基于TRIZ的钢管十字卡扣创新设计

郭南初

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

钢管十字(直角)卡扣，用于紧固连接外径为48 mm的钢管成直角，卡扣材料为可锻铸铁。卡扣使用时，应确保其内壁弧面与钢管壁充分接触，并通过T型螺栓紧固。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定：扣件紧固力矩“不应小于40 N·m，且不应大于65 N·m”，并非卡扣螺栓拧得越紧越好。卡扣的设计合理与否，不仅影响施工效率，还会影响脚手架的安全性，这正是钢管十字(直角)卡扣创新设计的初衷。

1 TRIZ创新方法概述

TRIZ创始人根里奇·阿奇舒勒认为：产品的创新其实就是其技术系统的创新，它和生物系统一样也有其发展规律。依据TRIZ理论进行创新，不是将技术系统的矛盾平衡或抑制，而是利用一些有规律的创新原理将技术矛盾解决，进而达到产品的有效创新。技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽可能多的功能[1]。

TRIZ创新问题解决模式可应用到多个领域。首先设定其理想目标，其次在问题解决过程中沿理想目标前进，最终实现技术问题的解决。这个技术问题的解可能是理想解，也可能是接近理想解。TRIZ使技术创新有章可循，创新过程可以按照一定的流程来进行，这样解决问题就变得不是那么复杂了。TRIZ创新的方法就是解决问题的矛盾，即TRIZ里的技术矛盾和物理矛盾，解决问题的应用与分析工具是物－场模型和矛盾矩阵表等，解决问题的知识数据库是40个发明原理和76个标准解决方法。TRIZ是在已有产品的基础上，利用可行的法则，解决矛盾，最终实现产品的创新[2]。TRIZ主要构成要素与解决问题的方法如图1所示。

TRIZ理论将矛盾分为三类，即技术矛盾、物理矛盾和管理矛盾。技术矛盾在产品创新过程中出现的频率最高，它也是钢管卡扣创新设计中存在的主要矛盾。技术矛盾就是产品系统中的两个参数互相制约，改善产品技术系统矛盾的某个参数，可能会导致该技术系统矛盾的另一个参数发生恶化[3]，这是解决问题的常见现象，TRIZ通过创新原理试图解决这些矛盾，达到产品的技术创新。

本研究钢管十字(直角)卡扣创新设计采用的是技术矛盾解决方法，因此需要引入39个工程参数和40个创新原理[4]。

图1 TRIZ主要构成要素与解决问题的方法

2 钢管十字(直角)卡扣创新设计

2.1 问题描述

传统的钢管十字(直角)卡扣如图2所示，采用两组螺栓分别对两根钢管进行紧固，安装与拆卸的速度慢，因而影响施工进度。此外，多一组螺栓就会多一份安全隐患，扣件节点的连接质量受扣件本身质量和工人操作的影响。因此，对传统钢管十字(直角)卡扣进行创新设计，有助于提高其工作效率和安全系数。

图2 传统的钢管十字卡扣

2.2 产品最终理想解

设计的最终目的是快速装拆，同时提高可靠性。理想解是安装钢管脚手架时不需要时间，装拆卡扣需要拧紧或卸开两个螺母是达到理想解的障碍。目前的障碍是拧紧或卸开两个螺母都需要很长时间，而且为了安全必须拧紧到一定程度。为了使障碍消失或减少障碍的影响，需要合理设计卡扣的结构以减少卡扣螺栓的数量，或者改变螺纹紧固方法。目前，在其他领域或用其他工具暂时还没发现可以解决这个问题的方法。

2.3 矛盾分析

安装与拆卸的速度慢，转换为TRIZ的工程参数就是“时间损失”。安全系数不高，转换为TRIZ的工程参数就是“可靠性”。需要通过增加安装时间解决，但这种解决方案费时费力，影响施工进度。定义技术矛盾是改善“时间损失”，恶化“可靠性”。查技术矛盾解决矩阵表：M(25-27)=[10 30 4]。对应的创新原理为：预先作用原理，柔壳薄膜原理，不对称原理。

对获得的三个原理，利用机械设计的相关知识进行简单分析，得出重点解决问题的创新原理。预先作用原理，对螺栓的紧固显然没有作用；柔壳薄膜原理，实现起来有难度，即使实现了也会存在安全隐患；最后只有从不对称原理上下工夫。

2.4 解决办法与创新结果

不对称原理，顾名思义，就是将产品的对称形式转为不对称形式，如果物体不是对称的，则加强它的不对称程度。众所周知，机械零件可以采用非对称结构，非对称原理可以使机械结构有更多的选择。由图2可知，传统的钢管十字(直角)卡扣有对称的特征，显然创新的方式就是增加其不对称性。

通过TRIZ不对称原理获得的新的钢管十字卡扣如图3所示。新的卡扣将原来的两组螺栓紧固钢管变成了一组螺栓紧固钢管。其工作原理为：上扣板和下扣板分别与扣座以及上扣板销和下扣板销连接，上扣板和下扣板分别可绕上扣板销和下扣板销旋转。扣座上两半圆槽垂直相交，T型螺栓可绕下端轴转动。该卡扣与图2所示传统卡扣相比，具有装拆速度快且安全系数高的特点。

基于TRIZ的产品创新设计流程如图4所示[5-6]，该流程图也适用其他产品的创新设计。

图3 新的钢管十字卡扣

图4 基于TRIZ的产品创新设计流程

3 结论

扣件式钢管脚手架是我国应用最广泛的一种架构形式，但在扣件式钢管脚手架的施工、运行和拆除过程中常伴有各种事故的发生，因此在提高其工作效率的同时，还要提高其安全系数。本设计结构简单、稳定性好、装拆速度快且安全系数高。设计中只要找准了技术矛盾，利用TRIZ理论就可以很快找到解决问题的方向，再结合专业知识就不难找到问题的理想解。