TRIZ在装备制造业中的应用研究与推广

2014-09-26严文超张江城董喆耿远程段利英

科技与创新 2014年15期

严文超　张江城　董喆　耿远程　段利英

摘要：以TRIZ理论的基本原理和应用方法为理论研究基础，全面、系统地介绍了TRIZ理论及其应用。以宜昌市为例，调研相关装备制造企业对TRIZ理论的认识和引入应用的情况，探究TRIZ理论在地区制造企业的宣传和推广策略，研究TRIZ理论在企业中的实践应用方法。

关键词：TRIZ理论；装备制造；创新方法；研究

中图分类号：F273.1 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0047-02

TRIZ理论是基于知识的创新方法论，是发明问题解决理论，由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒创立。TRIZ作为指导创新的强大理论工具，可以有效地引导人们突破思维障碍，以新的视角分析问题，快速找到解决问题的方法。国家科技部近年来在科技系统中大力推广TRIZ创新问题解决理论，特别是在装备制造企业中的推广和应用，使专业技术人员了解创新问题的解决理论，并掌握先进的创新思维方法、有效的创新手段和创新工具，提高产品的创新、设计能力。

1 TRIZ理论介绍

TRIZ的主要目的是研究人们在进行发明创造、解决技术难题的过程中所遵循的科学原理和法则，它是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统。利用该理论可以使创新成为具有预见性的过程，可以提高创新的成功率和缩短解决问题的周期。目前，TRIZ理论已成为产品设计中解决技术创新问题最有力的工具。TRIZ是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，其主要内容包括技术系统进化法则、40个发明创造原理、39 项技术特性、矛盾矩阵、物质—场分析、76个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法和工程效应知识库等。在TRIZ中，解决物理矛盾有11种分离方法，可将其归结为4大分离原理，即空间分离、时间分离、基于条件的分离和系统级别分离。TRIZ通过中间工具建立了问题模型和解决方案模型之间的联系，是一种程式化的创新设计方法。TRIZ具有良好的学习性、继承性和操作性。

2 TRIZ在我国的研究现状与推广应用

2004年，TRIZ国际认证进入中国，中国开始教育与行业应用探索。TRIZ 理论经过半个多世纪的发展、完善和与其他先进创新理论方法的集成，已经成为了一套解决新技术、新产品开发实际问题的成熟理论和方法体系。它是以其良好的可操作性、系统性和实用性在全球的创新和创造学研究领域占有独特的地位。现在，TRIZ理论在俄罗斯、美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区受到了高度重视，其研究与应用获得了一定程度的普及和发展，大大提高了创新的效率，并且已为众多知名企业获取了显著的效益。TRIZ理论在我国的引入和发展比较晚，目前正在企业和教育系统中被快速推广，已在黑龙江、江苏等地区首批试点。本文的研究符合我院内涵发展的需要，符合本地区装备制造业创新发展的需要。

3 TRIZ在装备制造业中应用研究

TRIZ方法不是针对某一具体的机构、机械或过程进行的，而是建立在思考问题、解决问题过程中的科学化依据。经过50多年的研究，TRIZ已经成为了一系列的方法和工具，特别是提出了矛盾矩阵与创新原理、标准解、系统裁剪法等。同时，在机械产品创新设计过程中，还存在物理冲突和技术冲突，这使得设计过程成为一个具有创新性特征的问题解决过程。而创新设计从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题并解决问题的过程，TRIZ理论最强大的作用在于它为此提供了系统的理论和方法工具。在机械产品创新设计中，主要将其应用在机械产品的概念设计中，技术冲突的解决是技术创新的关键。

3.1 基于TRIZ的机械产品创新设计实例

工作台中的蜗轮、蜗杆副传动系统是插齿机中的一个核心部件，它的主要功能是实现工作台主轴带动工件的圆周旋转运动，它与刀轴的圆周同步性将影响到切削零件的圆周分度。然而，在加工和装配的过程中会出现一系列问题，无法准确控制蜗轮副在加工过程中传动间隙，因此，要通过配磨一个调整垫的厚度才能将间隙控制在技术要求的范围内。加工一段时间后，由于蜗轮副之间的磨损，间隙也会逐渐增大，同时，随着温度的变化，间隙也会发生变化。通常，间隙是配磨调整垫调节出来的，在很大程度上依赖于工人的操作水平，人为因素太大，不能保证机床出厂的一致性。间隙和传动的不稳定性会影响加工零件尺寸和精度，这样就很难满足用户所要求的机床CMK.根据TRIZ的问题解决方法可以选择TRIZ系统裁剪法。

