摘要：概念设计是产品设计中的关键阶段，对此人们已达成共识。国内外进行了大量的有关概念设计理论和方法的研究，比如公理设计法、可拓学方法、TRIZ、功能-行为-结构法等。任何设计理论都有其优势，同时又有其局限性，到目前为止还没有十全十美、包罗万象的设计理论。所以本文提出将各种设计理论和方法有机地集成起来，取长补短灵活性地解决设计问题。本文以叉车液压系统设计为例对此思想和方法进行介绍。
关键词：叉车液压系统；集成设计；方法研究
前言
概念设计阶段的各种设计方法如公理设计法、可拓学方法、TRIZ等都有其优势，又有其局限性，在实际设计中应将各种设计方法集成起来解决设计问题。以叉车液压系统设计为例对此思想进行了介绍。根据公理设计中的独立公理进行了初始概念设计，根据信息公理进行了有关元件集成。利用TRIZ及可拓学方法分析设计存在的矛盾和冲突并加以解决，完成最终的方案设计。
1、叉车功能分析
概念设计初始阶段首先要进行功能分析，以功能作为设计的出发点。叉车要完成作业任务需具备行驶、转向、货叉起升、门架倾斜四个子功能，行驶功能的设计与一般内燃机车辆行驶功能的设计没有什么不同，在此不做探讨。这里的任务是完成满足转向、货叉起升、门架倾斜子功能的设计。实现以上功能的原理有机械传动原理及液压传动原理等，在此我们选择液压转动原理作为叉车的转向、货叉起升、门架倾斜的功能原理实现手段。
2、利用公理设计形成初始的概念方案
基于两个设计公理（独立公理和信息公理）的公理设计方法在形成产品的设计方案方面非常有效。特别是功能与设计参数一一对应的独立公理在构思方案方面很有帮助。它是一种理性的方法，让人们在构思方案时有法可循。以往的常规设计认为设计无法可循，只能靠灵感和漫无目的的试错搜索来找到设计方案。
2.1由独立公理进行初始概念设计
最高层次的功能需求FR为完成叉车作业任务；相应的设计参数DP为叉车液压系统。第二层次的功能需求可描述为FR1：转向，FR2：起升货叉，FR3：倾斜门架；相应的设计参数可描述为DP1：转向液压回路，DP2：起升液压回路，DP3：倾斜液压回路。写出设计方程为：
计矩阵中的“X”表示DP对相应的FR有影响，“O”表示DP对相应的FR无影响。
考虑DP1，FR1分解为低层次的功能需求FR11：提供车轮转向的驱动力；FR12：实现左右转向的转换；FR13：提供液压油；FR14：防止过载。相应的设计参数可选择为DP11：液压缸；DP12：换向阀；DP13：液压泵；DP14：溢流阀。设计方程可参考式（1）写出。考虑DP2，FR2分解为低层次的功能需求FR21：提供货叉起升的驱动力；FR22：实现货叉升降的转换；FR23：提供液压油；FR24：防止过载。相应的设计参数可选择为DP21：液压缸；DP22：换向阀；DP23：液压泵；DP24：溢流阀。设计方程可参考式（1）写出。考虑DP3，FR3分解为低层次的功能需求FR31：提供门架倾斜的驱动力；FR32：实现门架前后倾的转换；FR33：提供液压油；FR34：防止过载。相应的设计参数可选择为DP31：液压缸；DP32：换向阀；DP33：液压泵；DP34：溢流阀。设计方程可参考式（1）写出。由设计方程可画出完成叉车作业任务的液压原理图（一），如图1所示。
1、2、3.过滤器 4、5、6.液压泵 7、8、9.溢流阀
10、11、12.换向阀 13.转向液压缸 14.起升液压缸 15.倾斜液压缸
图1 液压原理图（一）
2.2由信息公理进行有关元件集成
以上有3个液压泵，根据公理设计的信息化公理，在各FRs能独立得到满足的条件下，各物理部件（DP）能集成的就尽量集成，因此，可将3个液压泵集成为1个大的液压泵。
