基于TRIZ理论的心盘磨耗盘磨损研究

丁洪亮

摘要：TRIZ理论是解决问题的一种有效方法，不仅提供了分析问题所需的方法，同时还提供了解决相应的问题求解工具。本文针对铁路货车心盘磨耗盘存在的磨损问题采用TRIZ理论进行分析与求解，从而找到有效的问题及决方案。

关键词：TRIZ；心盘磨耗盘；磨损；分析

一、TRIZ对企业创新的作用

企业只有不断创新，推动自身发展，才能在市场竞争中站稳脚，企业只有不断创新才能在瞬息万变、竞争激烈的全球一体化市场环境中生存与发展。企业创新有很多方面，如管理创新、理念创新、产品创新、技术创新等，而TRIZ核心思想之一是，不同行业的问题，采用相同的原理加以解决。TRIZ是科学的、完善的、经过反复验证的和可实施的一种创新理论和方法。在产品或技术的发展过程中是遵循一定的客观规律的，掌握这些规律，我们就能抓住产品或技术的未来，抢占市场先机，掌握TRIZ理论和方法，可以让我们在遇到问题的时候沿着正确的方向去思考，高质高效的去解决。对企业工程技术人员来说，TRIZ理论可帮助突破思维定式，形成创新思维，挖掘企业创新潜力，进而提高企业创新活力；对企业而言工程技术人员掌握TRIZ后，可整体提升企业创新实力，是企业创新动力之源。企业通过建立创新体系，体系包括创新战略、创新能力、创新机构、创新人员、创新方法、创新文化等方面，让创新活动与企业全面结合，实现管理、市场、产品和技术创新，产生高质量高价值的创新成果，为企业带来革命性的进步与发展，使企业永葆创新活力。

二、心盘磨耗盘重要性及磨损问题

1心盘磨耗盘重要性

铁路货车主要由车体、转向架、制动系统、车钩缓冲装置等组成。车体上心盘落入转向架摇枕下心盘内，上、下心盘间有心盘磨耗盘，一起形成摩擦副，如图1所示。心盘磨耗盘是连接车体上心盘和转向架摇枕下心盘的重要部件，作用是承受车体自重及载重并提供合适的摩擦力矩以抑制车辆蛇行运动，传递车体与转向架之间的垂向以及纵、横向冲击载荷。

心盘磨耗盘是铁路货车关键零部件，对铁路货车有重要意义，通过建立本项目产生的专利综合评价模型，通过企业技术人员及专家的评分，来确定心盘磨耗盘对整车的贡献度，见表1。

序号	权重	考虑因素		分权重	分值						合计
					100	80	60	40	20	0
1	0.3	法律 因素	专利类型及 法律状态	0.4		80					9.6
2			保护范围	0.3	100						9
3			侵权判定	0.3	100						9
4	0.5	技术 因素	技术所属领域	0.1		80					4
5			替代技术	0.2	100						10
6			先进性	0.2	100						10
7			创新性	0.1	100						5
8			成熟度	0.2	100						10
9			应用范围	0.1		80					4
10			技术防御力	0.1	100						5
11	0.2	经济 因素	供应关系	1			60				12
12	合计										87.6

表1：心盘磨耗盘贡献度计算表

该技术属于铁路车辆设备技术领域，技术分成率取值范围为4～5.5%，则心盘磨耗盘对铁路货车贡献度为：4%＋（5.5%-4%）×87.6=5.314%，而铁路货车平均每个零件贡献度约为2.9%，由此可见心盘磨耗盘对铁路货车非常重要。

2心盘磨耗盘磨损问题

在车辆运行时，心盘磨耗盘可降低上、下心盘的冲击，减少磨耗，使心盘载荷分布更均匀，车辆运行更平稳。但当车辆偏载、过弯路、线路不平、进入颗粒杂质时，心盘磨耗盘局部受力不均匀，导致局部磨耗与破损严重，给行车带来安全隐患。另外，给心盘磨耗盘需经常更换，维护不便，成本高。

三、问题分析

1.S-曲线分析

S-曲线被认为是一条产品技术成熟度预测曲线。根据产品生命周期包括婴儿期、成长期、成熟期和衰退期对应S-曲线分为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，每个阶段企业采取营销、研发、专利与竞争策略不同。通过对国内心盘磨耗盘相关专利进行检索，获得专利648件，经筛选、识别与分析获得382件相关专利，其中发明81件，统计分析表2。

