自行车的应用

1.自行车的应用自19世纪初人们发明了自行车以来，自行车经历了多次改进[2]。最早的自行车没有中轴和脚蹬，为了提高速度先增加了车蹬，又增加了充气轮胎。后来，又从变速装置、材质、结构形式、动力驱动系统等方面进行了改进，形成现在自行车多样性。其中，每一次改进都是利用技术的发展解决了自行车自身系统中产生的矛盾。现在虽然汽车时代已来临，但并不表明自行车会退出社会的舞台。随着人们生活节奏的加快，各种各样的需求也越来越多。经过调研发现，出门在外的旅行者及居址距离公交车站有一定距离的上班族，都会遇到相似的问题——在一段距离上存在着交通覆盖的空白。那么就需要这样一种自行车：它体积小且轻便，便于携带与收藏，可以方便人们携带乘坐其他交通工具。以至于发展到自行车可以成为人们随身携带的物品，以解决自行车作为一种个体的交通工具与公共交通之间的互补性及延续性[3]。这是一个典型的管理矛盾。要解决这一管理矛盾，首先要将它转化成技术矛盾，并且要准确地定义这个技术矛盾，即在减小自行车体积的同时不改变它使用时的基本形态，保证它的强度、稳定性和使用可靠性。那么，需要改善的技术参数为自行车的静态体积，因这一改变而恶化的技术参数为自行车的形状和结构的稳定性、强度、可靠性这4个参数。查阅TRIZ矛盾矩阵表得到表1。表1.自行车创新设计解决方案矩阵表从表1中看到，解决这个问题可以从2，7，14，15，16，17，28，35，40号解决方案中找到方案。查阅TRIZ理论解决矛盾的40个标准方法，得到：2．抽出：①从物体中抽出产生紊乱的部分或属性；②从物体中抽出必要的部分或属性。7．套叠法：把一物体嵌入另一物体，然后再嵌入另一物体中。14．曲线、曲面化法：①将直线、平面变成弯曲的形状，将立方体变成椭圆体；②使用滚筒、球状、螺旋状；③改直线运动为回转运动，使用离心力。15．动态法：①自动调节物体，使其在各动作阶段的性能最佳；②将物体分割成既可变位又可相互配合的数个构成要素；③使不动的物体可动或相互交换。16．部分超越法：所期望的效果难以100％实现时，在可以实现的程度上加大动作幅度，使问题简化。17．多维法：①将做一维直线运动的物体变成二维平面运动；②单层构造的物体变为多层构造；③将物体倾斜或侧向放置。28．机械系统的替代法：①用光学系统、听觉系统、嗅觉系统取代机械系统；②使用与物体相互作用的电场、磁场、电磁场；③场的取代：④可变场与恒定场相取代，⑥固定场与随时间变化的可动场相取代，@随机场与恒定场相取代；③把场与强磁粒子组合使用。34．自生自弃法：①当作用完成后，物体本身不再有用时，物体中的一部分自动消失或在操作过程中自动调整；②物体中用过的零件应在工作过程中莺新发挥作用。35．性能转化法：改变物体的凝聚状态、密度分布、可挠度、湿度等。40．复合材料法：用复合材料替代单一材料。以上这些方法是解决静止物体体积的一般性解决方法。但作为自行车在普遍性的基础上，又有其特殊性。根据TRIZ理论中的系统完备性法则对自行车系统进行全面的认识，在这个系统中包含了动力装置、传动装置、执行装置和控制装置：动力装置——脚蹬，把人的生物能转化为机械能；传动装置——链条、轴承、齿轮，传递机械能；执行装置——车轮，滚动使车行驶；控制装置——车把、脚蹬和车闸，控制方向和速度。进而，又将自行车的系统分为子系统进行考察和研究，对得到的9个标准解决方法进行评价和筛选。再根据产品创新设计中经济、美观、实用的原则，利用第7，15，17，40号解决方案，参考市场调研的结果，进行具体方案的设计与开发。对车把、脚蹬、车轮等部分进行折叠处理，车梁和车座进行套叠设计，改变使用的材料等，最终形成新的设计方案，如图5所示。图5.箱式折叠自行车设计效果图该设计获得了第10届全球自行车设计比赛优秀设计奖。自行车展开时可以正常使用，不用时能折叠成可以拉或提的箱子，随身携带或放置均可。解决了人们生活中的实际需要。5结论TRIZ理论将创新思想进行了科学化的整理与提炼，是产品创新设计的有效开发工具。