基于TRIZ与可拓学的半自动手推叉车设计-广州大学PDF第１５卷第２期 广州大学学报（自然科学版） Ｖｏｌ．１５Ｎｏ．２ ２０１６年４月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ａｐｒ．２０１６ 文章编号：１６７１４２２９（２０１６）０２００７６０５ 基于ＴＲＩＺ与可拓学的半自动手推叉车设计 江帆，方伟中，岳鹏飞半岛bandao体育，王一军 （广州大学 机械与电气工程学院，广东 广州５１０００６） 摘要：针对产品设计过程中存在的问题，将ＴＲＩＺ与可拓学结合，提出一种ＴＲＩＺ与可拓学交叉融合求解方 法：利用可拓学简化问题、提取矛盾、拓展原理，采用ＴＲＩＺ理论获得矛盾的原理解决方案、可拓模型拓展，最后 应用可拓优度评价求解方案．进一步利用这种交叉融合方法求解实际问题：对于现有叉车中液压升降机构液压 油泄露和效率偏低的问题，提出基于卷的半自动手推叉车设计方案，对于卷升降机构中存在的问题， 提出倒圆加强板提高强度，并进行了升降机构的实验验证． 关键词：ＴＲＩＺ；可拓学；交叉融合；矛盾问题；卷升降机构；手推叉车 中图分类号：ＴＨ１１１文献标志码：Ａ 叉车是重要的工业搬运车辆，运用创新设计 方法对其进行创新设计，是叉车产品研发的重要 １ＴＲＩＺ与可拓学交叉融合模式及半 途径． 自动手动叉车设计 ＴＲＩＺ理论和可拓学是重要的创新方法，ＴＲＩＺ 理论揭示了创造发明的内在规律和原理，着力完 ＴＲＩＺ理论与可拓学的结合求解方式通常是顺 全解决系统中存在的矛盾，获得理想解决方 次使用，如先采用可拓学方法找到矛盾，再由ＴＲＩＺ ［１２］ 理论求解矛盾．这种严格规定可拓学与ＴＲＩＺ理论 案 ．可拓学研究事物拓展的可能性和开拓创新 的规律与方法，并用以解决矛盾问题，产生创新思 的使用顺序，对问题求解有很多帮助，但也带来一 路［２３］．国内外有很多学者利用ＴＲＩＺ理论和可拓 些问题，如先后关系固定使得求解过程呆板，无法 处理复杂情况等．因此，本文提出二者交叉使用的 学进行叉车及其相关的设计．如徐家祥利用ＴＲＩＺ 融合模式，其基本流程：针对产品设计中的实际问 理论中的物场分析方法进行了叉车液压转向系统 ［４］ 题，利用可拓学工具进行问题的简化分析，并对矛 的改进 ，吴建勋等将ＴＲＩＺ理论引入到叉车转向 ［５］ 盾进行提取或问题可拓变换，及后面的发明原理 桥的创新设计中 ，杨鸥利用ＴＲＩＺ创新方法找到 拓展分析，及其方案的优度评价；利用ＴＲＩＺ原理 ［６］ 叉车后桥减振可行方案 ，张路军等用ＴＲＩＺ理论 寻求解决矛盾的发明原理，也可直接对可拓模型 和可拓学对叉车液压系统设计中存在的矛盾和冲 进行拓展；使用中不严格规定二者的使用顺序，见 ［７］ 突进行求解 ．ＴＲＩＺ理论与可拓学的融合是创新 图１．该流程根据实际情况调整，如针对产品设计 方法研究热点之一，江帆等将 ＴＲＩＺ理论与可拓 中的矛盾问题，其流程：先利用基元模型将设计中 ［８］ 学融合后用于吸喷嘴的设计中 ，向宇等结合可 遇到的问题进行简化，构建求解模型的物元三要 拓学与 ＴＲＩＺ方法进行膜过滤装置的优化设 素，建立不相容问题模型，找到冲突的矛盾问题； ［９］ 计 ．本文继续就ＴＲＩＺ与可拓学结合方法进行 然后利用ＴＲＩＺ的矛盾矩阵找到可行解；之后再利 创新融合，并用于解决新型半自动手推叉车设计 用可拓变换方法对可行解进行可拓变换，在此基 中的问题． 础上应用拓展分析中的发散分析和蕴含分析找到 收稿日期：２０１６－０２－２１；修回日期：２０１６－０２－２８ 基金项目：广东省科技计划资助项 目（２０１５Ａ０７０７１００２９，２０１５Ａ０３０４０２００９，２０１４Ａ０７０７１１０２３）；广州市教育科学规划资助课题 （１２０１４３０３０７）；广州市高等学校教育教学改革资助项目（穗教高教〔２０１５〕００２９１６） 作者简介：江帆（１９７４－），男，副教授，博士．Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｆａｎ２００８＠ｇｚｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 第２期 江帆等：基于ＴＲＩＺ与可拓学的半自动手推叉车设计 ７７ 多种适合的可行解，最后采用可拓优度评价这些 处，此时卷的刚度和强度会有所减弱，为了保 可行解，确定最优方案． 证工作的安全性，有必要使用厚的卷，以使机 构有足够的强度；而为了使其能收卷在预先设定 的轨道，希望卷较易弯曲．