机械创新设计的基本原理

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机械创新设计的基本原理范文第1篇

摘要：创新思维和创新能力的提升是我国教育改革的主旋律和根本目标，将TRIZ理论引入本科生培养体系中，有利于提升学生的创新意识及创新能力。本文提出基于TRIZ理论的“一线三段”式本科生培养模式，在课程体系设置中贯穿创新主线，通过基础课、技术基础课培养学生的创新意识，通过专业课、创新大赛和科研训练计划培养学生的创新能力，通过实践课、毕业设计、科研立项培养学生的创新人格，从培养学生的创新意识、创新能力和创新人格三个层次上构建新型的面向机械产品设计全过程的创新型人才培养模式。

关键词：TRIZ；创新主线；一线三段；人才培养模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0099-02

一、引言

创新的关键在于人才，人才的成长靠教育，因此，如何使高校学生具有创新意识和创新能力，适应时展的要求成为当今社会的要务。开发学生的创新思维和提升创新能力成为我国教育改革的主旋律，也是教学改革的根本目标，贯穿于教育的全过程。关于本科学生创新思维及创新能力的培养，存在很多观点及论述。诸如：转变教育观念[1]、构建合理的课程体系[2-3]、改革教育方式[4]、营造创新教育环境、充分尊重学生的首创精神、改革考试方法等。但如何能够加速创新思维与创新能力培养的步伐呢？发明问题解决理论TRIZ方法是一种知识化、系统化、科学化的创新方法，被世界公认为引导创新的最佳工具，近几年纷纷掀起了国内众多学者研究的热潮。将TRIZ理论引入本科生培养体系中，开展以技术创新能力培养为目标的教学改革与工程实践活动，可以真正将创新思维与能力培养落到实处。河北工业大学在机械专业本科教学中开设发明问题解决理论TRIZ方面的课程走在了各高校的前列，结合机械专业对创新能力培养与实践能力培养的要求，提出了基于TRIZ理论的“一线三段”式本科生培养模式，为培养能够从事机械领域创新设计方面的应用型高级专业人才奠定了基础。

二、TRIZ理论与本科课程教学的融合

TRIZ发明问题解决理论，是前苏联G.S.Altshuller及其领导的一批研究人员，自1946年开始，在分析研究世界各国大量专利的基础上，归纳总结出的指导创新的最佳理论。通常认为TRIZ理论由以下九大部分组成：技术系统的进化法则；最终理想解（IFR）；40个发明原理；39个标准工程参数和矛盾矩阵；物理矛盾和四大分离原理；物一场模型分析；发明问题的标准解法；发明问题解决算法（ARIZ）；科学效应和现象知识库。

将TRIZ理论等创新方法引入到机械专业课程体系中，在课程体系设置中贯穿创新主线，在课堂教学、课程设计、实践教学、毕业设计等教学环节融理论教学、项目教学、科学研究、工程实践和实验教学为一体，同时结合大学生的创新创业计划，创新大赛等实践环节，构建面向学生创新能力提升的创新型人才培养模式，搭建实践创新平台，通过课堂教学和实践训练潜移默化地培养学生科学的思维方式和方法，独立分析、解决问题的能力，提升学生的创新意识及创新能力，进而塑造学生的创新人格。

三、构建一线三段式教学体系

1.将发明问题解决理论TRIZ引入到机械专业课程体系中，在课程体系设置中贯穿创新主线，构建了面向机械产品设计全过程的学生创新意识、创新能力、创新人格的培养模式，对现有的专业课程体系进行规划、调整，将TRIZ基本原理、概念和工具引入到专业基础课课堂教学中，并积极引导学生选修创新思维类课程，使学生建立创新概念，重点培养创新意识，理解创新理论及创新意识在产品设计中起到的重要性。开设《创新设计》――TRIZ创新课程，使学生系统地学习TRIZ理论中的理想解、冲突理论、资源分析、技术进化、物质―场分析等创新方法及工具，并通过案例式教学和项目式教学，增强学生学习积极性、主动性，培养学生的创新意识和科学的思维方式。并通过引导学生参加创新大赛、科研训练计划等环节，运用TRIZ工具进行产品创新设计工作，重点培养创新能力。

