機械創新設計的基本原理

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機械創新設計的基本原理范文第1篇

摘要：創新思維和創新能力的提升是我國教育改革的主旋律和根本目標，將TRIZ理論引入本科生培養體系中，有利于提升學生的創新意識及創新能力。本文提出基于TRIZ理論的“一線三段”式本科生培養模式，在課程體系設置中貫穿創新主線，通過基礎課、技術基礎課培養學生的創新意識，通過專業課、創新大賽和科研訓練計劃培養學生的創新能力，通過實踐課、畢業設計、科研立項培養學生的創新人格，從培養學生的創新意識、創新能力和創新人格三個層次上構建新型的面向機械產品設計全過程的創新型人才培養模式。

關鍵詞：TRIZ；創新主線；一線三段；人才培養模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0099-02

一、引言

創新的關鍵在于人才，人才的成長靠教育，因此，如何使高校學生具有創新意識和創新能力，適應時展的要求成為當今社會的要務。開發學生的創新思維和提升創新能力成為我國教育改革的主旋律，也是教學改革的根本目標，貫穿于教育的全過程。關于本科學生創新思維及創新能力的培養，存在很多觀點及論述。諸如：轉變教育觀念[1]、構建合理的課程體系[2-3]、改革教育方式[4]、營造創新教育環境、充分尊重學生的首創精神、改革考試方法等。但如何能夠加速創新思維與創新能力培養的步伐呢？發明問題解決理論TRIZ方法是一種知識化、系統化、科學化的創新方法，被世界公認為引導創新的最佳工具，近幾年紛紛掀起了國內眾多學者研究的熱潮。將TRIZ理論引入本科生培養體系中，開展以技術創新能力培養為目標的教學改革與工程實踐活動，可以真正將創新思維與能力培養落到實處。河北工業大學在機械專業本科教學中開設發明問題解決理論TRIZ方面的課程走在了各高校的前列，結合機械專業對創新能力培養與實踐能力培養的要求，提出了基于TRIZ理論的“一線三段”式本科生培養模式，為培養能夠從事機械領域創新設計方面的應用型高級專業人才奠定了基礎。

二、TRIZ理論與本科課程教學的融合

TRIZ發明問題解決理論，是前蘇聯G.S.Altshuller及其領導的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國大量專利的基礎上，歸納總結出的指導創新的最佳理論。通常認為TRIZ理論由以下九大部分組成：技術系統的進化法則；最終理想解（IFR）；40個發明原理；39個標準工程參數和矛盾矩陣；物理矛盾和四大分離原理；物一場模型分析；發明問題的標準解法；發明問題解決算法（ARIZ）；科學效應和現象知識庫。

將TRIZ理論等創新方法引入到機械專業課程體系中，在課程體系設置中貫穿創新主線，在課堂教學、課程設計、實踐教學、畢業設計等教學環節融理論教學、項目教學、科學研究、工程實踐和實驗教學為一體，同時結合大學生的創新創業計劃，創新大賽等實踐環節，構建面向學生創新能力提升的創新型人才培養模式，搭建實踐創新平臺，通過課堂教學和實踐訓練潛移默化地培養學生科學的思維方式和方法，獨立分析、解決問題的能力，提升學生的創新意識及創新能力，進而塑造學生的創新人格。

三、構建一線三段式教學體系

1.將發明問題解決理論TRIZ引入到機械專業課程體系中，在課程體系設置中貫穿創新主線，構建了面向機械產品設計全過程的學生創新意識、創新能力、創新人格的培養模式，對現有的專業課程體系進行規劃、調整，將TRIZ基本原理、概念和工具引入到專業基礎課課堂教學中，并積極引導學生選修創新思維類課程，使學生建立創新概念，重點培養創新意識，理解創新理論及創新意識在產品設計中起到的重要性。開設《創新設計》――TRIZ創新課程，使學生系統地學習TRIZ理論中的理想解、沖突理論、資源分析、技術進化、物質―場分析等創新方法及工具，并通過案例式教學和項目式教學，增強學生學習積極性、主動性，培養學生的創新意識和科學的思維方式。并通過引導學生參加創新大賽、科研訓練計劃等環節，運用TRIZ工具進行產品創新設計工作，重點培養創新能力。

2.將TRIZ基本原理、概念和工具引入到專業基礎課課堂教學中，并積極引導學生選修創新思維類課程，使學生建立創新概念，重點培養創新意識，理解創新理論及創新意識在產品設計中起到的重要性。目前我校開設了《創新設計》、《創新思維與現代設計》、《科研技能與創新思維》、《創新思維與訓練》等創新思維學習及訓練類的校選課，其中《創新設計》課程介紹TRIZ理論的基本概念及經典創新工具，如理想解、資源、創新分級等重要基本概念，沖突理論、物質-場分析等創新工具。

