張 浩

(揚州職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚州 225009)

在日常生活中，大家對普通的垂直電梯和自動扶梯比較熟悉，但隨著社會進步生活水平的提高和電梯技術(shù)的快速發(fā)展，特別是為了解決城區(qū)面積緊張問題，某些國家和地區(qū)在山坡地區(qū)建設(shè)住宅，產(chǎn)生了對一種新型的特種電梯即斜行電梯的需求。除此之外，在旅游觀光景點或鋼結(jié)構(gòu)的電視塔腳處，也出現(xiàn)了斜行電梯的身影。由于斜行電梯多安裝在露天場合，轎廂的振動和噪聲大于垂直升降電梯，電梯起動和制動時產(chǎn)生影響舒適度和安全性的水平作用力，對斜行電梯的設(shè)計和生產(chǎn)提出了新的要求。

1 目前斜行電梯的使用狀況

自21 世紀以來，為了殘疾和行動不便的人的出行方便以及解決斜坡上的交通問題，逐漸出現(xiàn)了斜行電梯。斜行電梯主要用于完成傾斜運行軌跡的提升，下面以曳引式斜行電梯為例進行敘述，其工作原理是通過鋼絲繩或鏈條懸掛，并且與水平面呈一定的角度，以達到運輸人員或貨物的目的。［1］此外，因為水平作用力的原因，斜行電梯水平加、減速度被限制在0.5m·s-2以內(nèi)，實際上只適用于1m·s-1以下的電梯，這就限制了斜行電梯的應(yīng)用。［2］因此，為了提高斜行電梯的運行速度同時不影響乘客的舒適度，需要對斜行電梯的結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。

2 TRIZ 理論

2.1 TRIZ 的含義

TRIZ 的含義是發(fā)明問題的解決理論，其英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems，在歐美國家也可縮寫為TIPS(Theory of inventive Problem Solving)。

前蘇聯(lián)著名的發(fā)明家、教育家阿利赫舒列爾在1946 年創(chuàng)立了TRIZ 理論，Altshuller 也被尊稱為TRIZ 之父。通過對世界各國著名的發(fā)明專利過程的處理，Altshuller 從1946 年開始研究發(fā)明問題的解決理論，找出創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，可以加快創(chuàng)造發(fā)明的進程和設(shè)計出一流的創(chuàng)新產(chǎn)品。Altshuller 發(fā)現(xiàn)不同行業(yè)、不同領(lǐng)域的產(chǎn)品改進、技術(shù)變革和創(chuàng)新都是有規(guī)律可循的，只要掌握了這種規(guī)律(即可以遵循的科學(xué)方法和法則)，就可以主動地設(shè)計產(chǎn)品并推測出產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢。［3］

2.2 沖突解決原理

在進行產(chǎn)品設(shè)計的時候發(fā)現(xiàn)矛盾(沖突)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常是采取折衷的方法，兩利相權(quán)取其重，兩害相權(quán)取其輕，但是這樣做并沒有徹底解決沖突。TRIZ 理論則要求在設(shè)計過程中完全解決沖突，提出全新的設(shè)計方案，實現(xiàn)產(chǎn)品的真正創(chuàng)新。

在設(shè)計過程中，單純的增強有利的效應(yīng)或者消除不利的效應(yīng)并不能真正解決問題，反而會引起其它一個或多個方面的不利效應(yīng)，這被稱之為技術(shù)沖突。

TRIZ 理論通過對現(xiàn)實中的各種沖突進行分析和歸納，提出了39 個通用工程參數(shù)(表1)。在實際的設(shè)計過程中，可以用至少2 個工程參數(shù)來表示組成沖突的雙方內(nèi)部性能，然后在沖突矩陣中找出解決沖突的發(fā)明原理。

在沖突矩陣表(表3)中，按照代表惡化的技術(shù)特性水平排列，代表改善的技術(shù)特性垂直排列的方式依次將39 個通用工程參數(shù)進行排列。沖突矩陣為40 行40 列的一個矩陣，根據(jù)矩陣中數(shù)字編號可以選用發(fā)明原理表(表2)中的對應(yīng)原理，然后根據(jù)這些發(fā)明原理來考慮具體的解決方案。

