基于TRIZ理论的平面汇交力系实验台创新设计

张明，董炯，夏宗喜，张群，张利轩

（1.辽东学院工程技术学院，辽宁丹东118003；2.辽东学院机械电子工程学院，辽宁丹东118003）

基于TRIZ理论的平面汇交力系实验台创新设计

张明1，董炯2，夏宗喜2，张群2，张利轩2

（1.辽东学院工程技术学院，辽宁丹东118003；2.辽东学院机械电子工程学院，辽宁丹东118003）

针对目前力学系列实验台中尚无对平面汇交力系的受力分析进行原理性示教的现状，利用TRIZ理论进行实验台创新设计。设计中采用TRIZ理论的九屏幕分析方法分析整理了实验台的力的性质、力的分析和力的平衡等主要要素，明确了要素间的联系与矛盾，理清设计思路。利用TRIZ理论的矛盾矩阵、创新发明原理等工具解决了力的施加角度、性质与数量的影响、重力作用过程中对汇交力系的影响、力的合成与分解、平衡与非平衡等技术问题。经过优化设计的实验台能够演示二力杆及二力杆的平衡、平面内任意力在X和Y轴上的投影、平面三力以上汇交的力分解或合成及平面汇交力系平衡条件等，通过实验方法进一步验证平行四边形法则，也填补了力学实验台的空白。

TRIZ；汇交力系；实验台；设计

平面汇交力系是力学中的一种简单力系，是研究复杂力系的基础。教学中常用几何法和解析法研究该力系的合成和平衡问题。目前，通过实验验证力学问题的方法主要有：高中物理使用拉力传感器和细绳测量力的大小与方向，结构力学中对桁架受力变形量的测量，工程力学中对材料力学性能的测量等，以上实验方法和设备无法全面、准确的对平面汇交力系的受力性质、等效分析、分解与合成进行原理性示教［1］。本文应用TRIZ理论对平面汇交力系实验台设计过程中出现的问题进行分析研究，给出优化创新设计方案，解决了平面汇交力系实验台的设计问题。

1 TRIZ理论简介

TRIZ是俄文“发明问题解决理论”单词的缩写，该理论是在分析研究世界各国250万件专利的基础上，总结归纳了人类在进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理与法则后建立的。TRIZ理论总结出了解决技术冲突40条发明原理和表示技术矛盾常用的39个通用工程参数，被世界各国普遍用于解决工程实际问题［2］。

1.1 九屏幕法

九屏幕法是TRIZ理论提出的一种克服思维惯性的独特创新思维方法，其标准构成如图1所示。它从系统、时间和空间三个维度系统剖析事物间的普通联系与因果关系，从而更好地开发创新思维与解决问题［3］。

图1 标准九屏幕的构成

1.2 冲突解决方法

发明问题的核心是解决冲突，产品的进化过程就是不断解决产品存在冲突的过程。TRIZ理论认为，产品创新的标志是解决或移走设计中的冲突，而产生新的竞争力出来［4］。在TRIZ理论中，工程中存在的冲突可归结为三类：物理冲突、技术冲突和管理冲突。物理冲突是指系统（机器、设备、材料、仪器等的统称）中的问题，是由1个参数导致的，即：系统一方面要求该系统正面发展，另一方面要求该系统负面发展。技术冲突是指系统中的问题是由2个参数导致的，2个参数相互促进、相互制约。管理冲突是指子系统之间产生的相互影响［5］。

2 问题分析与冲突的解决方法

2.1 运用九屏幕法分析

运用TRIZ理论中九屏幕法对平面汇交力系进行分析，首先画出九屏幕表格，用平面汇交力系中要解决的实际问题去替换标准九屏幕表格的内容，重新获得的九屏幕构成如图2所示。从图中得出设计力系要考虑的因素包括：力的性质、力的分析和力的平衡。实验台设计需要考虑力的体现与外界干扰因素的解决方法。

图2 平面汇交力系的九屏幕构成

2.2 冲突的分析

运用TRIZ理论的矛盾参数表对平面汇交力系进行分析，得出设计平面汇交力系需要考虑39通用工程参数表中编号为：2、4、6、8、9、10、11、12、13、14、16、20、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36和37等矛盾参数，本文就矛盾参数对应的相对突出的几个问题进行分析：