3.在專業課程、實踐環節和畢業設計中，應用TRIZ理論，培養學生的創新意識和創新能力。《創新設計》課程授課采用案例式教學和項目式教學，每班分多組，每組3―5人，要求學生運用所學的TRIZ理論知識和工具，就自己熟悉的案例進行練習，要求課程結束時完成并答辯。項目引導式的教學方式大大提高了學生的學習積極性、主動性。學生提交課題涉及生活、交通、日常品、建筑、軍事等多方面，培養了學生發現問題、分析問題及解決問題的能力，鍛煉了學生的創新思維能力。在第七學期的專業實踐課中，為了提高學生的工程創新意識和創新能力，在傳統的數控編程、仿真及加工內容基礎上，增加了基于PLC控制的工業產品裝置研發內容。學生自己提設計方案，經與指Ю鮮溝通、討論最后確定方案，開發了繪圖機、電梯、立體車庫、刷墻機、搬運機器人、分揀機械手、刻章機等機電裝置。該實踐課要求學生從任務出發，首先擬定系統功能，進行功能分解及結構求解，備件選型及方案評估。設計過程中應用TRIZ理論解決存在的問題，進行結構創新、原理創新性的方案設計。在畢業設計環節，部分老師的畢業設計課題，要求學生應用TRIZ理論，進行方案的理想解分析、設計沖突解決、技術預測分析等，培養了學生獨立分析問題、解決問題的能力，提升了學生的工程創新意識和創新能力，搭建了TRIZ理論實習、實踐基地，為培養學生的創新能力提供了實踐平臺。依托我校的國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，搭建了TRIZ理論學習、實踐平臺，與機械學院合作，通過引導大學生參加校內外的大學生創新實踐活動，指導學生應用TRIZ理論提出創新設計方案。近幾年學生共進行課題研究幾十項，鍛煉了學生發現問題、分析問題及解決問題的能力，創新能力得到進一步提升。

4.指導學生積極參加創新類大賽及科研訓練實踐活動，進一步提升學生的創新能力，塑造創新人格。近幾年積極鼓勵學生參加以“TRIZ杯”、“挑戰杯”、“機械設計創新大賽”為代表的國家級、省級等各種創新設計大賽和科研訓練計劃。通過實踐鍛煉、鞏固TRIZ理論相關知識，培養學生科學的思維習慣，鍛煉學生自主創新能力。

四、結論

通過以上的教學模式改革和實踐，以提升學生創新能力為目標，構建了將TRIZ理論和專業基礎課程、專業課程、課程設計、畢業設計、創新實驗等教學環節相融合的課程體系。并在課程體系設置中貫穿創新主線，通過將創新思維、創新方法基本原理、概念和工具引入專業基礎課課堂教學、各類實踐環節和引導學生參加創新大賽、科研訓練計劃及自主創業等環節，從培養學生的創新意識、創新能力和創新人格三種層次上構建新型的面向機械產品設計的全過程的創新型人才培養模式。通過以上教學及實踐過程，學生了解了創新思維及創新方法的基本概念、原理、方法和工具，并初步具有應用創新方法發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養了學生的創新意識和創新能力。

參考文獻：

[1].和學新，張健.教育觀念轉變機制若干問題的探討[J].江西教育科研，2007，（08）：8-10.

[2].謝安邦.構建合理的研究生教育課程體系[J].高等教育研究，2003，（05）：68-72.

機械創新設計的基本原理范文第2篇

關鍵詞：機械；創新設計；分析

1.機械的創新設計

以機械基礎功能的改造、完善為出發點，實現生產機械的能夠要求滿足工作性能的進步要求，并為企業或單位創造更多的經濟利益是是機械創新設計的基本目標。我國在機械制造方面有著十分豐富的經驗，專業技術人員將機械的創新設計總結為以下四個步驟：1.結合生產任務和要求來確定機械運作的基本原理；2.對機械的結構類型進行綜合比較后再進行選擇；3.機械運作尺寸和相關參數的優質選擇；4.機械運動學參數進而相關動力參數的優質選擇。上述四個階段完成后，機械設計的方案優選便告一段落，后期工作就是對機械的結構進行創新設計。相較于傳統的機械設計而言，機械創新設計的整個過程其實并沒有做出多大的改變，該設計工作的重點全部放在了機械創造性和主導性凸顯的環節上。

