《机械创新设计》课件-k3物场分析

康玉辉河南机专物-场分析机械系Substance-FieldAnalysis一二三四物质-场模型物质-场模型的种类物质-场分析的一般解法标准解及应用CONTENT一、物质-场模型

在TRIZ理论中，为寻找新的技术方案通常采用各种模型，这些模型反映技术系统发展的基本特征和规律。

物场分析是TRIZ的一项工具，可分析并改进技术系统的功能。什么是物场模型技术系统存在的目的是实现功能。功能可以分解为2种物质和1种场。(工具、对象、场)技术系统的功能模型可以用一个完整的物质--场

(Substance--Field)三角形来表示。FS2S1物质的种类材料工具零件

人环境

广义的物质可以包括任何东西。对于“物”应理解为，它是一种与任何结构、功能、形状、材质等复杂性无关的物体。一般地，S1表示工件，S2表示工具。场的种类

机械场

（重力场）：秤、汽车在公路行驶轮胎与路面摩擦

声场：医生听诊器、B超

热场：温度计变化

化学场

：分解、化合

电场：电子仪器的工作

磁场：指南针作用类型有关联的关系有效充分作用有害的作用不充分的作用缺乏信息过度的作用模型间的转换??相互作用实例1：实现吸尘器功能

（引入缺少的机械场建立完整的物场模型）地毯吸尘器机械场FS1S2S2吸尘器S1地毯实例2：铣刀切割零件机械场零件铣刀实例3：人油漆墙壁化学场人墙壁

二、物-场模型的种类

（1）有用并且充分的相互作用（2）有用但不充分的相互作用(不充分模型)（3）有用但过度的相互作用(有害模型)（4）有害的相互作用(有害模型)（5）不完整的物场模型(缺失模型)（1）有用并且充分的相互作用

有效、完整的物场模型是一种理想的状态，也是设计者追求的状态，功能的三个元素都存在，且相互之间的作用充分。例：手拿杯子杯子拿稳不掉FS1S2机械场杯子手（2）有用但不充分的相互作用

效应不足的物场模型功能的三个元素齐全，但设计者追求的相互作用未能实现或只是部分实现。例：手拿杯子杯子没拿稳下滑FS1S2机械场杯子手（3）有用但过度的相互作用效应过度的物场模型功能的三个元素齐全，设计者追求的相互作用能实现但效应过度。FS1S2例：手拿杯子杯子变形机械场杯子手（4）有害的相互作用虽然三个元素齐全，但产生的相互作用是一种与预期相反的作用，设计者不得不想办法消除这些有害的相互作用。例：手拿杯子手被割破FS1S2机械场杯子手（5）不完整的物场模型三个元素不齐全，可能缺少物质，也可能缺少场。FS2S1S2FS1三、物场分析的一般解法TRIZ重点关注缺失模型、有害模型、不充分的模型。TRIZ提出了六种一般解法。缺失模型一般解法一：补全缺失元素，完成物场三角形例：气泡分离S1S2FS1S2机械场气泡液体气泡液体例:机油中是否有水?S1S2热场水油FS1S2水油例:如何将火柴理顺后装入火柴盒？S1磁场火柴FS1S2磁粉火柴引入磁粉S2和磁场F，F作用于S2，S2同时作用于火柴S1，表述如下：有害模型I一般解法二：加入第三种物质，阻止有害作用。它应该是原有两种物质之一的变种。FS2S1S3有害模型I玻璃例：办公室的玻璃FS1S2FS1S2光场光场隐私玻璃隐私S3磨砂有害模型IFS1S2FS1S2S3例：外科手术中的橡胶手套病人橡胶手套病人医生的手医生的手一般解法三：引入第二个场，抵消有害作用。有害模型IIF2FS2S1支架反作用力FS1S2FS1S2切削力切削力细长轴刀具细长轴F2刀具例：细长轴的切削加工有害模型II不充分模型I一般解法四：引入第二个场和第三个物质增强有效的效应例：使带有衬垫紧固件中的楔子轻而易举地拔出。F1S1S2F1S1S3机械场机械场楔子衬垫楔子易熔合金属衬垫F2S2衬垫热场不充分模型II一般解法五：引入第二个场增强有效的效应。例：物体的粘贴FS1S2FS1S2粘贴力粘贴力物体1物体2物体1F2物体2夹紧力不充分模型III一般解法六：引入第二个场或第二个场和第三个物质，代替原有场或原有场和物质。例：墙纸的去除F1S1S2F2S1S2机械场蒸汽场墙纸墙面墙纸墙面六种一般解法1.引入新的物质2.引入新的场3.引入新的物质和场4.替代原有的场5.替代原有的物质和场6.补足缺失元素物场分析的一般解法流程应用