故存在的问题是： 希望卷完全伸出后有足够刚度和强度，同时 又希望卷收缩时容易弯曲变形． （１）基于基元模型的问题分析 根据可拓学的形式化描述，卷最终预 实现的目标Ｇ可用物元Ｍ表述为 卷 强度 高 Ｍ＝ [ 弯曲性 好 ] 卷目前的现状条件Ｌ用物元Ｍ 表述为 １  卷 形状 直板状    Ｍ ＝ 强度 低 １   图１ＴＲＩＺ与可拓学交叉融合模式  弯曲性 好  Ｆｉｇ．１ＴｈｅｃｒｏｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｏｆＴＲＩＺａｎｄＥｘｔｅｎｉｃｓ 显然，这构成了一个不相容问题模型，即Ｐ＝Ｇ Ｌ  ＝Ｍ Ｍ． ＴＲＩＺ工具与可拓工具交叉使用的原则： 应 ↑ １ ① 用可拓工具进行简化和问题中矛盾提取，及发明 通过对上述不相容问题模型分析，提取出一 原理的拓展分析； 应用 ＴＲＩＺ工具进行矛盾求 个矛盾：如果提高卷的强度，则会导致使其弯 ② 解，及直接拓展求解思路； 二者无严格的先后关 曲的作用力增大．采用标准的工程技术参数描述， ③ 系，求解时优先选用简单工具．下面应用ＴＲＩＺ与 待改善的参数：强度（ＮＯ．１４），导致恶化的参数： 可拓学交叉融合模式进行半自动手动叉车及其升 力（ＮＯ．１０）． 降机构设计中的问题求解． （２）基于ＴＲＩＺ创新原理的可行解预测 查询经典的 ［１２］ 现有的叉车会出现液压升降机构液压油泄露 ＴＲＩＺ矛盾矩阵表 ，推荐的发 ［１０］ 明原理为：＃１０，＃３，＃１４，＃１８，下面对这些原理稍作 和效率偏低的问题 ，先利用可拓基元模型简化 该问题，其物元模型为 说明． ＃１０预操作原理： 操作前使物体的局部或全 液压升降方式 可靠性 易泄露 ① Ｍ ＝ ， Ｌ [ ] 部发生所需的变化； 预先对物体进行特殊处理． 效率 偏低 ② ＃３局部特性原理： 将物体或环境的均匀结 这是一非矛盾问题，无法建立不相容问题模型，可 ① 构变成不均匀结构； 使组成物体的不同部分完 对物元模型进行可拓变换，对升降方式进行扬弃， ② 成不同的功能； 使组成物体的每一部分都最大 考虑其他升降方式．由这一思路，采用ＴＲＩＺ理论的 ③ 多屏幕法发散升降方式，如螺旋升降、齿轮齿条升 限度地发挥作用． ＃１４曲面化原理： 使用曲线或曲面代替直线 降、刚性链升降、卷升降等．进而采用可拓优度 ① 或平面的部件； 运用滚筒、球或螺旋结构； 利 评价，对各种升降方案进行评价，选出卷升降 ② ③ 机构．卷升降机构具有回缩后存放空间小，能 用离心力将线性运动变成旋转运动． ＃１８机械振动原理： 让一个物体振动； 增 有效减少叉车的结构尺寸，同时没有油泄露问题． ① ② 加振动的频率； 运用物体的共振频率； 运用压 ③ ④ ２基于融合方法的卷升降机构 电振动器而不是机械振动器； 运用或电 ⑤ 的问题求解 磁振动． 根据上述原理，可以知道机械振动在卷 卷作为升降机构也存在一些问题：要求 强度改进方面的运用不多，故暂不考虑此原理．实 其上升时能够承载一定量的载荷；下降时能够自 验中发现卷在承载时，总是中间段率先发生 由地按预设的轨道收卷．当其完全伸出达到最高 弯曲，根据预操作原理的启示：如果预先对卷 广州大学学报（自然科学版） 第１５卷 ７８ 发生屈曲的部位做某些改变，如增加加强板等就 可以减少发生屈曲．对于曲面原理，得到启示：可 以将卷设计成带有截面弧度的卷，这将 比平面的卷更加稳定，考虑对卷的形状 进行改变． （３）可行解的基元变换 根据ＴＲＩＺ原理解的提示，在承载时，需对卷 增加加强板，以提高其强度．即做变换 Ｔ，使 图２加强板形状 １ ＴＭ ＝Ｍ Ｍ ． Ｆｉｇ．２Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｐｌａｔｅ １ １ １ １１  增加 施动对象 Ｍ１  根据曲面化原理，采用一定截面弧度的卷簧   其中，Ｔ＝ 支配对象 Ｍ１１ ， 片来增加抗弯截面模量，进而提高承载能力． １     变换结果 Ｍ Ｍ （４）最终方案  １ １１   加强板 形状 圆板  综上所述，将带有加强板的卷升降机构  个数 ６  安装在叉车上取代液压升降装置，就得到图３所 Ｍ ＝ ， １１  运动方式 滑动  示的新型半自动手动叉车结构方案．    工具 Ｍ  图３（ａ）是新型叉车的举升工况，在加强板的  ０  支持下，卷升降机构举升能力和稳定性大幅 链绳 长度 ５００ｍｍ Ｍ ＝ ． 增强．图３（ｂ）是叉车收缩工况，卷缩回，基座 ０ [ 固定位置 顶部支撑板 ] 空间较小．