进一步分析知，若集成为1个大液压泵，则需要大功率动力机驱动，大功率动力机的功率根据转向、起升货叉、倾斜门架3个功能同时工作而定。事实上这3个功能同时工作的时间比较短，这样大功率动力机就经常在低负荷下工作，不经济。故此处驱动转向的液压泵DP13不应与两个液压泵集成，应作为转向油泵单独工作。另外两个液压泵即DP23和DP33集成为工作油泵。同样的道理，DP24和DP34也集成为1个。同理，DP22和DP32也集成在一起，形成多路换向阀。多路换向阀是将2个以上的阀块组合在一起，用以操纵多个执行元件的运动。多路换向阀广泛应用于工程机械、起重运输机械和其他要求操纵多个执行元件运动的行走机械上，因为这样可使结构紧凑、管路简单、压力损失小，而且安装简便。由此画出液压原理图（二）如图2所示。
1、2.过滤器 3.转向泵 4.工作泵 5、6.溢流阀 7.换向阀
8.多路换向阀 9.转向液压缸 10.起升液压缸 11.倾斜液压缸
图2 液压原理图（二）
3、利用TRIZ和可拓学进行进一步设计
进行初始概念设计后，要对形成的方案进行分析以发现存在的问题。经分析，此初始方案存在一定的问题。因为叉车不经常转向，所以转向泵常常处于卸荷状态，存在功率损失、能量浪费现象。这里我们希望转向泵的驱动功率在转向工作时是一大值，不转向时是一小值最好是零，根据TRIZ的观点就是存在物理冲突。因为货叉起升、门架倾斜功能与转向功能一般不会同时出现，这样就可利用TRIZ的时间分离原理来解决物理冲突。根据与时间分离原理对应的发明原理，采用发明原理第20条“有效作用的连续性”，使转向泵连续工作。也就是说叉车转向时转向泵来油供应转向液压缸，叉车不转向时转向泵来油供应货叉起升和门架倾斜液压缸。这样，可降低起升和倾斜工作泵的功率。画出液压原理图（三）如图3所示。
1、2.过滤器 3.转向泵 4.工作泵5、6.溢流阀 7.换向阀
8.多路阀 9.转向液压缸10.起升液压缸 11.倾斜液压缸 12.单向阀
图3 液压原理图（三）
进一步分析，接下来的问题是一旦起升货叉或倾斜门架时同时需要叉车转向怎么办?这时转向液压缸可能得不到所需要的油液流量，不能以所希望的速度转向。这是一矛盾问题，解决的思路是转向泵来油应优先供应转向。这里用可拓学中转换桥的思路，可拓学认为：“对立的问题可以通过设置转换桥转化为共存问题”，“对立的系统要连接成一个大系统必须设置起连接和转换作用的转折系统”。设计一优先阀作为转换桥，使转向泵的油优先供应转向液压缸。也就是通过优先阀的转换作用，叉车转向时转向泵来油供应转向液压缸，叉车不转向时转向泵来油供应货叉起升和门架倾斜液压缸。
4、结论
以上叉车液压系统设计在构思初始方案时采用了公理设计法，分析方案存在的问题并解决用了TRIZ及可拓学方法。从以上设计过程可看出，产品的设计方案不是一步完善而是逐步完善，这个逐步完善的过程也不象常规设计那样是依靠反复试错来实现，而是依靠科学设计方法的集成来实现。概念设计阶段的各种设计方法如公理设计法、可拓方法、TRIZ等都有其优势，又有其局限性，因此在实际设计中应将各种设计理论和方法有机地集成起来，取长补短灵活性地解决设计问题。
参考文献：
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论文作者:甘贤路
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/4
标签：液压缸论文; 叉车论文; 公理论文; 液压泵论文; 功能论文; 方法论文; 液压论文; 《基层建设》2019年第10期论文;