最终方案待解决的问题物场模型转化六个一般解一般解法例1：洗衣机洗衣效果差问题问题描述：洗衣机洗衣服时，衣服即容易打结，也洗不干净。建立物场模型S1：衣服S2：洗衣粉或水F：化学或机械创新方法咨询与研究中心31FS1S2洗衣粉或水衣服化学场或机械场创新方法咨询与研究中心32备选解决方案1：引进新的物质和场FS1S2FS1S2F2S3利用水电离或超声波振荡相结合的方式33备选解决方案2：引进新的场FS1S2FS1S2F2例2:纯铜板的清洗问题描述：在纯铜电解生产过程中，少量的电解液会残留在铜板表面的微孔中，在铜板存储过程中，这些残留的电解液会挥发出来而形成氧化斑点，从而影响铜板表面质量并降低其价值。为避免这种损失，在存储之前先清洗铜板，以去除铜板表面微孔中的残留电解液。但是，由于微孔非常小，微孔中的电解液很难能够得到彻底清洗。该如何改进纯钢的清洗呢?物场分析1、确定相关元素：

2、绘制物场模型：为效应不足模型。3、选择一般解法：有三种，选其中二种对比。水F1S1S2机械冲击力电解液F1S1S2F1S1S2机械冲击力机械冲击力水电解液水电解液4、开发设计概念：解法一：增加另外一个场F2来强化有用效应。F2F2：超声波冲击力：使用超声波清洗。F2：化学冲击力：使用表面活性剂溶解来加强残留电解液移动。F2：热冲击力：使用热水清洗。F2：磁冲击力：将水磁化以加强清洗。4、开发设计概念：解法二：引入第二个场和第三个物质增强有效的效应。。F1S1S2F1S1S3机械冲洗力电解液水蒸汽F2S2水压力机械冲洗力电解液5、解决方案：使用热水（100℃以上）且与高压力结合。过热的水蒸汽可达到微孔内，穿进并充满微孔，形成对残留电解液体的强烈爆炸冲击并强制将其彻底排出微孔。课堂练习人工碎石问题描述：直接用榔头击岩石效应不足。F1S1S2人力榔头岩石物场分析解法一：引入新场F2:化学场使岩石脆化。F2：冷冻场使岩石冻裂。F1人力F1S1S2S1S2人力榔头岩石榔头岩石F2解法二：引入新的场和物质岩石机械力F1S1S2S1S3人力榔头岩石榔头F1S2凿子F2人力解法三：改变场F2人力F1S1S2S1S2机械力榔头岩石榔头岩石解法四：改变物质和场F2人力F1S1S2S1S3机械力风钻岩石榔头岩石FS1S2FS1S2S3问题的模型解决方案的模型S3：是系统内物质、系统外物质的变形。四、标准解及应用1.标准解的由来阿奇舒勒发现的规律------如果问题的物场模型是一样的，那么解决方案的物场模型也是一样的，和这个问题来自于哪个领域无关。例1：和面在桌子上和面，面团会粘在桌子上。FS1S2机械场面团桌子机械场面团桌子FS1S2S3干面粉S3:面粉是面团的变形物。四、标准解及应用例2：轮胎打滑轮胎在泥泞的路面上行驶，有时会打滑。FS1S2机械场轮胎泥泞路面机械场轮胎泥泞路面F1S1S2S3沙子S3:沙子是泥土的变形物。四、标准解及应用例3：高温焦炭的输送炙热的焦炭在运输过程中，如何减少高温对传送带的伤害。常温碎焦炭S3：是高温焦炭的变异物。FS1S2热场传送带高温焦炭FS1S2S3四、标准解及应用2.标准解法系统依据Altshuller发现的规律：如果问题的物场模型是一样的，那么解决方案的物场模型也是一样的，和这个问题来自于哪个领域无关。发现总结了76个解模型，所以也叫76个标准解。按照问题的类型分为五级，形成标准解法系统。四、标准解及应用标准解系统名称子系统数量第一级建立或完善物场模型的标准解1.1构建完整的物场模型（8）1.2消除或中和有害作用，构建完善的物场模型(5)