年份	2001	2002	2004	2007	2009	2010	2012	2014	2015	2016	2018	2019	2020	2021
申请量	15	20	23	28	29	25	22	26	36	38	35	31	29	25
发明申请	9	8	6	9	8	6	6	6	5	4	4	3	4	3

表2：检索专利统计分析表

对这些专利数据采用S-曲线从性能参数、专利数量等4方面进行分析，发现心盘磨耗盘技术处于成长后期，该阶段可通过结构优化、材料改进，实现进一步创新。

2.九屏图分析

九屏图分析是TRIZ理论重要系统分析工具，它能够帮助我们从结构、时间等多维度对问题全面、系统分析，该方法不仅研究问题现状，而且考虑与之相关的过去、未来和子系统、超系统等多方面状态。

对心盘磨耗盘磨损问题用九屏图分析，问题主要从轨道铺设、新结构、新材料、装货设备、去除杂质等方面来寻求解决方案。

3.因果链分析

采用因果链分析，从材料强度不足、结构强度不足和局部受力过大三方面着手，通过原因查找，最终确定主要原因有三：

一是心盘磨耗盘制造材料强度不足，导致心盘磨耗盘易磨损严重；

二是心盘磨耗盘结构简单不合理，致使强度不足，心盘磨耗盘易磨损严重；

三是线路弯路多，不平、偏载、进入颗粒杂质，导致心盘磨耗盘受力不均，局部受力过大，致使心盘磨耗盘易磨损严重。

4.小结

综上所述，对心盘磨耗盘磨损问题采用S-曲线、九屏图及因果链进行原因分析，发现磨损原因有三：一是心盘磨耗盘材料强度不足；二是心盘磨耗盘结构强度不足；三是心盘磨耗盘局部受力不均。

四、解题过程

1.小人法求解

小人法可打破思维定式，目的是克服由于思维惯性导致的思维障碍，提供解决矛盾问题的思路。当系统某些组件不能完成其必要的功能，并表现出相互矛盾时，可用一组小人来表示这些不能完成特定功能的部件，通过能动小人，实现预期的功能，并根据小人模型对结构进行重新设计。

针对心盘磨耗盘磨损问题采用小法人进行分析。用小人表示系统各组件，并通过小人运动找出问题小人，搭建问题小人模型，通过小人移动、变化、组合等方法满足解决问题的要求，以便实现解决矛盾。

2.技术矛盾求解

技术矛盾是最常见矛盾之一，当改善技术系统中一个特性、某一个参数时，常会引起系统中另一个特性或参数恶化，这时技术矛盾出现了。在TRIZ理论中通过运用矛盾矩阵工具可找到解决技术矛盾的方法，即创新原理。

心盘磨耗盘采用高分子复合材料，强度高，但加工时间长，生产率低，改善强度，恶化生产效率；心盘磨耗盘结构优化，强度高，但结构复杂，制造难度大，改善强度，恶化制造难度，通过矛盾矩阵分析获得解决方案。

3.物场模型求解

物场模型是一种使用符号表达技术系统变换的建模技术，它以解决问题的各种矛盾为中心，通过建立一个模型来描述系统内的问题，旨在用符号语言清楚地描述系统构成要素以及构成要素之间的相互关系。物质用S1和S2表示，相互作用的场用F表示。结合本系统问题，确定S1为上心盘，S2为心盘磨耗盘，F1为机械场，通过构建模型，S1与S2之间是存在磨耗的，通过引入第三种物质S3，或引入第二个场F2，进而实现问题解决。

4.功能剪切模型求解

通过对系统结构功能进行分析，建立功能模型，基于模型中各组件之间的相互作用关系，找到有害的功能和产生该功能的组件，然后再通过裁剪去掉产生有害功能的部件，采用替换或自我解构完善等方法寻找解决问题的方案。

五、结论

TRIZ是一门创新问题解决理论，它由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成,最终目标是人们能够打破思维定式、拓宽思路、正确的发现产品或系统的问题，激发创新思维，从而找到具有创新性的方案。铁路货车心盘磨耗盘存在的问题通过采用TRIZ理论的S-曲线、九屏图、因果链等工具的分析，最终发现心盘磨耗盘易磨耗或破损主要原因，然后通过小人法、技术矛盾、物场模型和功能剪切模型来对问题进行求解，寻找解决方案。通过采用TRIZ方法确定最优方案有二，一为设计全新防尘结构，设计具有防城功能心盘磨耗盘，或上心盘，或下心盘，避免进入颗粒杂质；二为研发全新支撑连接结构，对心盘磨耗盘、上心盘与下心盘组成的连接结构进行创新设计，使彼此间受力更均匀，作用更合理，从而降低磨损。