2.機械創新設計的基本特征

這項設計工作有具備以下四大基本特征：1.設計過程中涉及的科學技術范圍廣，多門學科技術在設計的過程中彼此滲透、交叉、融匯；2.設計工作涉及到非計算性或非數據性的工作內容時，必須要依靠設計人員累積的工作經驗來進行分析、思考、判斷，發散性的創造思維的運用頻率較高；3.方案設計人員要結合自己的知識內涵、工作經驗、設計靈感和想象能力來對方案進行優化；4.階段性機械設計的過程反復性較強，每一次的篩選對比都遵循了一定的方法和原則。這四大基本特這與機械創新的設計環節是緊密相連的，兩者之間的結合促進了設計系統的構建完善。

3.機械創造設計思維的基本概念

設計人員在對個人知識內容、設計經驗、市場信息及素材的搜集整理后，打破傳統的設計思維模式，經過一系列的分析思考構建后，說出個人或團隊的設計方案或設計程序，對傳統的思維模式進行突破創新。機械設計的創造性思維與邏輯思維不同，邏輯性思維必備一定的單解性和單向性，是一種趨于“平面”狀態的設計思維，而創造性思維則是在創造想象的基礎上構建而成的一種設計思維，靈感、幻想、聯想和直觀是該設計思維的構建因素，創新設計的過程中不會出現邏輯推理的分析環節，而是以“立體”的整體形象出現在我們面前。

4.機械創新設計常用的方法

由于時展的基本需求，現代機械創新設計的發展已經逐步趨向成熟，筆者對幾種創新設計方法進行了整理，機械創新設計中常見的有以下幾種方法：

4.1.仿生類比設計法

所謂仿生類比設計法，就是在分析類比自然界生物機能的基礎上，對機械運作與生物運動之間不同程度的差異性和相似相進行分析比對，進一步激活創新思維，激發機械創新設計的靈感，完成機械設計的規劃方案。

4.2.智力合成設計法

此類設計方法的應用要以團體為單位，設計小組的每一位成員都可以提出自己的設計分析思考，并通過集體分析討論的形式來對創新設計思維進行激活、發散。取長補短和相互鼓勵是集體討論應該遵循的設計原則，以此保證設計小組成員的設計靈感能夠持續不斷地得到激發，不同創新構想之間的碰撞和融合，能夠促進機械創新設計的方案規劃更加全面。設計討論前要明確設計方案的目標要求，做好事前準備，討論過程中，尊重每一位成員的設計構想，鼓勵思考自由、標新立異設計思維的發展；不能夠帶著批判的負面態度來面對設計構想的討論分析；方案評價宜遲不宜早，在設計人員在對自己的設計構想進行分析闡述后，提出一些個人的看法和建議；做到有的放矢，不要在沒有具體方案構成時就空泛而談；設計團隊成員之間人人平等，設計方案的討論判決不遵循少數服從多數的選擇原則；分析討論期間的設計構想和經驗交流要記錄下來，整理工作人員要及時對其進行總結歸納，為下次討論會議效率的提升做好保證；最后的討論判定在結合機械設計要求的基礎上選擇綜合能力最強的、最為適宜的設計方案，并對其可行性進行審核。

4.3.技術移植設計法

此類機械創新設計方法思維方向比較明確，直接將某一領域內較為先進的技術方法移植到另一工作領域內，小到技術設計思想，大到產品的先進技術應用，都可以成為技術移植設計的對象和內容。

4.4.列舉創新設計法

在列舉創新設計法中，機械設計的要求和參數標準直接轉換為設計問題開展列舉，以輔助創新思維構建方向的引導。因為機械結構的特性已經被分析得十分透徹，并在設計方案的規劃過程中融入了設計者的個人意愿，諸多設計因素的列舉，有利于創新設計方案的改進和提出。

5.歸納總結：

綜上所述，現展逐漸傾向于個性化，由于機械生產的規格還是以中小批量和單件生產為主，因此機械的設計應該在滿足生產主流的前提下進行設計創新，以此凸顯生產商品在市場中的競爭力，為企業或單位經濟效益的增長作出一份貢獻。

參考文獻：

機械創新設計的基本原理范文第3篇

關鍵詞 機械設計基礎 實驗教學 創新能力

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.05.067

“機械設計基礎”是機械專業學生的主要技術基礎課程之一，是培養學生分析、解決工程實際問題和創新能力的主干課程，是連接基礎理論知識和實踐的橋梁。機械基礎實驗教學不僅是培養學生理論與實踐相結合、解決分析問題的能力，同時它也是啟迪學生創新思維、開拓學生創新潛能的重要手段。因其自身的基礎性和平臺作用，可以方便地指導學生進行發散思維訓練和創新設計工作。而機械設計基礎實驗教學正是培養學生創新能力的一個重要環節。