2.将TRIZ基本原理、概念和工具引入到专业基础课课堂教学中，并积极引导学生选修创新思维类课程，使学生建立创新概念，重点培养创新意识，理解创新理论及创新意识在产品设计中起到的重要性。目前我校开设了《创新设计》、《创新思维与现代设计》、《科研技能与创新思维》、《创新思维与训练》等创新思维学习及训练类的校选课，其中《创新设计》课程介绍TRIZ理论的基本概念及经典创新工具，如理想解、资源、创新分级等重要基本概念，冲突理论、物质-场分析等创新工具。

3.在专业课程、实践环节和毕业设计中，应用TRIZ理论，培养学生的创新意识和创新能力。《创新设计》课程授课采用案例式教学和项目式教学，每班分多组，每组3―5人，要求学生运用所学的TRIZ理论知识和工具，就自己熟悉的案例进行练习，要求课程结束时完成并答辩。项目引导式的教学方式大大提高了学生的学习积极性、主动性。学生提交课题涉及生活、交通、日常品、建筑、军事等多方面，培养了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，锻炼了学生的创新思维能力。在第七学期的专业实践课中，为了提高学生的工程创新意识和创新能力，在传统的数控编程、仿真及加工内容基础上，增加了基于PLC控制的工业产品装置研发内容。学生自己提设计方案，经与指Ю鲜沟通、讨论最后确定方案，开发了绘图机、电梯、立体车库、刷墙机、搬运机器人、分拣机械手、刻章机等机电装置。该实践课要求学生从任务出发，首先拟定系统功能，进行功能分解及结构求解，备件选型及方案评估。设计过程中应用TRIZ理论解决存在的问题，进行结构创新、原理创新性的方案设计。在毕业设计环节，部分老师的毕业设计课题，要求学生应用TRIZ理论，进行方案的理想解分析、设计冲突解决、技术预测分析等，培养了学生独立分析问题、解决问题的能力，提升了学生的工程创新意识和创新能力，搭建了TRIZ理论实习、实践基地，为培养学生的创新能力提供了实践平台。依托我校的国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，搭建了TRIZ理论学习、实践平台，与机械学院合作，通过引导大学生参加校内外的大学生创新实践活动，指导学生应用TRIZ理论提出创新设计方案。近几年学生共进行课题研究几十项，锻炼了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，创新能力得到进一步提升。

4.指导学生积极参加创新类大赛及科研训练实践活动，进一步提升学生的创新能力，塑造创新人格。近几年积极鼓励学生参加以“TRIZ杯”、“挑战杯”、“机械设计创新大赛”为代表的国家级、省级等各种创新设计大赛和科研训练计划。通过实践锻炼、巩固TRIZ理论相关知识，培养学生科学的思维习惯，锻炼学生自主创新能力。

四、结论

通过以上的教学模式改革和实践，以提升学生创新能力为目标，构建了将TRIZ理论和专业基础课程、专业课程、课程设计、毕业设计、创新实验等教学环节相融合的课程体系。并在课程体系设置中贯穿创新主线，通过将创新思维、创新方法基本原理、概念和工具引入专业基础课课堂教学、各类实践环节和引导学生参加创新大赛、科研训练计划及自主创业等环节，从培养学生的创新意识、创新能力和创新人格三种层次上构建新型的面向机械产品设计的全过程的创新型人才培养模式。通过以上教学及实践过程，学生了解了创新思维及创新方法的基本概念、原理、方法和工具，并初步具有应用创新方法发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养了学生的创新意识和创新能力。

参考文献：

[1].和学新，张健.教育观念转变机制若干问题的探讨[J].江西教育科研，2007，（08）：8-10.

[2].谢安邦.构建合理的研究生教育课程体系[J].高等教育研究，2003，（05）：68-72.

