基于TRIZ理论的电磁振动试验台设计

张丽

摘要：为了解决现有电磁振动试验台振动自由度少、参数可控性差等问题，应用TRIZ理论对振动试验台进行创新设计，得到了一种五自由度电磁振动试验台，不仅振动自由度多且实现了自由度和结构的变胞，可满足更多测试工作的需求。

Abstract： In order to solve the problems of low vibration freedom and poor parameter controllability of the existing electromagnetic vibration test bench， the TRIZ theory was used to innovate the design of the vibration test bench， and a five-degree-of-freedom electromagnetic vibration test bench was obtained. The degree of freedom and structural variation can meet the needs of more testing work.

關键词：五自由度;振动试验台;TRIZ理论

Key words： five degrees of freedom;vibration test table;TRIZ theory

0  引言

振动试验台广泛应用于航空航天、汽车、铁路、电力电子、石油化工、玩具等各行各业的研究、开发与制造[1-2]。TRIZ理论揭示了发明创造的内在规律和原理，能够帮助人们打破思维定式，突破思维障碍，激发创新可以快速确认出需要改进的问题或冲突，然后解决矛盾，获得所需的理想解。通过TRIZ理论成功解决的工程问题有很多[3-4]。王岩等[5]运用TRIZ理论对文件袋密封涂胶装置优化设计，能够对不同尺寸的文件袋的精准涂胶，杜绝了人工涂胶有可能产生泄密问题;尹健康等[6]运用TRIZ对卷烟分拣作业的喷码系统创新设计，降低了喷码次数，提高了卷烟配送的分拣效率;夏文涵等[7]运用TRIZ理论对管道机器人设计了创新设计方案。

1  问题分析

由于使用环境的不同和模拟逼真度要求的提高，对试验台的振动自由度的要求越来越高。现有电磁振动试验台存在振动自由度少、能耗高等技术难题，随着振动测试对象对振动试验台振动参数要求的不断提高，已经很难满足产品振动测试及其它有关多自由度激振研究的需要，且相关的研究目前已进入饱和阶段，无法突破现有的研究思路和技术瓶颈，后续研究无法取得实质性的技术突破和理论创新，因此迫切需要研制一种具有振动自由度多、振动频率高的多自由度电磁振动试验台。

2  系统分析

2.1 九屏幕分析

九屏幕法是通过不同维度对存在的问题进行全面的分析，需要考虑超系统、当前系统及子系统的过去和未来，能够打破保守思维，为解决问题提供思路。运用九屏幕法对变胞式电磁振动试验台进行分析，如图1所示。

2.2 生命曲线分析

经过分析发现，技术系统的进化一般按照TRIZ理论中的S曲线进行，如图2所示。分析发现振动试验台研制已经进入成熟期，且各项技术趋于完善，相关专利数量增加，但是专利等级降低，企业仍然可以获利，但是市场竞争加剧。研究发现振动试验台在成熟期系统发展缓慢的原因：系统性能已接近自然极限，缺乏振动与控制核心技术，发展趋于缓慢;回报率/有害价值比值快速增加;超系统发生改变;新出现的矛盾阻碍系统发展等。

通过以上分析，对应解决方法：设计出新的机构，控制采用控制器和驱动器结合，该系统的合理机构空间布局不仅节省了大量的零件设计和加工，而且解决了系统改变带来的控制程度不高的问题。

2.3 完备性法则

实现功能是任何技术系统的目的。为实现某一功能，技术系统必具备最基本的要素，即一个完备的技术系统必须包含动力装置、传动装置、执行装置和控制装置四个子系统，如图3所示。其是从能量传递的角度展示振动试验台中各个子系统之间的关系。

2.4 功能分析

现有产品系统简单，控制方式单一，可控性差，最多可实现X、Y、Z三个方向的平移运动。基于此系统进行改进，如图4所示。

2.5 金鱼法

激振装置存在的主要问题是激振自由度不够，设计出的新方案需要实现振动台自由度可变的要求，那么有没有可能找到一种新的设计方案，可以满足X、Y、Z方向互不干涉的激振要求且满足振动过程中振动台的变胞要求呢？分析过程如图5所示。

3  解决方案

①在连接方式上用铆接替代原有螺栓连接，其物-场模型如图6所示。在高强度，高频率振动条件下，传统的螺栓连接容易松动断裂，若采用焊接方式则会产生内应力。针对此问题我们采用铆接和搅拌摩擦焊进行补强。②在支撑方式上用交叉的双S型替代原有直板或弹簧连接，其物-场模型如图7所示。原有的支撑方式中多用弹簧或承载力小，直板支撑控制精度差且运动空间小，引入刚柔耦合方式支撑方式—三自由度柔性支架，其形状是混合交叉的双S型。

4  结论

针对现有电磁振动试验台存在的不合理问题，将存在的工程问题转化为TRIZ问题。基于TRIZ理论对振动试验台进行九屏幕分析、功能分析等，找到克服现有电磁振动试验台不足存在的问题，通过物—场分析，找到解决存在问题的思路。为五自由度变胞式电磁振动试验台样机的制作提供了理论依据，为新设备的研发提供指导。

参考文献：

[1]谢宝莹，杨斌堂，杨诣坤，等.新型电磁振动台低频控制研究[J].噪声与振动控制，2018，38（03）：198-202.

[2]许煜，刘景元，程礼，等.一种共振频率可调的振动放大器设计[J].实验力学，2018，33（04）：599-609.

[3]卡伦·加德.TRIZ—众创思维与技法[M].罗德明，译.北京：国防工业出版社，2015.

[4]谢尔盖·伊克万科. TRIZ 打开创新之门的金钥匙[M].孙永伟，译.北京：科学出版社，2015.

[5]王岩，何邦贵，叶恬雨，等.基于TRIZ理论的文件袋密封涂胶装置设计[J].包装工程，2019，40（07）：197-200.

[6]尹健康，陈昌华，黄登仕.基于TRIZ理论的卷烟分拣作业中喷码系统创新设计[J].包装工程，2018，39（09）：108-113.

[7]夏文涵，王凯，李彦，等.基于TRIZ的管道机器人自适应检测模块创新设计[J]机械工程学报，2016，52（05）：58-67.