限位，而新引入活塞杆向左移动的距离即为原活塞杆所需中间机械限位位置。

（5）分析已得到的方案。由第4步所得出的初步技术方案可知，新引入的活塞杆不但实现了作动筒中间机械限位的功能，同时原活塞杆的功能也没有被破坏，基本上解决了该作动筒技术系统存在的矛盾，实现了初始问题的顺利解决。

由上述ARIZ算法主要解题步骤可知，该算法具有优良的操作性、系统性、实用性以及易流程化等特性，成为TRIZ理论的重要支撑，对于解决那些问题情景复杂、矛盾不明显的非标准发明问题，可行且有效。

图6 3工位作动筒初步方案

2 应用TRIZ工具进行方案优化

上文描述的初步方案虽然有效，但距工程应用依然有一定距离，主要表现在结构比原作动筒的复杂，不便于维修。为此，必须在该方案的基础上进行优化设计。应用TRIZ工具优化方案的主要步骤是，首先对该方案用TRIZ术语定义其存在的技术矛盾，然后利用TRIZ工具解决。在TRIZ工具体系中，技术系统中出现的绝大部分技术矛盾可用39个通用技术参数来定义，然后利用矛盾矩阵找出相应的创新原理，对技术矛盾加以解决。

在现方案中，要解决的主要技术矛盾是指作动筒系统的复杂性与可维修性之间的矛盾，优化的目的在于改善系统的复杂性，由此根据矛盾矩阵，可利用40个创新原理中的分割和反向作用原理来优化该方案。在得到的初步方案中，系统过于复杂的原因主要是：为使新引入的活塞杆起到应有作用，而同时原活塞杆功能不丧失，新引入活塞杆的同时引入了相关辅助功能的零件。利用分割原理，若将原活塞杆一分为二，既可实现新引入活塞杆功能，又可保留原活塞杆功能，则不需要引入更多辅助功能的零件，使系统的复杂性得到改善。优化后的方案如图7所示。在优化后的方案结构中，原作动筒活塞杆左端保留了原活塞杆功能，右端实现了新引入活塞杆功能，其工作原理与初步方案基本相同，惟一变化的是利用分割原理实现了2个活塞杆“共行程”，使整个系统简单化，达到了预期优化目的，可应用于工程实践。

图7 优化后3工位作动筒方案

3 结束语

利用TRIZ创新思想和自身经验与知识，指导整个产品的设计及优化的全过程，不仅肯定了人们的经验和知识，同时提高了整个产品的设计效率，快速实现产品的创新设计；但同时要求设计人员必须掌握一定的TRIZ运用技巧和专业知识。将二者很好地结合是解决问题的关键。3工位作动筒的设计，打破了常规设计的惯性思维，使作动筒获得了新功能，在设计及优化过程中较好地应用了TRIZ理论和专业知识，得到了最终问题的理想解。

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