13第二级增强物场模型的标准解2.1向复合物场模型转换（2）2.2增强物场模型（6）2.3利用频率协调增强物场模型（3）2.4引入磁性附加物增强物场模型（12）23第三级向双、多级系统或微观级系统进化的标准解3.1向双系统或多系统转换（5）3.2向微观级系统转换（1）6四、标准解及应用第四级测量与检测的标准解4.1利用间接方法（3）4.2构建基本完整的和复合的测量物场模型（4）4.3增强测量物场模型（3）4.4向铁磁场测量模型转换（5）4.5测量系统的进化方向（2）17第五级简化与改善策略标准解5.1

引入物质的方法（4）5.2引入场（3）5.3利用相变（5）5.4利用物理效应或自然现象（2）5.5产生物质粒子的更高或更低形式（3）17合计76四、标准解及应用第一级：基本物场模型的标准解第一级的解法聚集于建立和拆解物场模型，包括创建需要的效应或消除不希望出现的效应的系列法则，每条法则的选择和应用将取决于具体的约束条件。四、标准解及应用F光场FS1S2S1S2光场司机路标司机S3例1：普通路标夜晚看不清物场模型分析：效应不足路标发光涂料标准解1.1.3：在物质外部引入添加物，帮助实现功能。四、标准解及应用例2：延长炉衬的寿命

标准解1.2.2：引入系统中现有的变异物。热场FS1S2炉衬钢水S2S1FS3熔渣四、标准解及应用例3：消除管路的液压冲击

标准解1.2.2：引入系统中现有的变异物。S2S1FS3充气液体力场FS1S2管路液体泵送在管道系统中输送液体时,由于液体的骤然停滞,管道内的压力急剧升高，形成液压冲击（高压波)。仔细分析可知，气化的液体能够完全吸收冲击的能量。可是，消除液压的冲击必须在瞬间，而这段时间根本来不及通过加注气体完成气液饱和过程，事先引入气体又不可能。怎么办？四、标准解及应用第二级由直接进行效应不足的物场模型的改善，以及提升系统性能但实际不增加系统复杂性的方法所组成。第二级增强物场模型的标准解四、标准解及应用例1:胶水涂层问题描述：涂胶水的质量和效率不够。F粘贴力FS1S2S1S3’粘贴力海绵瓶头涂层胶水瓶头涂层标准解2.2.3：改变物质S2或S1，使成为具有毛细管或多孔结构。四、标准解及应用例2：钢珠的运输（抛丸机）标准解2.4.5：构建内部的或外部的合成铁—场模型机械场FS1S2钢珠管壁S2S1四、标准解及应用最终解决方案磁化的钢珠+F1机械场FS1S2S1S2’钢珠管壁钢珠管壁S3磁场四、标准解及应用第三级:向双、多级系统或微观级系统进化的标准解第三级包括向超系统和微观级转化的法则。这些法则继续沿着系统改善的方向。第二级和第三级中的各种解法均基于以下技术系统进化路径：增加集成度再进行简化的法则；增加动态性和可控性进化法则；向微观级和增加场应用的进化法则；子系统协调性进化法则等。四、标准解及应用例1：房屋中光源照度不足的问题FFS1S2S1S2光场灯房间灯房间光场S3S4S5标准解3.1.1：创建双系统和多系统。四、标准解及应用标准解3.1.4：双、多系统的简化。四、标准解及应用例2：自行车链条具有柔性，但组成链条的零件则是刚性的。标准解3.1.5：系统进化1c：使系统的部分与整体具有相反的特性。F1S0S01S2与S0完全相反的-A特性A特性F2S02S2FnS03S0n四、标准解及应用标准解3.2.1：系统进化2：向微观级系统进化。例3：微型电磁阀F1S1S2F2S1S’2电磁力电磁线圈微型阀片微型阀片记忆合金温度场四、标准解及应用第四级：测量与检测的标准解第四级专注于解决涉及到测量和探测的专项问题。虽然测量系统的进化方向主要服从于共同的一般进化路径，但这里的专项问题有其独特的特性。尽管如此，第四级的标准解法与第一级、第二级、第三级中的标准解法有很多还是相似的。四、标准解及应用例1：采用热耦合或双金属片制造开关