1實驗教學的重要作用

實驗教學是使學生在特定的環境下通過學生的主觀努力完成的教學過程，它在培養學生綜合能力方面具有特定的優勢，它的直觀性、實踐性、綜合性是理論教學不可替代的。學生通過實踐教學培養出來的綜合能力包括動手能力、觀察分析能力和勇于探索的創新精神。在實驗的過程中，學生不僅可以學會選擇、正確使用各種儀器，而且可以驗證所學的基本理論，培養實事求是的科學態度。同時，實驗教學是學生鞏固理論知識、掌握實驗技能、培養創新思維的重要環節，從某種意義上講，對啟發學生的想象思維和創新意識起著點石成金的作用。

機械設計基礎課程是學生進行機械綜合設計的基礎課程，同時也是工程意識訓練的主要課程。機械設計基礎實驗教學是一個必不可少的實踐環節，它對實現理論課程教學目標起著特別關鍵的作用。

加強實踐教學環節是高等工科院校課程教學改革的一個特別重要的方向。改革以往高校課程教學中重視理論知識，輕視實踐環節、忽略實際應用的狀況；完成全新的實驗教學體系的構建；滿足社會對創新型人材培養的要求。為此目的，我們緊緊圍繞機械設計基礎課程教學內容與體系，對機械設計基礎實驗教學的方法進行了改革探索，完善了實驗教學體系、改革了實驗教學手段和方法。

2重視基礎性實驗，培養學生的基本技能

基礎性實驗大多屬于演示性和驗證性實驗，如機械認知實驗、齒輪范成實驗、帶傳動實驗等，但這些實驗對促進學生理解課程內容基本原理，掌握基本技能，消化吸收基本概念，鞏固基礎知識，培養科學思維的能力和嚴謹的工作作風起著直接的作用，是由感性認識進一步發展成理性認識的過程。因此，如何最大限度發揮基礎性實驗在教學中的作用，是廣大教師應該深思的問題。我院結合機械原理及機械設計實驗室目前的具體情況，在實驗教學方法、實驗要求和方式上的進行完善和改造，使其發揮更好的作用。

如在機械認知實驗中，我們針對機械原理部分、機械設計部分分別配備了實驗演示柜、實物展示柜和機械系統展示廳，組成了機械認知的實驗教學體系，并有機地與工程訓練中心、機電一體化實驗室等相關專業實驗室相結合，充分做到可看、可記、可操作。在整個機械認知實驗中，教師除了做認真的講解外，允許學生隨時提問，鼓勵學生動手操作，引導學生開展討論，充分調動學生學習的積極性，激發學生對機械認知的興趣，培養學生掌握實驗操作技能，這樣的教學模式深受學生歡迎。

又如在機構運動簡圖測L實驗中，實驗室提供大量的機構模型，讓學生親手測量機構尺寸，并按一定的比例關系繪制出合理的運動簡圖，增強學生對理論教學內容的理解，然后再對一臺真實的內燃機進行實際機構的測繪，實驗的難度逐步加大，鍛煉學生實際動手能力、發現問題、解決實際問題的能力。這些實驗為實驗教學有力開展打下了堅實的基礎，為實驗教學順利有序的進行提供了基本保障。

3更新實驗教學內容，培養學生的綜合能力

提高實驗教學質量，培養學生的綜合能力，必須對實驗教學內容、手段、方法進行更新，改變實驗教學環境，提高實驗教師水平。為了培養學生的綜合能力，必須改善現有的教學條件，為此，我們購置一些新的實驗設備，編寫實驗大綱、實驗指導書，開展應用性較強的設計性、綜合性實驗研究。

在JCY機械傳動性能綜合性實驗臺上開設機械傳動性能綜合性實驗。該實驗可對齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動、蝸桿傳動等機械傳動或上述組合的傳動系統進行綜合性能測試。實驗突出了設計性、綜合性的特點。通過該項實驗學生掌握合理布置機械傳動的基本要求，機械傳動方案設計的一般方法，并利用機械傳動綜合實驗臺對機械傳動系統組成方案的性能進行測試，分析組成方案的特點，設計滿足條件的機械傳動系統，完成傳動系統運動參數和組成方案設計。掌握機械傳動系統性能測試的基本原理和方法，測試常用機械傳動裝置在傳遞運動與動力過程中速度曲線、傳動比曲線、效率曲線等各種參數曲線。按照組成方案搭接機械傳動性能測試系統并進行測試，完成組成方案的機械性能分析，樹立用實驗手段來分析機械設計方案的思想，加深對常見機械傳動性能的認識和理解，培養了學生的綜合能力。

在3DMC實驗臺開展機構組合與創新實驗。學生通過機械原理、機械設計學習中所萌發的創造性思維可以從本實驗臺上得以實現。該實驗臺可拼裝連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、間歇運動機構、帶傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動以及由它們組合成的性能各異、平面的、空間的機械傳動系統，培養了學生機械傳動方案的設計能力。實驗臺可以測試原動件和執行構件以及中間任意構件的位移、速度、加速度等參數，學生將測試的參數與設計結果及理論分析結果進行比較，增強了學生的創新意識和實際動手能力。