2.2.1 技术冲突

（1）汇交点的质量高于其他部分，为测量各力之间的角度关系需在汇交点设置量角器，又增加了汇交点的质量；

（2）作用力采用重力可以节约能源，但重力铅垂向下，分析复杂力，不可能全是铅垂向下的力；

（3）多角度施加力，逐一设计各点位置，不方便、不现实，也不节约；

（4）多力合力作用实验台上，其合力的大小要通过达到平衡来直观反映出来，需要准备各种质量的砝码，计算后加载在合力方向的同一直线上，计算量大，很不方便；同时力的分解也会出现同样的问题。

2.2.2 物理冲突

（1）力与汇交点的连线既要求有足够的强度保证施加力和施加力后的安全，又要线径细、质量轻；

（2）力转换方向的装置在使用时既要安装牢固，又要方便快捷等。

3冲突的解决

依据TRIZ理论对冲突问题的分析，找寻技术冲突（1）的解决方法是：将平面汇交力系实验台设计为水平式，汇交点增加滑动小车，如图3所示，该结构克服了汇交点的质量影响，保证在多力作用时，在平面内自动寻求平衡位置，并能及时获取各力间的角度，具体结构详见专利［6-7］。

技术冲突（2）的解决方法是：平面汇交力系实验台设计为水平式，实验台四周固定多个滑轮，如图3所示，牵引重物的绳索绕过滑轮交汇在汇交点上，完成力的方向变化。

技术冲突（3）的解决方法是：采用技术冲突（2）的解决方法，仅仅将滑轮固定装置改为方便快捷的夹持结构，使其在实验台边任意一点可以夹持固定，实现无级变化。

技术冲突（4）的解决方法是：被分析的力借助重物连接绳索绕过滑轮交汇在汇交点上，分析部分的结构采用弹簧秤或拉力传感器，将弹簧秤或拉力传感器一端固定在实验台上，另一端连接绳索绕过滑轮交汇在汇交点上，通过观察弹簧秤或拉力传感器及量角器示值，得到汇交力合力或分力的大小，以及与作用力间的关系，验证平行四边形法则，如图4所示，具体结构详见文献［6］。

图3 卧式平面汇交力系等效实验台

图4 立式平面汇交力系等效实验台

为了避免实验台只能在实验室使用的局限性，设计了便携式平面汇交力系的等效实验台，由滑轮、绳索、活动支架、弹簧秤、砝码盘、砝码、可活动的量角刻度盘等组成，如图5所示，具体结构详见（ZL201420705488.3）便携式平面汇交力系的等效实验台［8］，任意选取一个带边桌子，固定活动支架，通过绳索绕过对应的滑轮后分别连接砝码盘或弹簧秤，在砝码盘上加减砝码，达到平衡后，验证同向力、反向力，及其它复杂条件下的平面汇交力系分力与合力的等效性，通过读取砝码质量、弹簧秤刻度和测量绳索间平衡条件下的夹角，获得复杂的平面汇交力系的力的等效与替换、合力与分力的条件，进一步验证平行四边形法则。

图5 便携式平面汇交力系等效实验台

4 结论

本设计通过支座连接滑轮固定在桌子上，绳索分别绕过对应的滑轮后与砝码盘和砝码连接，验证复杂条件下的平面汇交力系分力与合力的等效性，通过读取砝码质量、弹簧秤测量值和测量绳索间实际工作条件下绳索间的夹角，获得复杂平面汇交力系力的等效与替换、合力与分力的条件，进一步验证平行四边形法则；由于量角刻度盘和量角刻度盘座的水平放置，并有量角刻度盘座万向轮支撑，可在实验桌上移动，绳索垂直力经滑轮转变为水平力，所以，量角刻度盘、量角刻度盘座和量角刻度盘座万向轮的质量对实验没有影响。本设计只借助重力作为实验的源动力，不需要任何其他力，低碳环保；特别是便携式的实验装置，可在任意有边沿的桌子上夹持、安装和固定，位置随意可调，可进行任一条件下平面汇交力系的验证，不需要单独定制实验桌；整套装置携带方便，不需要单独实验室，在教室或寝室等有操作空间的场所均可进行实验；实验设备简洁、直观、易学，可装箱随身携带。