利用TRIZ理论可以大大缩短新产品设计开发的时间，全面地解决矛盾和问题。但并不意味着有了TRIZ理论就有了一把万能的钥匙。应用TRIZ理论时，应根据具体的问题进行具体研究和分析，在TRIZ理论给出的一般解的基础上，利用特定的知识和经验去发掘需要的解决方案2.扳手应用我们通过一个实例看一下是如何应用创新原理解决实际问题，实现创新的。生活中我们常用扳手拧紧或者松卸螺栓，这时经常会出现螺栓棱角被磨损的问题。为了方便地拧紧或者松动螺栓，又不损坏螺栓，我们采取的方法一般是通过减小扳手卡口和螺栓的配合间隙，增加螺栓的受力面，来减少对棱角的磨损。但结果是提升了制造精度，提高了制造成本。要解决这样一对矛盾，可以用39个技术参数中的两个来描述该矛盾。通过矛盾矩阵我们就可以找到对应的创新原理，如增加不对称性，空间维数变化等。那么应用其中的空间维数变化原理，我们就会有这样一个解决方案：在扳手卡口内壁开几个小弧。因为经过分析我们知道，扳手之所以会磨损螺栓，就是因为作用力都集中在棱角上，是作用在一条线上，现在经过增加几个小弧，使作用力加到螺栓的棱面上，有效地解决了棱角磨损问题（图1）。这项技术已经成为美国的一项专利（图2），美国的METRINCH公司基于这项技术开发出一系列扳手，获得了巨大利润。通过上面的例子可以看出，经过深入分析，螺栓被扳手磨损的问题被定义为TRIZ理论中的典型矛盾，结果应用创新原理使得问题得到有效的解决，就像求解数学题一样，整个解决过程变得有序和可操作，大大提高了创新问题的解决效率和质量。3漏风控制系统的改进2.1.1问题描述空气预热器的漏风率是一个重要的考核指标，历来受到空气预热器的设计和运行人员的重视。随着机组的大型化，空气预热器转子的变形量变得很大，如1000MW机组的空气预热器转子热变形量可达50～60mm，这时就需要配置漏风控制系统，比较普遍的是采用热端间隙跟踪装置。经过十几年的发展，目前采用微动触发传感器作为信号源，控制扇形板的升降，以达到控制径向间隙的作用，从而降低空气预热器的漏风率。但是，这套系统维护工作较多，并且对运行人员的操作水平有一定的要求。根据以上的情况，可以考虑采用物-场分析法，应用76个标准解来解决此问题。2.1.2系统分析采用间隙跟踪装置的漏风控制系统中，控制单元(PLC或DCS)根据微动触发传感器的信号，来控制提升装置电机来调整扇形板位置。这里可将提升装置电机指定为物体S1，将控制单元指定为物体S2，将触发信号的信号场指定为场F。通过分析该系统，发现物体S1、S2无法改变，可以考虑改变场F。这里的F为微动触发传感器的信号场，正是采用了这套装置，增加了系统的复杂性，使维护量增加，运行难度增大。2.1.3改进系统经过分析空气预热器转子的变形规律，我们发现转子的变形量是一个温度的函数，因此我们除了用传感器获得转子的位置之外，也可以通过测量烟气温度，经过计算获得转子的变形量，而这个计算过程在控制单元中可以很容易的实现。因此，应用76个标准解中的第15条和第16条，我们可以在预热期中安装热电偶等获得烟气温度信号代替触发传感器的信号，这从本质上来说是采用电磁场代替了机械场。也可以将新的电磁场与原来的机械场并联以提高系统的可靠性（如图3）。图3改进后的漏风控制系统再应用标准解法第5级中的17个标准解法来进行简化，我们可以发现，在整个锅炉系统中，有大量的烟气温度测量装置，我们可以选取其中有用的信号来代替安装热电偶等测温设备，从而进一步简化了这一改进系统。大大降低了系统的运行和维护难度。2.1.4应用方法总结应用标准解法，首先要确定所面临的问题是属于哪类问题，是要求对系统进行改进，还是要求对某件物体有测量或探测的需求。如果面临的问题是要求对系统进行改进，则建立现有系统或情况的物-场模型。如果问题是对某件东西有测量或探测的需求，应用标准解法第4级中的17个标准解法。获得了对应的标准解法和解决方案后，检验模型是否可以应用标准解法第5级中的17个标准解法来进行简化。