可能实现加热系统的自动调节。标准解4.1.1：以系统的变化代替探测或测量。F1S1S2电磁力电磁线圈微型阀片F2S1S’2热电偶记忆合金温度场四、标准解及应用例2：高炉内铁水温度的测量标准解4.1.2：应用复制品间接测量。F2S2S’1间接热场光学高温计高温铁水亮度图像光场F’1四、标准解及应用F1S1热场铁水例3：检测液体开始沸腾的瞬间FS1S2气泡液体温度场F’标准解4.2.1：建立完整有效的物场测量模型。温度F1S1S2电场F1’输出电阻四、标准解及应用例4：测量两个零件的贴合面积标准解4.2.1：建立合成的物场测量模型。四、标准解及应用例5：检测内燃机的磨损标准解4.2.3：检测或测量由于环境引入附加物后产生的变化。为检测内燃机制磨损，需要测量磨损掉的金属数量，磨损的金属颗粒混在发动机的润滑油中，油被看作是环境，在油中加入荧光粉，金属颗粒会吸收荧光粉，通过测量荧光吸收量，就可算出被磨损的金属量。含金属颗粒的润滑油FS1S2检测仪光场F1S1S2F1’新光场S3荧光粉荧光粉的变化量四、标准解及应用例6：如何统计十字路口等待的车辆数汽车标准解4.4.1：构建预—铁—场测量模型。FS1S2磁力计磁场磁力计汽车F’S1S2Sf传感器F’’传感输出值磁场四、标准解及应用第五级：简化与改善策略标准解一般情况下，应用第一～四级中的标准解法会导致系统复杂性的增加，因为给系统引入了另外的物质和效应是极有可能的。第五级中的标准解法将引导大家如何给系统引入新的物质又不会增加作何新的东西。换句话说，这些解法专注于对系统的简化。它是应用前4级标准解法时的一些指导原则，是更灵活更有效的应用标准解法，所以也称为标准解法的应用标准。四、标准解及应用除测量类问题之外，其余皆可归类于以下四种：完成修改增加转换完成不完整的物场模型来解决问题。修改系统中现存的物质和场来解决问题。增加新物质、新场解决问题。转换至更高或更低的级别解决问题。例1：使用干冰人工降雨，不会留下残余物。标准解5.1.3：利用能“自消失”的添加物。例2：为了运输方便，可以将水变成粉末状，现场使用时再变成液态。例3：为在矿井中提供风力装置，使用液化气体代替压缩气体。标准解5.3.1：应用物质的气、液、固三个相态的变换来获得提高系统功能的有效性。四、标准解及应用例4：提高降温防护服的防护效果

为保护炼钢工免受高温的伤害，穿着用低导热材料制成的防护服，这在短时间内效果还是很好的，但经过一段时间后，衣服内外的温度达到平衡，其隔热效果就会明显下降。（会融化的14烷和16烷混合物）相变材料人体防护服热场S2F1S1F1S1S4F2S3降温防护服冷场标准解5.3.5：应用物质在系统中的相态的变换来获得提高系统功能的有效性。四、标准解及应用最终解决方案相变原理：利用物体相变时产生的某种效应(吸热)；(防护服的外表面插入充有可融化材料14烷和16烷的混合物，融点在10~16摄氏度之间。使用前，降温衫需冷却到摄氏零度以下，以便混合物变成固相。)美国专利：6,185,742；S3=可融化材料降温防护服降温防护服可融化材料会融化材料隔热袋子隔热袋子袋内侧袋内侧会融化材料已渐渐融化四、标准解及应用标准解应用实例钢材防锈问题双气缸推料压紧装置改进轧钢工艺改进四、标准解及应用例1：钢材防锈问题

物场模型分析：有害作用。四、标准解及应用解法一：引进新场：标准解1.2.4：引入新的场，来抵消有害作用。四、标准解及应用解法二：引进新物质标准解1.2.1：引入新的物质，消除有害效应。四、标准解及应用解法三：引进新物质和新场：S3选N2