所不足的是：（1）卧式和便携式平面汇交力系的等效实验台课堂演示使用时，学生只能近前观察，立式的则因为无法克服量角器的重力作用，测量结果偏差较大，所以，可以考虑在卧式和便携式平面汇交力系的等效实验台上临时架设反光镜，将实验结果镜像出来；（2）目前的实验台仅能够验证二力杆和平面汇交力系的问题，尚不能对空间汇交力系进行验证。

［1］张琦跃.平面力系简化结果的进一步分析［J］.中国计量学院学报，2002，13（1）：40-42.

［2］刘波，梅瑛，李瑞琴.基于TRIZ理论的图书分拣机的设计研究［J］.机械设计与制造，2013（2）：23-25.

［3］李弘，颜惠庚，肖玉.TRIZ理论中九屏幕法的几个问题［J］.产业与科技论坛，2012，11（17）：93-94.

［4］贾洁，万一品，宋绪丁，等.基于TRIZ理论的按摩椅创新设计方法研究［J］.包装工程，2015，61（20）：61-83

［5］赵萍萍，季玲.发明问题解决理论（TRIZ）培训教材［M］.南京：江苏科学技术出版社，2011：31.

［6］董炯.平面汇交力系的等效实验台：ZL201420134865.2［P］. 2014-08-20.

［7］董炯，姚立昂，董逸翔，等.卧式平面汇交力系的等效实验台：ZL20142059929.9［P］.2015-01-28.

［8］董炯，王广浩，徐允振，等.便携式平面汇交力系的等效实验台：ZL201420705488.3［P］.2015-03-18.

［9］黄庆，周贤永，杨智懿.TRIZ技术进化理论及其应用研究述评与展望［J］.科学学与科学技术管理，2009（4）：58-60.

［10］张简一，郭艳玲，杨树财.基于TRIZ理论的产品创新设计［J］.机械设计，2006，26（2）：35-38.

［11］马力辉，檀润华.基于TRIZ进化理论和TOC必备树的冲突发现与解决方法［J］.工程设计学报，2007，14（3）：177-180.

［12］丁俊武，韩玉启，郑称德.基于TRIZ的产品需求获取研究［J］.计算机集成制造系统，2006，12（5）：648-653.

［13］檀润华，张青华，纪纯.TRIZ中技术进化定律、进化路线及应用［J］.工业工程与管理，2003（1）：34-36.

［14］李燕平，程鲲，周广才，等.基于九屏幕法的矿泉水瓶标识设计研究［J］.科技创业，2016，13：130-131.

［15］刘波，梅瑛，李瑞琴.基于TRIZ理论的图书分拣机的设计研究［J］.机械设计与制造，2013（2）：23-25.

（责任编辑：龙海波）

A plane concurrent force system experimental table designed with TRIZ theory

ZHANG Ming1，DONG Jiong2，XIA Zong-xi2，ZHANG Qun2，ZHANG Li-xuan2
（1.School of Engineering and Technology，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China；2.School of Mechanical and Electronic Engineering，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China）

Presently，the forces of a plane concurrent force system can not be analyzed and demonstrated on mechanical experimental tables.In this study，with the nine-screen analysis method of TRIZ theory，the key elements such as the nature,analysis and balance of the forces on the experimental tables were settled.With the contradiction matrix and innovation principle of TRIZ，the influence of force-application angle，nature and magnitude of the forces，the influence of the gravity on the concurrent force system，the synthesis and decomposition of the forces，as well as the issue of the balance and imbalance，were discussed.The new-designed experimental table can be used to demonstrate two-force rod and its balance，the projection of any force in the plane on the X and Y axis，the decomposition or synthesis of more than three forces concurrent on a plane and the balance conditions of the plane concurrent force system.Besides，the parallelogram law can be further verified.

TRIZ；concurrent force system；experimental platform；design

TQ016.5

A

1673-4939（2017）03-0176-05

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.03.05

2017-03-13

辽东学院科技攻关项目（2016QN027）

张明（1970—），男，辽宁丹东人，工程硕士，讲师，研究方向：模具设计与加工。