軸系結構設計與分析實驗。軸系結構是機械系統的重要組成部分，涵蓋了軸承、聯軸器、鍵聯接及螺紋聯接，轉子動力學等內容。通過該項實驗，學生們掌握了軸及軸上零件的結構、功用、工藝要求和裝配關系；熟悉軸的結構設計和軸承部件組合設計的基本要求，掌握軸及軸上零件的定位與固定方法；通過軸系部件的組裝與測繪，學會對現有機械部件進行結構分析，培養結構設計能力。

4引入創新性實驗，培養學生的創新意識

創新性實驗是指通過實驗獲得的新的發現與發明，獲得新的技術和方法，具有一定社會價值的原創性實驗，這類實驗應在分析、綜合性實驗基礎上，探索奧秘，獲取新數據、新理論和新方法。創新是人類文明進步的原動力，是國民經濟發展的基礎。實驗教學是培養學生實踐能力及創新能力的重要方法之一。

在JPCC-II平面機構創新組合及運動參數分析實驗臺開設平面機構創新組合測試分析實驗。該實驗是為本科生和研究生而設計的有關平面機構創新設計的綜合性、設計性、研究創新性實驗。可進行基本平面機構的設計、拼裝（本實驗臺提供13種以上傳動方案）及進行運動、動力學分析，培養學生創新意識和工程實踐能力。

在JDT-A/I機構系統動力學調速實驗臺開設機構系統動力學調速實驗。該實驗可對機構原動件及執行構件的動態參數進行測試和仿真，利用計算機軟件，角位移動傳感器，數據采集卡，觀察機構的周期性速度波動現象和繪制測試和仿真曲線；利用飛輪的質量變化，觀察分析速度波動變化情況；學生利用計算機程序進行設計，獨立自主完成實驗。

開設計算機凸輪機構仿真設計測試綜合實驗。該實驗通過計算機軟件對機構的動態參數進行測試，計算機軟件對機構的運轉進行動態仿真，凸輪可更換，配備8個不同運動規律的平面凸輪和一種圓柱凸輪，還配備凸輪制圖軟件，可自行在線切割機上加工任意規律的凸輪實驗。計算機軟件具有多媒體教學功能，學生可自主地進行實驗，培養學生的獨立工作能力。

5開放實驗室，發揮學生的創新能力

針對學生在機械設計方面具備的基礎知識、實驗技能、感性認識，榕嘌提高學生的創新能力，我們開放機械創新實驗室，為學生提供工程實驗、工程設計平臺。讓學生走進實驗室，組建創新團隊，發揮學生主體作用，激發學生學習的積極性，把理論與實踐結合起來，提高學生的創造性綜合素質，培養學生團結合作精神。

學生創新團隊從課題選題、資料收集、申請立項、實驗方案設計、數據分析到報告編寫、結題答辯，充分發揮團隊每個學生的特長，運用所學的知識，分工合作，開展課題研究，將理論與實踐相結合。同學們克服了眼高手低、只說不做的通病，團結合作精神得到加強，創新意識、創新思維得到拓展，實際動手能力、工程設計能力得到了全面鍛煉。

學生在開放的實驗室里，在老師的指導下完成了多項大學生創新項目，發表了科技論文，有的項目還申請了國家專利。通過參加創新項目，不但提高了學生的動手能力，而且對已學過的理論知識也起到了融會貫通的作用。在這個開放式教學平臺上學生的想象力得到充分發揮，創新意識明顯加強。同時實驗室資源得到了充分利用。

機械創新設計的基本原理范文第4篇

從18世紀以來，機器逐步代替人力勞動，用于做功或轉換能量。做功的機器不僅大大提高了勞動生產率，而且很好地保證和提高了產品的質量。由于機器實現的能量轉換，人們發明了多種多樣的工作機械，提高了人類的生產水平，改善了自己的生活條件。機器的設計是由具體的機構物化為實體的產品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機械的結構設計是產品設計的重要一環，在機械設計課程中，機械結構設計也是非常重要的教學內容。在機械結構的設計中，應“勤于學習、善于思考、勇于探索、敏于創新”，以偉大的接納之胸懷學習前人成果，并以開拓的精神實現偉大的創造。機械結構的設計不是具體案例的機械堆砌，而是有其內在的知識基礎、設計的方法和物理原理。本文擬從機械結構的設計方法和設計原理兩個方面，討論機械結構設計的內在知識和結構創新的基本途徑，但本文不討論機械制造工藝性對機械結構的要求。