TRIZ理论中的系统裁剪法是裁掉技术系统中的某些组件但要保留这些组件有用功能的一种方法。采用该方法的目的有：①精简组件数量，降低系统成本；②优化功能结构，合理布局系统架构；③体现价值功能，规避竞争对手专利；④清除过度、有害、重复的功能，提供系统理想化程度。

系统裁剪法的步骤如下：①确定系统裁剪的对象，裁剪前分析组件的有用功能；②构建理想化的组件模型，裁剪后保留有用功能的组件模型；③提出问题，寻找解决方案，解决裁剪组件后原有组件的功能如何实现的问题。

通过应用TRIZ方法中的组件模型分析和价值分析，从功能共享、问题影响和成本分析几点中可以看出，蜗杆组件处于D区，该组件功能贡献小而问题影响大、成本高；蜗杆轴向调整垫、蜗轮、轴承套等组件位于C区，该组件问题+成本虽然不高，但功能贡献也小。根据理想度诊断分析和应用Pro/Innovator建议，得出以下方案：

裁剪方案一：根据组件价值分析结果，把系统中理想度低的蜗轮裁剪掉了，同时与蜗轮相啮合的蜗杆也被裁剪掉了。不用蜗轮和蜗杆，直接用电机的定子和转子带动主轴和工件的旋转，实现分度功能。

裁剪方案二：在该系统中，蜗轮与主轴连接在一起从而带动工件完成旋转运动，根据组件价值分析对系统中功能比较低的主轴进行裁剪，改变蜗轮的形状来直接带动工件进行旋转运动。

裁剪方案三：在该系统中，蜗杆两端的套对蜗杆的两端起一定的支撑作用。根据组件价值分析结果，对其进行了裁剪，去掉两边的蜗杆套，而将此功能增加到箱体上，以镗孔的方式加工出来，减少因蜗杆套的加工误差而带来的误差问题，进而对系统进行简化，并提高其精度。

为了避免蜗轮蜗杆之间的间隙对传动精度的影响，采用去除间隙的方法提高传动精度，但是，在安装时会有一定的麻烦，即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，如图1所示，从5种组合原理中得到思路，从而制订出改进方案。

改进方案：运用组合原理，利用双蜗轮蜗杆结构形成的相位差消除间隙，进而提高传动精度。这样做，在传动过程中不但可以消除间隙，在安装过程中还可利用间隙进行装配。

依据TRIZ理论，按照TRIZ理论的解题流程，对系统进行建模和分析，主要通过系统裁剪法和矛盾矩阵得出一系列方案，不同程度地提高了系统的传动精度和稳定性，也为部件的设计和改进提供了新的方向。其设计过程是一个从抽象到具体、逐步求精的过程。

3.2 TRIZ在装备制造业中的引用价值

Rockwell Automotive公司针对某型号汽车的刹车系统应用了TRIZ理论进行创新设计。通过TRIZ理论的应用，刹车系统发生了重要的变化，系统由原来12个零件缩减为4个，成本减少了50%，但是，刹车系统的功能却没有明显变化。福特汽车公司遇到了推力轴承在大负荷时出现偏移的问题，应用TRIZ理论后，提出了28个问题的解决方案，其中一个非常吸引人的方案是：利用小热膨胀系数的材料制造这种轴承，最后很好地解决了推力轴承在大负荷时出现偏移的问题。德国进入世界500强的企业，比如西门子、奔驰、大众和博世都设有专门的TRIZ机构，对员工进行培训并对该理论进行推广和应用，取得了良好的效果。