机械创新设计的基本原理范文第2篇

关键词：机械；创新设计；分析

1.机械的创新设计

以机械基础功能的改造、完善为出发点，实现生产机械的能够要求满足工作性能的进步要求，并为企业或单位创造更多的经济利益是是机械创新设计的基本目标。我国在机械制造方面有着十分丰富的经验，专业技术人员将机械的创新设计总结为以下四个步骤：1.结合生产任务和要求来确定机械运作的基本原理；2.对机械的结构类型进行综合比较后再进行选择；3.机械运作尺寸和相关参数的优质选择；4.机械运动学参数进而相关动力参数的优质选择。上述四个阶段完成后，机械设计的方案优选便告一段落，后期工作就是对机械的结构进行创新设计。相较于传统的机械设计而言，机械创新设计的整个过程其实并没有做出多大的改变，该设计工作的重点全部放在了机械创造性和主导性凸显的环节上。

2.机械创新设计的基本特征

这项设计工作有具备以下四大基本特征：1.设计过程中涉及的科学技术范围广，多门学科技术在设计的过程中彼此渗透、交叉、融汇；2.设计工作涉及到非计算性或非数据性的工作内容时，必须要依靠设计人员累积的工作经验来进行分析、思考、判断，发散性的创造思维的运用频率较高；3.方案设计人员要结合自己的知识内涵、工作经验、设计灵感和想象能力来对方案进行优化；4.阶段性机械设计的过程反复性较强，每一次的筛选对比都遵循了一定的方法和原则。这四大基本特这与机械创新的设计环节是紧密相连的，两者之间的结合促进了设计系统的构建完善。

3.机械创造设计思维的基本概念

设计人员在对个人知识内容、设计经验、市场信息及素材的搜集整理后，打破传统的设计思维模式，经过一系列的分析思考构建后，说出个人或团队的设计方案或设计程序，对传统的思维模式进行突破创新。机械设计的创造性思维与逻辑思维不同，逻辑性思维必备一定的单解性和单向性，是一种趋于“平面”状态的设计思维，而创造性思维则是在创造想象的基础上构建而成的一种设计思维，灵感、幻想、联想和直观是该设计思维的构建因素，创新设计的过程中不会出现逻辑推理的分析环节，而是以“立体”的整体形象出现在我们面前。

4.机械创新设计常用的方法

由于时展的基本需求，现代机械创新设计的发展已经逐步趋向成熟，笔者对几种创新设计方法进行了整理，机械创新设计中常见的有以下几种方法：

4.1.仿生类比设计法

所谓仿生类比设计法，就是在分析类比自然界生物机能的基础上，对机械运作与生物运动之间不同程度的差异性和相似相进行分析比对，进一步激活创新思维，激发机械创新设计的灵感，完成机械设计的规划方案。

4.2.智力合成设计法

此类设计方法的应用要以团体为单位，设计小组的每一位成员都可以提出自己的设计分析思考，并通过集体分析讨论的形式来对创新设计思维进行激活、发散。取长补短和相互鼓励是集体讨论应该遵循的设计原则，以此保证设计小组成员的设计灵感能够持续不断地得到激发，不同创新构想之间的碰撞和融合，能够促进机械创新设计的方案规划更加全面。设计讨论前要明确设计方案的目标要求，做好事前准备，讨论过程中，尊重每一位成员的设计构想，鼓励思考自由、标新立异设计思维的发展；不能够带着批判的负面态度来面对设计构想的讨论分析；方案评价宜迟不宜早，在设计人员在对自己的设计构想进行分析阐述后，提出一些个人的看法和建议；做到有的放矢，不要在没有具体方案构成时就空泛而谈；设计团队成员之间人人平等，设计方案的讨论判决不遵循少数服从多数的选择原则；分析讨论期间的设计构想和经验交流要记录下来，整理工作人员要及时对其进行总结归纳，为下次讨论会议效率的提升做好保证；最后的讨论判定在结合机械设计要求的基础上选择综合能力最强的、最为适宜的设计方案，并对其可行性进行审核。