二、機械結構設計的方法

1.經驗設計。從現代科學誕生以來，機械科學與技術已有300年的歷史。機械的連接結構、傳動結構和支撐結構等已經積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設計方法，而不是記憶這些案例的具體結構設計，這是經驗設計中的關鍵。具體的產品設計，例如車床，其結構設計可以參考前人的設計圖紙，這對于提高設計效率，汲取前人經驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經驗，可以吸收他人的結構創新方法，同時也拓寬了自己的設計思路。隨著機械結構數據庫的出現和搜索方式的更新，對他人的相關結構設計的學習將更加方便。經驗知識是結構設計的寶貴財富，也是公司的知識資產。通過對國內外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結構設計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產權。“古人傳下來的學問，就是裝在船里的貨物。現在的新潮流、新趨勢，就是行船的風。”在學習他人的結構設計創新點的基礎上，設計者應有自己的革新與發明、自己的創造。

2.理論設計。機械結構設計的理論方法，討論的是機械結構設計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設計、復合化設計、分級結構設計、載荷均布性設計和變結構設計。隨著結構優化、結構可靠性和概率設計等方面的發展和具體應用，機械結構的理性設計方法也在不斷的推陳出新。模塊化和組合化設計。一臺機器總體是由提供不同功能的結構單元有機的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復雜的機電系統和設備中，模塊化和組合化的設計理念是有效的結構設計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設計概念；我國的組合化機床的設計在上世紀70年代就已經取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結構單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。復合化設計。復合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構件來設計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結構的設計就是將兩個凸輪設計成一個零件；一根連桿在組合結構中同時作為兩個或兩個以上機構的結構件。復合化方法可以降低機械的制造成本、減輕機器的重量、縮小機器的尺寸和降低產品的成本。分級結構設計（層次化設計）。復雜的制造設備是由分級的機械結構組成，大功能層次的結構是由若干個分功能結構組成。層次化不僅是功能樹結構的要求，而且也是制造工藝對結構設計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統組成。復雜機電產品的設計，例如組合挖掘機的設計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統，在執行系統處分開。層次化結構設計方法在構想分級結構階段，能夠幫助設計者厘清思路，從而找出結構設計的關鍵點，集中解決結構設計中的難點問題。載荷均布性設計。由于機械結構設計的特點，希望載荷分布均勻，充分發揮材料的機械力學性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設計、對數滾子的設計，為了取得接觸應力的均布，從而修形零件，實現結構的優化設計。行星齒輪減速器的設計也體現了載荷均布性的設計理念，從機構運動學來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結構設計更好。變結構設計。機械結構的創新常常采用變結構的方法，變結構可以改變機械結構的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結構設計變為轉動導桿結構設計。變結構可以改變實現功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設計。變結構也可以降低機器的設計成本，例如利用死點的桌面支承設計。

3.模型試驗設計。相似模型試驗設計。基于機器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設備進行模型試驗設計。通過模型結構設計和試驗分析，獲取機械結構的可靠性、并預測機器的工作性能。模型相似的設計方法已在工程領域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結構設計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗模型的工作性能以及其可靠性等指標，優化水輪機組的結構設計和工作能力。機械結構的設計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發明和新的科學原理的發現，在日新月異地發展，不斷出現新的機械結構設計方法，同時對前人的機械結構設計進行革新。

三、機械結構設計的原理

機械結構的設計必然要依據技術科學的原理，例如：理論力學原理、材料力學原理、彈性力學原理、疲勞力學原理、流體力學原理、熱力學原理、摩擦學原理、聲學原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機械結構設計中的應用，以期總結機械結構設計的常用原理，討論機械結構設計的原理在今后結構創新設計中的可能性。理論力學原理。理論力學是機構設計的基礎理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結構必然反映到機械結構的設計中來。例如，軸承轉子系統動力學的設計，其動力學及其穩定性的設計，要求修改軸承的設計和軸的剛度設計。材料力學原理。機械零件的強度和剛度設計是基于材料力學理論的，強度或剛度不足時，就需要修改零件的結構設計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設計，當齒面接觸強度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當齒根彎曲強度不夠時就要求增大齒輪的模數。彈性力學原理。彈性力學分析是零件應力應變計算的基礎，例如滾動軸承中滾子修形的設計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結構優化設計中，常常用到彈性力學理論。疲勞力學原理。機械零件上的機械載荷在工作過程中常常是變動的，例如汽車中的軸、軸承和齒輪上的載荷都是變化的，這種變化的載荷具有一定的統計特征。變載荷下軸和滾動軸承的疲勞壽命設計等工程內容，已經發展成機械零件的概率設計。