整车解决了油泄露、效率不高的问题． 同时，可以对加强板的形状特征进行发散，由 物元的发散性（一征多值），有Ｍ －｜｛Ｍ ，Ｍ ｝． １１ １１１ １１２ 其中，  加强板 形状 三角板   个数 ６  Ｍ ＝ ， １１１    运动方式 滑动     工具 Ｍ０   加强板 形状 矩形板   个数 ６  Ｍ ＝ ． １１２    运动方式 滑动     工具 Ｍ０  对于加强板的形状进行物元发散，可以得到 不同形状的加强板，例如，三角形、矩形以及倒圆 板，结合加强板的受力以及整体结构的质量，即以 强度和刚度为指标，采用可拓优度评价方法，得到 各方案的优度值，根据优度值，首先考虑圆板结 构，并在去除掉受力较少的部分，最终可以得到图 ２的倒圆板形状． 加强板上开有与卷截面折弯弧度和厚度 相一致的弧形孔，套装在卷之间．加强板之间 采用柔性的链绳连接，当卷上升时，顶部的加 强板会陆续的将一块块加强板带起．只要合理的 设置加强板之间距离，就可以减小卷的变形 图３新型手推叉车方案图 量，增大承载力从而增加其强度． Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍｅｏｆｎｅｗｆｏｒｋｌｉｆｔ 第２期 江帆等：基于ＴＲＩＺ与可拓学的半自动手推叉车设计 ７９ 响，及为加工方便，没有采用图２中的加强板形 ３有无加强板的卷支撑结构实 状），从这２种支撑方式加载后的变形结果看，有 验验证 加强板的支撑方式的刚度明显提升． 实验后对结果数据进行处理，绘制出位移与 为了验证卷升降机构方案的合理性，采 载荷曲线中黑线是无加强板的结果， 用ＷＤＷＳ５０微机控制电子万能试验机进行升降 红虚线是有加强板的结果．从实验结果看到，具有 部分的实验分析． 加强板的卷组的承载能力明显增强，也证明 将加工好的卷固定在带有同样尺寸弧形 了前面利用预操作原理设计出的加强板能够解决 槽的支撑台，弹外半径均为６０ｍｍ，厚度为１ 实际问题． －１ ｍｍ，扇形角为４７°．压头的下降速度２ｍｍ·ｍｉｎ ． 实验针对有无加强板的卷尺弹支撑结构进行 加载比较，见图４．图４（ａ）是无加强板的实验情 况，图４（ｂ）是有加强板的实验情况（因本实验主 要是验证有无加强板对卷组支撑效果的影 图５实验结果 Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ ４结论 （１）建立了ＴＲＩＺ理论工具与可拓学工具交叉 使用的融合方法，利用可拓工具简化问题、提取矛 盾、拓展原理、优度评价，利用ＴＲＩＺ工具寻求矛盾 求解的发明原理、可拓模型的拓展，二者的使用无 严格的先后次序，优先选用简易的求解工具． （２）采用交叉融合模式对叉车现存的问题，及 新型叉车设计中存在的问题进行分析，采用卷簧 片升降机构取代液压机构、卷组分段用加强 板支撑、卷横截面设置弧度的方法解决这些 问题．这些实例表明交叉融合方法能够提升产品 设计中问题求解的效率和求解稳定性．通过进行 卷支撑方式的实验分析，结果表明，具有加强 板的支撑方式能够明显提升升降部分的承载能 力，也说明了利用融合方法设计出的新型结构能 图４有无加强板弹组承载实验设置 够有效地解决实际问题． Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｓｐｒｉｎｇｓ 广州大学学报（自然科学版） 第１５卷 ８０ 参考文献： ［１］江帆．ＴＲＩＺ创新应用与创新工程教育研究［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２０１３． ＪＩＡＮＧＦ．ＳｔｕｄｙｏｎＴＲＩＺｉｎｎｏｖａｔｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｄｕｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ，２０１３． ［２］江帆．ＴＲＩＺ与可拓学比较及融合机制研究［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２０１５． ＪＩＡＮＧＦ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｂｅｔｗｅｅｎＴＲＩＺａｎｄＥｘｔｅｎｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ，２０１５． ［３］杨春燕，蔡文．