4.3.技术移植设计法

此类机械创新设计方法思维方向比较明确，直接将某一领域内较为先进的技术方法移植到另一工作领域内，小到技术设计思想，大到产品的先进技术应用，都可以成为技术移植设计的对象和内容。

4.4.列举创新设计法

在列举创新设计法中，机械设计的要求和参数标准直接转换为设计问题开展列举，以辅助创新思维构建方向的引导。因为机械结构的特性已经被分析得十分透彻，并在设计方案的规划过程中融入了设计者的个人意愿，诸多设计因素的列举，有利于创新设计方案的改进和提出。

5.归纳总结：

综上所述，现展逐渐倾向于个性化，由于机械生产的规格还是以中小批量和单件生产为主，因此机械的设计应该在满足生产主流的前提下进行设计创新，以此凸显生产商品在市场中的竞争力，为企业或单位经济效益的增长作出一份贡献。

参考文献：

机械创新设计的基本原理范文第3篇

关键词 机械设计基础 实验教学 创新能力

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.05.067

“机械设计基础”是机械专业学生的主要技术基础课程之一，是培养学生分析、解决工程实际问题和创新能力的主干课程，是连接基础理论知识和实践的桥梁。机械基础实验教学不仅是培养学生理论与实践相结合、解决分析问题的能力，同时它也是启迪学生创新思维、开拓学生创新潜能的重要手段。因其自身的基础性和平台作用，可以方便地指导学生进行发散思维训练和创新设计工作。而机械设计基础实验教学正是培养学生创新能力的一个重要环节。

1实验教学的重要作用

实验教学是使学生在特定的环境下通过学生的主观努力完成的教学过程，它在培养学生综合能力方面具有特定的优势，它的直观性、实践性、综合性是理论教学不可替代的。学生通过实践教学培养出来的综合能力包括动手能力、观察分析能力和勇于探索的创新精神。在实验的过程中，学生不仅可以学会选择、正确使用各种仪器，而且可以验证所学的基本理论，培养实事求是的科学态度。同时，实验教学是学生巩固理论知识、掌握实验技能、培养创新思维的重要环节，从某种意义上讲，对启发学生的想象思维和创新意识起着点石成金的作用。

机械设计基础课程是学生进行机械综合设计的基础课程，同时也是工程意识训练的主要课程。机械设计基础实验教学是一个必不可少的实践环节，它对实现理论课程教学目标起着特别关键的作用。

加强实践教学环节是高等工科院校课程教学改革的一个特别重要的方向。改革以往高校课程教学中重视理论知识，轻视实践环节、忽略实际应用的状况；完成全新的实验教学体系的构建；满足社会对创新型人材培养的要求。为此目的，我们紧紧围绕机械设计基础课程教学内容与体系，对机械设计基础实验教学的方法进行了改革探索，完善了实验教学体系、改革了实验教学手段和方法。

2重视基础性实验，培养学生的基本技能

基础性实验大多属于演示性和验证性实验，如机械认知实验、齿轮范成实验、带传动实验等，但这些实验对促进学生理解课程内容基本原理，掌握基本技能，消化吸收基本概念，巩固基础知识，培养科学思维的能力和严谨的工作作风起着直接的作用，是由感性认识进一步发展成理性认识的过程。因此，如何最大限度发挥基础性实验在教学中的作用，是广大教师应该深思的问题。我院结合机械原理及机械设计实验室目前的具体情况，在实验教学方法、实验要求和方式上的进行完善和改造，使其发挥更好的作用。

如在机械认知实验中，我们针对机械原理部分、机械设计部分分别配备了实验演示柜、实物展示柜和机械系统展示厅，组成了机械认知的实验教学体系，并有机地与工程训练中心、机电一体化实验室等相关专业实验室相结合，充分做到可看、可记、可操作。在整个机械认知实验中，教师除了做认真的讲解外，允许学生随时提问，鼓励学生动手操作，引导学生开展讨论，充分调动学生学习的积极性，激发学生对机械认知的兴趣，培养学生掌握实验操作技能，这样的教学模式深受学生欢迎。