為了更精確地設計機械零部件，疲勞力學在機械結構設計中會得到越來越多的應用。流體力學原理。流體傳動和動靜壓軸承等的設計是依據流體力學原理的，流體力學也是機械結構創新的基本原理之一。例如靜壓導軌的設計、動壓滑動軸承的設計，要依據流體的質量守恒定律、平衡原理等，優化設計的結果要求修改導軌或軸承的結構型式和尺寸參數。熱學原理。熱力學和傳熱學在機械零部件的設計中有很廣泛的應用，導軌的熱精度設計、齒輪和滾動軸承的膠合分析、隔熱結構設計等等。摩擦學原理。耐磨或加快磨損是摩擦學設計的核心，例如圓錐銷的設計、組合螺母的設計，就是為了補償零件的磨損，使得零件在磨損后仍能實現其設計的功能。磨削和拋光制造工藝是利用零件磨損的加工方法。聲學原理。在機械系統的噪聲分析和研究中，依據物理聲學的原理及其分析方法，得到噪聲的頻譜和功率譜等分析結果，以指導機械結構的設計，例如低噪聲滾動軸承的設計。今后，可以考慮利用機械噪聲來進行產品設計，例如聲爆彈的設計、信號中噪聲信息干擾的設計等。智能原理。機械結構設計的原理將向智能化、生物化的方向發展。隨著智能技術的應用，機械結構具有靈敏的智能功能。測試技術、控制理論和信息論是機械結構智能設計的基礎。

機械創新設計的基本原理范文第5篇

關鍵詞：密封；機械密封；TRIZ理論；磁力

機械密封是一種至少有一對垂直于旋轉軸的端面，在補償元件和介質壓力的作用下而防止流體泄露的密封裝置，也稱為端面密封。它是流體機械和動力機械中不可缺少的零部件[1]。由于機械密封具有泄漏量少、功率損耗小、壽命長等優點，所以被廣泛應用于離心泵、離心機以及反應釜等設備[2]。機械密封按密封端面接觸狀態可分為接觸式機械密封和非接觸式機械密封，本文主要針對非接觸式機械密封進行研究。非接觸式機械密封的基本原理是介質通過相對轉動的動環和靜環間的間隙時，形成一極薄的流體膜，從而產生阻力，阻止泄漏[3]。流體膜壓力由流體動壓效應產生的流體動壓型機械密封和流體膜壓力由流體靜壓力效應產生的流體靜壓型機械密封都屬于非接觸式機械密封。其中流體動壓型機械密封能較好的滿足高PV工況，且具有省工、泄漏小、工作壽命長等優勢，因此廣泛應用于宇航、海洋、核能利用等工業[4]。但對于反應釜、攪拌機等主軸轉速較低的設備，過低的轉速難以形成足夠的流體膜開啟力和剛度，無法保證密封的正常運轉[5]。在近年來的機械密封設計中，研究人員對摩擦副、材料、密封動靜環的結構方面進行了很多研究，但缺乏對密封裝置整體機構改變的創新。本文主要針對非接觸式機械密封現研究階段所存在的問題，以TRIZ理論為指導，以實現非接觸式機械密封端面間隙可主動調控為目標，進行創新設計。

1.TRIZ理論簡介

TRIZ的含義是發明問題的解決理論， 其拼寫是由“發明問題解決理論”俄語含義的單詞置換成英語單詞的字頭組成的。該理論是前蘇聯G.S.Altshuler及其領導的一批研究人員，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎上，提出的由解決技術問題和實現創新開放的各種方法、算法組成的綜合理論體系。TRIZ是一種基于知識的、面向人的、系統化的解決發明問題的理論[6， 7]。TRIZ解決問題的流程：首先，將領域問題應用39個工程參數轉化為TRIZ標準問題；然后，應用TRIZ的40條原理得到TRIZ的標準解；最后，針對實際問題，應用專業知識，通過類比思維將標準解轉化為解決實際問題的領域解。

2.機械密封創新設計過程

2.1 問題分析

傳統的非接觸式機械密封結構如圖1所示，它存在兩個問題：其一是無法主動調整密封端面間隙。因受密封系統本身及外界干擾，如密封環端面劃痕、軸向竄動、力（熱）變形、端面磨損、壓力波動、操作不當等導致工況發生波動時，由于無法對密封間隙進行主動控制，密封穩定性可能會受到影響。其二是密封間隙大小及端面流體膜穩定性嚴重依賴于機組工況及介質條件，特別是機組轉速。密封面間較高的相對轉速有利于獲得更大的流體膜承載力和剛度，但給定機組的轉速往往是不可改變或只能在一定范圍內變化的，這極大限制了高性能端面流體膜的形成，導致機械密封的性能和使用范圍受到了限制。現欲設計一種機械密封結構，實現密封端面間隙的主動調節，使密封的穩定性不再與機組轉速直接相關和受其約束，能適用于轉速更加廣泛的場合。