可拓工程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７． ＹＡＮＧＣＹ，ＣＡＩＷ．Ｅｘｔｅｎｉｃｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ，２００７． ［４］徐家祥．基于ＴＲＩＺ理论的叉车全液压转向系统改进［Ｊ］．起重运输机械，２０１３，５３（１２）：１２２１２３． ＸＵＪＸ．ＴｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｃｈｅｍｅｏｆｆｏｒｋｌｉｆｔｆｕｌｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＴＲＩＺｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＨｏｉｓｔＣｏｎｖＭａｃｈ，２０１３， ５３（１２）：１２２１２３． ［５］吴建勋，孙维乙，王平．ＴＲＩＺ理论在叉车转向桥设计中的应用［Ｊ］．起重运输机械，２０１４，５４（６）：２３２６． ＷＵＪＸ，ＳＵＮＷＹ，ＷＡＮＧＰ．ＴｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆＴＲＩＺｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｆｏｒｋｌｉｆｔｓｔｅｅｒｉｎｇａｘｌｅ［Ｊ］．ＨｏｉｓｔＣｏｎｖＭａｃｈ，２０１４， ５４（６）：２３２６． ［６］杨鸥．ＴＲＩＺ方法在叉车后桥减振上的应用［Ｊ］．起重运输机械，２０１５，５５（６）：２６２８． ＹＡＮＧＯ．ＴｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆＴＲＩＺｏｎｔｈｅｒｅａｒａｘｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｆｏｒｋｌｉｆｔ［Ｊ］．ＨｏｉｓｔＣｏｎｖＭａｃｈ，２０１５，５５（６）：２６２８． ［７］张路军，张春萍，张磊．叉车液压系统集成设计方法研究［Ｊ］．液压与气动，２００８，３１（３）：５７． ＺＨＡＮＧＬＪ，ＺＨＡＮＧＣＰ，ＺＨＡＮＧＬ．Ｓｔｕｄｙｏｎａｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｆｏｒｋｌｉｆｔｔｒｕｃｋｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎ ＨｙｄｒＰｎｅｕｍ，２００８，３１（３）：５７． ［８］江帆，杨鹏海．ＴＲＩＺ理论与可拓学的融合方法研究［Ｊ］．广州大学学报：自然科学版，２０１４，１３（６）：５９６４． ＪＩＡＮＧＦ，ＹＡＮＧＰＨ．ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＴＲＩＺａｎｄＥｘｔｅｎｉｃｓ［Ｊ］．ＪＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖ：ＮａｔＳｃｉＥｄｉ， ２０１４，１３（６）：５９６４． ［９］向宇，仲梁维，袁坤坤，等．基于ＴＲＩＺ与可拓学的膜过滤装置优化设计［Ｊ］．通信电源技术，２０１５，２２（５）：９１９３． ＸＩＡＮＧＹ，ＺＨＯＮＧＬＷ，ＹＵＡＮＫＫ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎＴＲＩＺａｎｄＥｘｔｅｎｉｃｓ ［Ｊ］．ＣｏｍｍｕｎＰｏｗＴｅｃｈ，２０１５，２２（５）：９１９３． ［１０］方伟中．新型半自动手推叉车设计［Ｄ］．广州：广州大学，２０１５． ＦＡＮＧＷＺ．Ａｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｅｗｓｅｍｉａｕｔｏｈａｎｄｐａｌｌｅｔｆｏｒｋｌｉｆｔ［Ｄ］．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：ＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５． ＤｅｓｉｇｎｏｆａｓｅｍｉａｕｔｏｈａｎｄｐａｌｌｅｔｆｏｒｋｌｉｆｔｂａｓｅｄｏｎＴＲＩＺａｎｄＥｘｔｅｎｉｃｓ ＪＩＡＮＧＦａｎ，ＦＡＮＧＷｅｉｚｈｏｎｇ，ＹＵＥＰｅｎｇｆｅｉ，ＷＡＮＧＹｉ

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