，F2选微波。四、标准解及应用最终解决方案1.磁控管2.微波3.氮气4.吹氮孔5.箱体6.上方H型钢腹板7.下方H型钢腹板8.开口9.上方H型钢翼缘10.下方H型钢翼缘防锈原理：利用微波不能穿透金属的特点，使放射到H型钢腹板上的微波，在上下层腹板交替反射传输，实现H型钢通条受到微波处理所产生的电磁场使带正电荷的Fe离子和空气与水中带负电荷的O离子由原来的无序排列变为有序排列、向相反方向移动，避免化合物生成，从而达到阻止钢材锈蚀的目的。四、标准解及应用例2：双气缸推料压紧装置改进

如图是一双气缸推料横向压紧平台，双气缸横向直接推动物料沿基座上的导轨移动，通过自身的压缩空气分配器来控制两只气缸同步平衡地工作，推动物料至挡块位置并压紧。在实际操作过程中，发生物料不能被推动直至压紧挡块的情况，甚至推动过程中会卡住。现应用物质一场分析法分析并求解该问题

四、标准解及应用步骤1：定义系统的总功能为“移动并压紧物料”。步骤2：总功能可分解为“推动物料”，“导向物料”，“压紧物料”三个分功能，其中主要功能是“推动物料”。步骤3：上述分功能已是支持功能，功能可由气缸、活塞杆、导轨、挡块等基本元件完成。根据物质一场分析法，得出具体的产品功能模型图，如图2所示。其中超系统为与系统之间存在输入或输出关系(如能量、物质及信息交换)的系统。图2.产品功能模型图四、标准解及应用

步骤4：从图2看出，系统的主要功能是由气压驱动气缸推动物料，辅助功能是导轨的导向功能，有害功能是物料移动时产生噪音、导轨对物料的摩擦阻碍作用、双气缸工作速度不同步导致物料卡住。其中产生噪音及摩擦不易彻底解决，只能部分解决，而气缸的“推动物料”功能所带来的有害功能应通过改进设计彻底解决。

“推动物料”功能的S2=活塞杆，S1=物料，F=机械能，用符号系统表示该功能模型。该模型表明，在完成有用功能“推动物料”的同时，又产生了有害功能“卡住物料”。如图3所示：S1S2F四、标准解及应用步骤5：在TRIZ的76个标准解中选择适用于该特定问题的标准解，由于此问题中同时存在有用及有害功能，可应用第一类标准解的1．2：“消除或抵消有害效应”来解决问题，结合本例的实际工程问题，因为活塞杆S2可以不直接接触物料S1，从而可以间接推动物料S1，因此标准解1.2.1可用。

标准解1.2.1：在目前的设计中有用及有害功能同时存在，如果S1及S2没有必要直接接触，则可引入S3，消除有害功能，功能模型如图4所示。标准解1.2.1功能模型s1s2fs3四、标准解及应用

步骤6：提出新的设计概念。

根据标准解1.2.1分别得到的三种概念设计创新方案示意图，都是引入S3，将两个活塞杆机械地连接起来，使其相互牵制运动，实现活塞杆同步、同速的运动，问题可得到解决。

方案1：引入S3=齿条齿轮副，将两个活塞杆机械地连接起来，活塞杆通过推动齿条，间接推动物料沿导轨方向运动。活塞杆与齿条齿轮副相互牵制运动，实现活塞杆同步、同速的运动，问题得到解决，如图5所示。四、标准解及应用方案2：引入S3=机械连锁机构，将两个活塞杆刚性地连接起来，活塞杆通过推动连锁机构，间接推动物料沿导轨方向运动。活塞杆与机械连锁机构相互牵制，实现活塞杆同步、同速的运动，问题得到解决。如图6的俯视图所示。

方案3：引入S3=链条同步机构，将两个活塞杆机械地连接起来。活塞杆推动链条同步机构运动，从而间接推动物料沿导轨方向运动。活塞杆与链条同步机构相互牵制运动，实现活塞杆同步、同速的运动，问题得到解决。如图7的俯视图所示。四、标准解及应用步骤7：解的评价。

上述三种概念设计方案均有其特点，现从精度、可靠性、结构复杂性(成本)几个评价指标作比较，以确定综合最优方案。

方案1：齿条齿轮副传动精度高，传动性能稳定，工作可靠，结构紧凑。

方案2：机械连锁机构传动精度高，结构紧凑，成本低；但是双气缸工作速度不同步时，刚性连接的活塞杆与机械连锁机构容易牵制出