装备制造业的发展水平反映了一个国家在科学技术、工艺设计、材料、加工制造等方面的综合配套能力。从我国国民经济发展“十一五规划”中期开始，装备制造业就进入了又一个快速发展的周期。随着制造行业的迅速崛起，数控机床、加工中心、自动生产线等高自动化程度的制造生产设备应用日益广泛。在宜昌市委办公室、宜昌市政府办公室于2013年发布《关于促进先进装备制造产业加快发展的实施意见》中，明确发展猇亭汽车产业园、东山机械制造产业园、电子信息产业园、夷陵电工电缆产业园、白洋船舶配套产业园、江南机械制造产业园6大产业园。在这一大形势、大背景下，增进企业的创新意识，推广先进的创新理论方法可以有效保持企业的成长活力和核心竞争力，进一步促进本地区经济的发展。

3.3 TRIZ的应用现状与推广建议

近10年来，宜昌市装备制造业取得了迅猛的发展，目前，已建立了6大产业园，正在打造千亿装备制造业。大多企业靠自身的核心技术和行业特点处于国内先进水平，典型的有中船重工、黑旋风、长江机床、燕狮科技、五环钻具和仝鑫连杆，等等。但是，在技术创新上，与国外企业还存在很大差距，尤其是在关键技术等方面还有待持续突破。随着机械市场的日趋完善和国外企业逐步形成的专利技术壁垒，简单的模仿创新已不能适应未来发展的需求。企业的发展离不开核心竞争力，需要与市场需求相适应的创新技术。

湖北省引入TRIZ理论培训的时间相对较晚，2013年开始在试点企业中进行培训，目前，已成功推出TRIZ理论应用示范企业的有7家，宜昌市有2家。调研发现，宜昌市大多装备制造企业还未引入这一先进的创新方法和工具，很多企业甚至从未听说过TRIZ。笔者先后进入中科恒达、五环钻具、天池机械、中南精密钢管、仝鑫机械等十余家企业进行专业调研，调研发现，大多企业技术人也没有接触过这一理论。这一现状也在一定程度上反映了我国TRIZ理论的推广现状。

对于宜昌市的装备制造业而言，产品更新是继续保持领先的竞争基础，引入先进的创新方法十分必要。经过深入调查，总结引入、推广TRIZ理论的有效策略如下：①各大装备制造企业需要认识和引进TRIZ理论、软件工具。邀请专家在企业进行TRIZ技术讲座，介绍TRIZ的强大功能和基本思路，使员工了解TRIZ理论。对技术人员进行由初级到中级的TRIZ技术培训，目前，国内已有专业的研究公司（比如亿维讯）。这类培训可以和公司的机械产品紧密联系起来，以专利为背景；购买相应的软件工具，为设计人员提供TRIZ应用平台。②企业可以应用自己的产品建立TRIZ应用模板。企业可与高校合作，成立TRIZ理论研究中心，深入研究TRIZ理论。以新产品设计为课题，应用TRIZ的解题流程和方法进行产品创新设计，将整个过程建立成模板、范例。对于技术人员来说，鼓励其在设计过程中积极应用TRIZ理论工具，并申报专利。例如，五环钻具的潜孔充气钻在行业中处于领先地位，可以以某个规格的产品进行创新设计，应用TRIZ理论解决设计中的问题，并以此作为模板。③建立可行的机制，定期开展技术交流和培训。企业可以根据自身情况成立TRIZ小组，集中进行在线学习和小组讨论。小组成员以自己的应用实例为题进行成果汇报，在讨论中学习、交流，促进产品的创新设计。

4 结束语

TRIZ理论可以使创新成为具有预见性的过程，可以提高创新的成功率，缩短解决问题的周期。现在，该理论已经成为产品设计中解决技术创新问题最有力的工具。TRIZ理论的推广、应用将积极增强装备制造业的创新能力，提升企业的核心竞争力。对于宜昌市中小型企业而言，引入TRIZ理论可以缩短产品的更新开发时间，在有限资金的投入下，提升产品的质量与性能。同时，政府和科技部门应进行适当的政策引导、支持，可以有效促进TRIZ理论在装备制造业中的发展，这也与宜昌千亿装备制造产业的规划相适应。

参考文献

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