在应用标准解法的过程中，必须紧紧围绕系统所存在问题的最终理想解，并考虑系统的实际限制条件，灵活进行应用，并追求最优化的解决案。很多情况下，综合应用多个标准解法，对问题的解决彻底程度具有积极意义。4空气预热器导向轴承结构改进2.2.1问题描述空气预热器中心轴上部有导向端轴和导向轴承。导向轴承就位于导向轴承座中，内圈通过套管和导向端轴固定。套管顶端为锥形，通过锁紧盖和若干锁紧螺栓压紧，与导向端轴顶端的锥形部分紧密配合，配合面的摩擦力即可保证该传动结构的平稳运行，参见图4。但是，套管和导向端轴上的锥形面加工精度要求很高，制造难度比较大，一旦达不到标准，很容易造成摩擦力不够，传动失效，甚至损坏设备。图4传统的导向轴承结构此问题属于技术特性的改进，可以考虑应用冲突矩阵的方法解决。2.2.2确定冲突及相关技术特性在这个实例里，我们希望导向端轴和套管的制造难度降低，通常可以采用降低制造精度、改锥形为圆柱形等来实现。但是如果采取这些措施，导向轴承传动所需的摩擦力就很难得到保证，设备变得更容易受到损坏。由此，参照表1，可以确定我们希望改善的技术特性为“32可制造性”，而“30物体对外部有害因素作用的敏感性”变坏了。这正是这一事例中的技术冲突。2.2.3消除冲突确定了引起冲突的技术特性后，我们可以对照冲阿奇舒勒编制的标准冲突矩阵（参见表3），采用矩阵给出的从40个创新原理中（参见表2）选出的原理解决本实例中的技术冲突。表3TRIZ冲突矩阵表在TRIZ冲突矩阵中，X轴代表变坏的技术特性，Y轴代表希望改善的技术特性分别对应于表1中的工程参数。这里选取X轴“30物体对外部有害因素作用的敏感性”，选取Y轴“32可制造性”，由此从表3中得到解决方案“24，2”即表2中的序24和序2刨新原理：(1)表2中序号24“中介”：(a)用一个中间物体来转移或采取某种行动。(b)暂时把一个物体与另一个易于运动的物体连接起来。实例；为减少电流通过液体金属的能量损失，就要引入冷却电极和较低熔融温度的金属作为中间物。在本例里，我们可以在端轴与套管之间增加1个涨紧联结套（简称涨套）作为中介物。涨套使用时通过高强度螺栓的作用，使内环与轴之间，外环与轮廓产生巨大的抱紧力；当承载负荷时，靠涨套与机件的结合力及相伴产生的摩擦力传递扭矩、轴向力或二者的复合载荷。在采用涨套后，机加工精度要求大大降低。(2)表2中序2“提取”；(a)从一个物体上抽取（去除或分割）有问题的部分。(b)仅仅柚取有用的部分。实例：为了在机场驱鸟，使用录音机来放鸟的叫声（声音从鸟身上分离出来）。在本例里，使用涨套联结后，我们可以从端轴和套管中去除难以加工的锥面特征，从而使难以加工的锥形面变成加工非常简便的圆柱面。制造难度大大降低。最终，我们得到改进后的设计方案，如图5所示。图5改进的导向轴承结构2.2.4应用方法总结在很多设计中，随着我们期望得到的技术特性的改善，都会有部分技术特性变差。应用冲突矩阵简化了我们处理此类问题的过程。首先，确定希望改善的技术特性和随之变差的技术特性，要做到描述准确，界定清楚。可以据此查询冲突矩阵表，得到可以应用的创新原理。最后将创新原理应用到实际问题中来，获得新的设计方案。3结论与展望随着社会的不断发展，作为重要的发电系统设备之一，空气预热器的设计也不断面临新的课题。虽然产品设计的标准化、系列化、信息化程度不断加深，设计效率与产品性能不断提高，但是在这个过程中TRIZ理论的应用基本上还处于空白阶段。目前用户对空气预热器的要求越来越高，这就需要我们不断的改进产品的设计，努力提高产品的性能。而TRIZ理论不但给我们提供了设计创新的方法，大大提高创新的效率，还能打破传统思想的桎梏，采用全新的设计方案和方法，提高产品各项性能。5TRIZ案例应用：自行车刹车装置设计用于阻止或者减慢自行车速度的刹车装置有很多种。从由于经济或者方便的因素，卡钳式或者杠杆式的刹车是最常见的，操作者压下手柄，刹车就卡住自行车轮缘。这样的刹车装置通常包括由安装在