圖1傳統動壓非接觸式機械密封結構 圖2 非接觸式磁力密封結構

2.2 應用TRIZ解決技術矛盾

首先，將機械密封中的問題抽象成TRIZ中的39個標準工程參數。由分析問題的結果，我們可知希望改進的參數是：結構的穩定性、適應性或多用性，惡化的參數為：監控與測試的困難性、裝置的復雜性。由TRIZ矛盾矩陣查得發明原理號為35、22、39、23和15、29、37、28。經過分析，選取23（反饋原理）、28（置換機械系統原理）。

利用TRIZ的第23（反饋原理）、28（置換機械系統原理）發明原理，對傳統非接觸式機械密封結構進行改進，在傳統非接觸式機械密封中加入傳感器，實時檢測密封間隙的變化情況，實現密封端面間隙的主動可調。用電磁驅動系統置換機械系統，以電磁力代替傳統非接觸式機械密封的流體膜動、靜壓力來獲得開啟力和閉合力，使密封間隙大小及端面流體膜穩定性不再依賴機組工況。改進后的非接觸式機械密封結構如圖2所示。同軸設置有旋轉密封環和靜止密封環，并以其軸向端面實現密封。動環為可作軸向位移且兩軸向端面均為密封面的鐵磁材料或永磁材料結構，兩個靜環分別設置于動環的軸向兩側，與動環相對的端面為密封面。動環與兩靜環之間存在一定大小的間隙，分別為h1和h2。兩個靜環分別開有一個大小相同的環形槽，槽內纏繞面積相等的線圈組。在兩靜環的邊緣分別裝有一個傳感器，以便檢測動環的偏移量信號。

2.3 非接觸式磁力機械密封工作原理

圖3 密封控制系統工作原理

上述非接觸式磁力機械密封工作時，動環隨轉軸轉動，由通電控制結構向兩靜環中的線圈通電，兩靜環分別對動環產生方向相反的電磁吸引力，該電磁作用力與密封端面間介質流體壓力綜合后形成對動環的大小相等、方向相反的吸引力，使動環懸浮于兩靜環之間的平衡位置，兩側密封端面間隙處于設計狀態，實現密封環間的非接觸式機械密封。運行過程中，當出現擾動，導致動環發生軸向位移偏離了平衡位置，即其動環兩側的密封間隙發生了增大/減小的改變，設置在各密封間隙部位的傳感器結構即可將相應的位置偏移量信號反饋到其所連接的通電控制結構，與預設范圍進行比較運算和放大處理后，轉換為相應增大或減小的控制電流，分別加載到兩靜環中的對應電磁線圈上，改變其兩側電磁鐵對動環的磁性作用力，通過兩側電磁鐵的合力使動環重新恢復到設定的平衡位置。

以上是基于TRIZ理論完成的一種非接觸式磁力機械密封設計，體現了TRIZ理論在創新設計中應用的高效性。該裝置改善了非接觸式機械密封運行的穩定性，使其能夠適用于轉速更加廣泛的場合。

3.結論

本文運用TRIZ理論對非接觸式機械密封進行了創新設計，在分析實際問題的基礎上，確定了結構的穩定性和監控與測試的困難性、適應性或多用性和裝置的復雜性之間的沖突領域，用TRIZ中的標準參數來描述沖突，查找矛盾矩陣，確定發明原理，設計出非接觸式磁力機械密封。此設計解決了一直困擾傳統非接觸式機械密封的問題，即無法主動調整密封端面間隙和密封端面間隙大小及端面流體膜穩定性嚴重依賴于機組工況的問題，使密封的穩定性不再受機組轉速的約束和影響，因此適用于轉速更加廣泛的場合且都能具有良好的動態性能，增強了非接觸式機械密封運行的可靠性和穩定性，具有良好的可實施性。

參考文獻：

[1]顧永泉. 機械密封實用技術 [M].北京： 機械工業出版社， 2001.

[2]車曉剛. 機械密封的原理及應用 [J]. 科技創新導報， 2008（31）： 231.

[3]張金鳳， 袁壽其， 曹武陵. 機械端面密封技術研究現狀及發展趨勢 [J]. 流體機械， 2004（10）： 26-31.

[4]王和順， 董霖，黃澤沛，等. 靜壓干氣密封端面流場數值模擬 [J]. 排灌機械工程學報， 2011， 29（2）： 165-169.

[5]劉尚明， 劉東亮， 劉恒義. TRIZ理論及其在機械產品創新設計中的應用[J]. 現代制造技術與裝備， 2007（03）： 43-44， 84.

[6]牛占文， 徐燕申， 林岳， 等. 發明創造的科學方法論――TRIZ [J]. 中國機械工程， 1999（01）： 92-97.

[7]沈萌紅. 創新的方法-- TRIZ理論概述 [M]. 北京： 北京大學出版社， 2011.

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