又如在机构运动简图测L实验中，实验室提供大量的机构模型，让学生亲手测量机构尺寸，并按一定的比例关系绘制出合理的运动简图，增强学生对理论教学内容的理解，然后再对一台真实的内燃机进行实际机构的测绘，实验的难度逐步加大，锻炼学生实际动手能力、发现问题、解决实际问题的能力。这些实验为实验教学有力开展打下了坚实的基础，为实验教学顺利有序的进行提供了基本保障。

3更新实验教学内容，培养学生的综合能力

提高实验教学质量，培养学生的综合能力，必须对实验教学内容、手段、方法进行更新，改变实验教学环境，提高实验教师水平。为了培养学生的综合能力，必须改善现有的教学条件，为此，我们购置一些新的实验设备，编写实验大纲、实验指导书，开展应用性较强的设计性、综合性实验研究。

在JCY机械传动性能综合性实验台上开设机械传动性能综合性实验。该实验可对齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动等机械传动或上述组合的传动系统进行综合性能测试。实验突出了设计性、综合性的特点。通过该项实验学生掌握合理布置机械传动的基本要求，机械传动方案设计的一般方法，并利用机械传动综合实验台对机械传动系统组成方案的性能进行测试，分析组成方案的特点，设计满足条件的机械传动系统，完成传动系统运动参数和组成方案设计。掌握机械传动系统性能测试的基本原理和方法，测试常用机械传动装置在传递运动与动力过程中速度曲线、传动比曲线、效率曲线等各种参数曲线。按照组成方案搭接机械传动性能测试系统并进行测试，完成组成方案的机械性能分析，树立用实验手段来分析机械设计方案的思想，加深对常见机械传动性能的认识和理解，培养了学生的综合能力。

在3DMC实验台开展机构组合与创新实验。学生通过机械原理、机械设计学习中所萌发的创造性思维可以从本实验台上得以实现。该实验台可拼装连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构、带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动以及由它们组合成的性能各异、平面的、空间的机械传动系统，培养了学生机械传动方案的设计能力。实验台可以测试原动件和执行构件以及中间任意构件的位移、速度、加速度等参数，学生将测试的参数与设计结果及理论分析结果进行比较，增强了学生的创新意识和实际动手能力。

轴系结构设计与分析实验。轴系结构是机械系统的重要组成部分，涵盖了轴承、联轴器、键联接及螺纹联接，转子动力学等内容。通过该项实验，学生们掌握了轴及轴上零件的结构、功用、工艺要求和装配关系；熟悉轴的结构设计和轴承部件组合设计的基本要求，掌握轴及轴上零件的定位与固定方法；通过轴系部件的组装与测绘，学会对现有机械部件进行结构分析，培养结构设计能力。

4引入创新性实验，培养学生的创新意识

创新性实验是指通过实验获得的新的发现与发明，获得新的技术和方法，具有一定社会价值的原创性实验，这类实验应在分析、综合性实验基础上，探索奥秘，获取新数据、新理论和新方法。创新是人类文明进步的原动力，是国民经济发展的基础。实验教学是培养学生实践能力及创新能力的重要方法之一。

在JPCC-II平面机构创新组合及运动参数分析实验台开设平面机构创新组合测试分析实验。该实验是为本科生和研究生而设计的有关平面机构创新设计的综合性、设计性、研究创新性实验。可进行基本平面机构的设计、拼装（本实验台提供13种以上传动方案）及进行运动、动力学分析，培养学生创新意识和工程实践能力。

在JDT-A/I机构系统动力学调速实验台开设机构系统动力学调速实验。该实验可对机构原动件及执行构件的动态参数进行测试和仿真，利用计算机软件，角位移动传感器，数据采集卡，观察机构的周期性速度波动现象和绘制测试和仿真曲线；利用飞轮的质量变化，观察分析速度波动变化情况；学生利用计算机程序进行设计，独立自主完成实验。