表1 通用工程參數(shù)表

表2 發(fā)明原理表

表3 沖突矩陣表

3 利用TRIZ 理論提出結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1 分析問題

通過查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)投入使用的斜行電梯運行速度還比較低，一般不超過1.0m·s-1，對電梯的水平加速度和乘客的舒適感的影響較小，但是隨著人們對斜行電梯運行速度的要求不斷提高，特別是當運行速度超過2m·s-1之后，其對電梯和乘客的影響就比較突出了。

因為在起動和制動運行時斜行電梯會產(chǎn)生水平作用力，讓乘客感到不舒服和不安全。為了提高舒適度和安全性，就要減小這種水平作用力，也就是要減小水平加速度，從而導(dǎo)致電梯運行速度和效率大為降低。但是，如果提高斜行電梯的運行速度，其水平加速度也必然會提高，使乘客感到不舒適。這就在運行速度和舒適度之間產(chǎn)生了一個矛盾(沖突)。

3.2 斜行電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計中的速度和舒適度的沖突分析

電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計中的沖突很多，經(jīng)常碰到的是速度和舒適度的沖突，斜行電梯也存在這樣的問題，而且問題比垂直電梯更突出。斜行電梯的速度是希望改進的，而速度的改進導(dǎo)致舒適度的惡化，即穩(wěn)定性的惡化。利用表3 沖突矩陣表，發(fā)現(xiàn)希望改進參數(shù)9 強度，但是惡化了參數(shù)13 穩(wěn)定性，二者相交的數(shù)字是1、18、28、33，即采用表2中1、18、28、33 四個原理可以解決沖突。

3.3 TRIZ 在斜行電梯結(jié)構(gòu)改進設(shè)計中的應(yīng)用

根據(jù)TRIZ 的解決原理，提出了一種改進的可變角度傾斜機構(gòu)的設(shè)計方案，如圖1、2 所示。

圖1 傾斜機構(gòu)簡圖

3.3.1 傾斜機構(gòu)設(shè)計

該可變角度傾斜機構(gòu)是由控制系統(tǒng)、機電作動器和傾斜執(zhí)行機構(gòu)三個部分組成。［4］根據(jù)電梯是起動還是制動，先由控制系統(tǒng)控制作動器向左或者向右移動，接著作動器帶動傾斜執(zhí)行機構(gòu)使轎廂產(chǎn)生一定角度的傾斜，最后由檢測系統(tǒng)對傾斜的角度進行檢測，反過來調(diào)節(jié)作動器移動的幅度。

圖2 傾斜機構(gòu)工作示意圖

此外，當發(fā)生斷電等特殊情況的時候，作動器沒有動力輸出，而傾斜機構(gòu)因為左右對稱，轎廂在自身重力作用下將自動回正?？梢苑乐咕o急情況下，轎廂由于不能自動回正而導(dǎo)致傾覆的危險。

3.3.2 傾斜機構(gòu)控制系統(tǒng)原理

該機構(gòu)首先通過加速度傳感器測量轎廂的水平加速度信號，然后通過處理過的加速度信號控制作動系統(tǒng)進行一定角度的傾斜，以改善因水平加速度造成的不適感，其控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

3.3.3 Matalab 仿真

仿真結(jié)果表明，電梯在空載上行時轎廂的振動加速度值最大，可通過Matlab 軟件針對這一點進行優(yōu)化以獲得最佳的運行速度(圖4)。

圖4 沿導(dǎo)軌方向的振動位移、振動速度、振動加速度

4 結(jié)論

本文通過對TRIZ 發(fā)明問題解決理論的介紹，把TRIZ 理論應(yīng)用于斜行電梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后提出一種可變角度傾斜機構(gòu)設(shè)計方案，解決了斜行電梯舒適度隨著運行速度的提高而降低的問題，再一次證明TRIZ 理論是一種有效的創(chuàng)新設(shè)計方法。

［1］ 姜淑雄. 斜行電梯設(shè)計淺談［J］. 電梯工業(yè)，2006(5):13 -14.

［2］ 賈濤，岑理章，王昕.非線性變頻電梯調(diào)速系統(tǒng)算法的研究［J］.電氣時代，2009(7):62 -63.

［3］ 王芍.基于蒙特卡羅模擬在天氣期權(quán)定價中的運用［J］.電科技經(jīng)濟市場，2014(2):109 -110.

［4］ 張浩，芮延年. 快速斜行電梯關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)特性研究［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2010.