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TRIZ理论在概念设计的应用

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1技术系统进化曲线

技术系统进化理论是TRIZ理论的核心内容之一。技术系统进化就是指实现系统功能的技术从低级向高级变化的过程。对于一个具体的技术系统来说,对其子系统或组件不断地进行改进,以提高整个系统的性能,这个改进的过程就是技术系统的进化过程。TRIZ强调技术系统是不断进化发展的,任何一种产品、工艺或技术都在随着时间向着更高级的方向发展和进化,并且它们的进化过程都会经历相同的几个阶段。这个规律满足一条S形的曲线,它描述了一个技术系统从婴儿、成长、成熟到衰退的变化规律。当技术系统处于婴儿期,其效率低,可靠性差,系统发展较慢;进入成长期,其价值和潜力显现,效率和性能得到大幅提高,投入加大,系统快速发展;技术系统处于成熟期,性能水平达到最佳,利润最大并有下降趋势;当系统进入衰退期,技术基本达到极限,将被新的技术系统取代,进入下一个S曲线。

2轻轨进化阶段分析

自轻轨从概念出现到实现产品化以及大量普及,从TRIZ系统进化的角度看如今已经基本完成了标准化和系列化的演进。受到供电方式、线路以及运行模式等边界条件的限制,车辆技术系统进化却走到了尽头,需要从交通系统出发,加强系统顶层设计,进行合理的功能复用,进而实现产品创新,从而适应城市现代化对景观和安全性、绿色以及节能等更高层次的要求。城市规划方面要求轻轨建设应减少接触网及受流轨的铺设,使得交通系统与城市景观、道路更加的融合,甚至能达轻轨线路与公路具有共同路面,这样更有利于线路规划及降低系统成本。若没有接触网和受流轨则要求车辆本身具有一定容量的储能装置作为车辆的动力源。结合对各种储能装备的分析,本着适度超前原则,选择超级电容作为轻轨车辆的能量存储方式(超级电容与蓄电池的主要性能比较)。这是因为:

1)锂电池、铅酸电池等传统和新型电池其能量密度已经接近理论极限。

2)虽然超级电容目前的能量密度目前与锂电池等比较还有一定差距,但根据其S曲线特征及相关的研究数据,已经有实验证据表明其理论极限可以高于锂电池的理论极限。

3)锂电池充电速度问题影响了车辆要求的高速充电要求,而这恰恰是电容式储能设备的强项。

4)污染方面,电容器储能设备生产中污染少,使用寿命长。

5)专利数量近年来的高速增加表明超级电容已经逐步进入成长期,短期内会有高速发展的可能。

3储能式轻轨概念设计

3.1基于TRIZ裁剪的轻轨系统改进

按照TRIZ的裁剪原则,系统的功能在初级阶段是依靠单个组件完成的,而高级阶段则其部分功能将向其他组件转移。根据该理论,目前影响轻轨系统最突出的架空线问题,因此在改进方案方向选择上,可以将架空线的提供电能的功能设想由其他车辆的其他子系统完成。根据该改进方向的要求,提供电能的功能可以由电池(无论是铅酸电池还是锂电池组)完成,也可以从产品进化的角度,选择更加符合绿色交通特点的超级电容加充电桩等新型供电技术来完成。通过裁剪,将供电网提供电能的功能,分别转移到储能超级电容器和位于线路系统站点的充电桩上,从而实现取消供电网的设计目标。根据这个设计目标,原系统中与能量来源相关的各个节点实现方式也要做出相应调整。比较储能式轻轨车辆与普通轻轨车辆系统的技术路线,在采用超级电容储能后,由于取消了接触网或受流轨,与之相应的熔断器、断路器及电抗器等组件都可以被精简,因而能够弥补采用储能电源所带来的重量增加等负面效应,基本保持车辆具有相当的总重。

3.2改进后产品对系统的影响分析

采用超级电容储能,能量供给还不足以达到与采用接触网技术相当的水平。为超级电容补充能量的任务由充电站来完成,这些充电站位于地面车站,基本上并不影响安全和城市景观。采用再生制动实现制动能量回收,改变了原有技术在再生制动时部分能量由于无法回收而通过制动电阻变成热能白白损耗掉的现象,因此从车辆总能耗方面考虑,能量利用率更高,更符合绿色环保的设计理念。由于能量获取方式的变革,车辆能源利用效益提出了很高的要求,车辆其他子系统的必须具有轻量化、高效率等技术特点:1)驱动系统方面,为了提升的功率因素和效率,可采用永磁同步电机替代传动的交流异步电机,则将驱动系统的效率提高了3%~5%,可以节能10%以上。2)空调系统:可采用变频空调,根据车内温度,实时控制做到节能设计。电气系统:在满足系统功能的前提下,可采用集成化、轻量化的电气部件,尽量减少部件数量和重量.3)机械系统:车辆采用采用铰接式转向架,以减小转弯半径,使得线路选择及规划对现有城市道路具有更高的适应性,减少不必要的拆迁。

4结束语

本文将TRIZ理论引入到轻轨车辆的概念设计领域,对轻轨技术系统进化阶段进行了分析,并利用TRIZ理论原则对系统进行了改进,提出储能式轻轨车辆的技术理念。新型的轻轨车辆技术理念也对车辆其他子系统提出了更高的技术需求,文章对此也进行了探讨,在满足功能的情况下,尽量采用轻量化、高效率的部件技术。由此案例可看出,创新理论和方法在思路方法层面能够帮助产品者产生新的思路,系统性地分析现有产品和用户需求,从中找出关键矛盾,并提出解决方案,从而设计出创新产品。

作者:周江伟单位:南车株洲电力机车有限公司科技与新产业部

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