开设计算机凸轮机构仿真设计测试综合实验。该实验通过计算机软件对机构的动态参数进行测试，计算机软件对机构的运转进行动态仿真，凸轮可更换，配备8个不同运动规律的平面凸轮和一种圆柱凸轮，还配备凸轮制图软件，可自行在线切割机上加工任意规律的凸轮实验。计算机软件具有多媒体教学功能，学生可自主地进行实验，培养学生的独立工作能力。

5开放实验室，发挥学生的创新能力

针对学生在机械设计方面具备的基础知识、实验技能、感性认识，榕嘌提高学生的创新能力，我们开放机械创新实验室，为学生提供工程实验、工程设计平台。让学生走进实验室，组建创新团队，发挥学生主体作用，激发学生学习的积极性，把理论与实践结合起来，提高学生的创造性综合素质，培养学生团结合作精神。

学生创新团队从课题选题、资料收集、申请立项、实验方案设计、数据分析到报告编写、结题答辩，充分发挥团队每个学生的特长，运用所学的知识，分工合作，开展课题研究，将理论与实践相结合。同学们克服了眼高手低、只说不做的通病，团结合作精神得到加强，创新意识、创新思维得到拓展，实际动手能力、工程设计能力得到了全面锻炼。

学生在开放的实验室里，在老师的指导下完成了多项大学生创新项目，发表了科技论文，有的项目还申请了国家专利。通过参加创新项目，不但提高了学生的动手能力，而且对已学过的理论知识也起到了融会贯通的作用。在这个开放式教学平台上学生的想象力得到充分发挥，创新意识明显加强。同时实验室资源得到了充分利用。

机械创新设计的基本原理范文第4篇

从18世纪以来，机器逐步代替人力劳动，用于做功或转换能量。做功的机器不仅大大提高了劳动生产率，而且很好地保证和提高了产品的质量。由于机器实现的能量转换，人们发明了多种多样的工作机械，提高了人类的生产水平，改善了自己的生活条件。机器的设计是由具体的机构物化为实体的产品，以提供用户所要求的使用功能。因此，机械的结构设计是产品设计的重要一环，在机械设计课程中，机械结构设计也是非常重要的教学内容。在机械结构的设计中，应“勤于学习、善于思考、勇于探索、敏于创新”，以伟大的接纳之胸怀学习前人成果，并以开拓的精神实现伟大的创造。机械结构的设计不是具体案例的机械堆砌，而是有其内在的知识基础、设计的方法和物理原理。本文拟从机械结构的设计方法和设计原理两个方面，讨论机械结构设计的内在知识和结构创新的基本途径，但本文不讨论机械制造工艺性对机械结构的要求。

二、机械结构设计的方法

1.经验设计。从现代科学诞生以来，机械科学与技术已有300年的历史。机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。

2.理论设计。机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。模块化和组合化设计。一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。复合化设计。复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。分级结构设计（层次化设计）。复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。载荷均布性设计。由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。变结构设计。机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。

3.模型试验设计。相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。

三、机械结构设计的原理

机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。理论力学原理。理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的刚度设计。材料力学原理。机械零件的强度和刚度设计是基于材料力学理论的，强度或刚度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。弹性力学原理。弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。疲劳力学原理。机械零件上的机械载荷在工作过程中常常是变动的，例如汽车中的轴、轴承和齿轮上的载荷都是变化的，这种变化的载荷具有一定的统计特征。变载荷下轴和滚动轴承的疲劳寿命设计等工程内容，已经发展成机械零件的概率设计。

为了更精确地设计机械零部件，疲劳力学在机械结构设计中会得到越来越多的应用。流体力学原理。流体传动和动静压轴承等的设计是依据流体力学原理的，流体力学也是机械结构创新的基本原理之一。例如静压导轨的设计、动压滑动轴承的设计，要依据流体的质量守恒定律、平衡原理等，优化设计的结果要求修改导轨或轴承的结构型式和尺寸参数。热学原理。热力学和传热学在机械零部件的设计中有很广泛的应用，导轨的热精度设计、齿轮和滚动轴承的胶合分析、隔热结构设计等等。摩擦学原理。耐磨或加快磨损是摩擦学设计的核心，例如圆锥销的设计、组合螺母的设计，就是为了补偿零件的磨损，使得零件在磨损后仍能实现其设计的功能。磨削和抛光制造工艺是利用零件磨损的加工方法。声学原理。在机械系统的噪声分析和研究中，依据物理声学的原理及其分析方法，得到噪声的频谱和功率谱等分析结果，以指导机械结构的设计，例如低噪声滚动轴承的设计。今后，可以考虑利用机械噪声来进行产品设计，例如声爆弹的设计、信号中噪声信息干扰的设计等。智能原理。机械结构设计的原理将向智能化、生物化的方向发展。随着智能技术的应用，机械结构具有灵敏的智能功能。测试技术、控制理论和信息论是机械结构智能设计的基础。

机械创新设计的基本原理范文第5篇

关键词：密封；机械密封；TRIZ理论；磁力

机械密封是一种至少有一对垂直于旋转轴的端面，在补偿元件和介质压力的作用下而防止流体泄露的密封装置，也称为端面密封。它是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件[1]。由于机械密封具有泄漏量少、功率损耗小、寿命长等优点，所以被广泛应用于离心泵、离心机以及反应釜等设备[2]。机械密封按密封端面接触状态可分为接触式机械密封和非接触式机械密封，本文主要针对非接触式机械密封进行研究。非接触式机械密封的基本原理是介质通过相对转动的动环和静环间的间隙时，形成一极薄的流体膜，从而产生阻力，阻止泄漏[3]。流体膜压力由流体动压效应产生的流体动压型机械密封和流体膜压力由流体静压力效应产生的流体静压型机械密封都属于非接触式机械密封。其中流体动压型机械密封能较好的满足高PV工况，且具有省工、泄漏小、工作寿命长等优势，因此广泛应用于宇航、海洋、核能利用等工业[4]。但对于反应釜、搅拌机等主轴转速较低的设备，过低的转速难以形成足够的流体膜开启力和刚度，无法保证密封的正常运转[5]。在近年来的机械密封设计中，研究人员对摩擦副、材料、密封动静环的结构方面进行了很多研究，但缺乏对密封装置整体机构改变的创新。本文主要针对非接触式机械密封现研究阶段所存在的问题，以TRIZ理论为指导，以实现非接触式机械密封端面间隙可主动调控为目标，进行创新设计。

1.TRIZ理论简介

TRIZ的含义是发明问题的解决理论， 其拼写是由“发明问题解决理论”俄语含义的单词置换成英语单词的字头组成的。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，提出的由解决技术问题和实现创新开放的各种方法、算法组成的综合理论体系。TRIZ是一种基于知识的、面向人的、系统化的解决发明问题的理论[6， 7]。TRIZ解决问题的流程：首先，将领域问题应用39个工程参数转化为TRIZ标准问题；然后，应用TRIZ的40条原理得到TRIZ的标准解；最后，针对实际问题，应用专业知识，通过类比思维将标准解转化为解决实际问题的领域解。

2.机械密封创新设计过程

2.1 问题分析

传统的非接触式机械密封结构如图1所示，它存在两个问题：其一是无法主动调整密封端面间隙。因受密封系统本身及外界干扰，如密封环端面划痕、轴向窜动、力（热）变形、端面磨损、压力波动、操作不当等导致工况发生波动时，由于无法对密封间隙进行主动控制，密封稳定性可能会受到影响。其二是密封间隙大小及端面流体膜稳定性严重依赖于机组工况及介质条件，特别是机组转速。密封面间较高的相对转速有利于获得更大的流体膜承载力和刚度，但给定机组的转速往往是不可改变或只能在一定范围内变化的，这极大限制了高性能端面流体膜的形成，导致机械密封的性能和使用范围受到了限制。现欲设计一种机械密封结构，实现密封端面间隙的主动调节，使密封的稳定性不再与机组转速直接相关和受其约束，能适用于转速更加广泛的场合。

图1传统动压非接触式机械密封结构 图2 非接触式磁力密封结构

2.2 应用TRIZ解决技术矛盾

首先，将机械密封中的问题抽象成TRIZ中的39个标准工程参数。由分析问题的结果，我们可知希望改进的参数是：结构的稳定性、适应性或多用性，恶化的参数为：监控与测试的困难性、装置的复杂性。由TRIZ矛盾矩阵查得发明原理号为35、22、39、23和15、29、37、28。经过分析，选取23（反馈原理）、28（置换机械系统原理）。

利用TRIZ的第23（反馈原理）、28（置换机械系统原理）发明原理，对传统非接触式机械密封结构进行改进，在传统非接触式机械密封中加入传感器，实时检测密封间隙的变化情况，实现密封端面间隙的主动可调。用电磁驱动系统置换机械系统，以电磁力代替传统非接触式机械密封的流体膜动、静压力来获得开启力和闭合力，使密封间隙大小及端面流体膜稳定性不再依赖机组工况。改进后的非接触式机械密封结构如图2所示。同轴设置有旋转密封环和静止密封环，并以其轴向端面实现密封。动环为可作轴向位移且两轴向端面均为密封面的铁磁材料或永磁材料结构，两个静环分别设置于动环的轴向两侧，与动环相对的端面为密封面。动环与两静环之间存在一定大小的间隙，分别为h1和h2。两个静环分别开有一个大小相同的环形槽，槽内缠绕面积相等的线圈组。在两静环的边缘分别装有一个传感器，以便检测动环的偏移量信号。

2.3 非接触式磁力机械密封工作原理

图3 密封控制系统工作原理

上述非接触式磁力机械密封工作时，动环随转轴转动，由通电控制结构向两静环中的线圈通电，两静环分别对动环产生方向相反的电磁吸引力，该电磁作用力与密封端面间介质流体压力综合后形成对动环的大小相等、方向相反的吸引力，使动环悬浮于两静环之间的平衡位置，两侧密封端面间隙处于设计状态，实现密封环间的非接触式机械密封。运行过程中，当出现扰动，导致动环发生轴向位移偏离了平衡位置，即其动环两侧的密封间隙发生了增大/减小的改变，设置在各密封间隙部位的传感器结构即可将相应的位置偏移量信号反馈到其所连接的通电控制结构，与预设范围进行比较运算和放大处理后，转换为相应增大或减小的控制电流，分别加载到两静环中的对应电磁线圈上，改变其两侧电磁铁对动环的磁性作用力，通过两侧电磁铁的合力使动环重新恢复到设定的平衡位置。

以上是基于TRIZ理论完成的一种非接触式磁力机械密封设计，体现了TRIZ理论在创新设计中应用的高效性。该装置改善了非接触式机械密封运行的稳定性，使其能够适用于转速更加广泛的场合。

3.结论

本文运用TRIZ理论对非接触式机械密封进行了创新设计，在分析实际问题的基础上，确定了结构的稳定性和监控与测试的困难性、适应性或多用性和装置的复杂性之间的冲突领域，用TRIZ中的标准参数来描述冲突，查找矛盾矩阵，确定发明原理，设计出非接触式磁力机械密封。此设计解决了一直困扰传统非接触式机械密封的问题，即无法主动调整密封端面间隙和密封端面间隙大小及端面流体膜稳定性严重依赖于机组工况的问题，使密封的稳定性不再受机组转速的约束和影响，因此适用于转速更加广泛的场合且都能具有良好的动态性能，增强了非接触式机械密封运行的可靠性和稳定性，具有良好的可实施性。

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