TRIZ理论应用于气垫船创新设计的探索

1 气垫船的传统方案及设计需求

1.1 气垫船的传统方案

气垫船[1-3]又叫“腾空船”，是一种以空气在船只底部衬垫承托的气垫交通工具，主要用于水上航行和冰上行驶，还可以在某些比较平滑的陆上地形和浮码头登陆(见图1)。气垫船是高速船的一种，行走时因为船身升离水面，船体水阻减少，所以航行速度比同样功率的船只快；也可用非常缓慢的速度行驶，在水面上悬停。目前，气垫船类型日益增多，应用日益广泛，多用作高速短途客运、休闲旅游、执勤巡逻、救援抢险、商业、勘察测量、军事等方面的交通工具，要求在水上活动期间具有良好的灵活操纵性和稳定性。

图1 气垫船

传统的气垫船由裙围、气垫、控制系统、发动机、推进风扇和垫升风扇等组成。其工作原理如图2所示，是利用大功率鼓风机将空气压入船底下在船底和水面(或地面)间形成气垫，使船体垫起离开水面(或地面)，再利用船底周围柔性的裙围或刚性的侧壁把气体围住，限制在船底，防止逸出。启动发动机（轻型柴油机或燃气轮机），用垫升风扇将气垫升起，推进风扇推进，航速可达20～90节，从而实现高速航行。航行中，通过操纵控制系统改变风扇后面的垂直舵产生风扇舵效应使气垫船转向，也可以通过体重控制位移来实现。

图2 气垫船工作原理图

图3 气垫船系统分析模型

表1 矛盾矩阵表

图4 问题模型

1.2 气垫船的设计需求

现有技术中的气垫船，没有刹停系统，在较小范围水域使用或者水域存在不显眼障碍物或突然出现障碍物时，常发生刹停不及时，与障碍物发生碰撞；并且气垫为一个整体，船上的人分布分散，船体受力不均衡或者船体存在非静态受力时，常发生倾斜，甚至侧翻。

目前解决刹停问题主要是从增加阻力板等方面考虑，解决翻船问题主要是从限定负载的位置等方面考虑，这些方案能够有效减少问题的发生，却不能彻底解决问题。需要一种具有更加可靠、可以快速停止前进的刹停系统和船体受力均衡的气垫船。

2 TRIZ理论简介

TRIZ理论[4-7]是苏联军方技术员根里奇·阿奇舒勒（GenrikhAltshuller）与苏联的科学家们一起，经过50多年对数以百万计的专利文献和自然科学知识进行研究、整理和归纳，最终建立起一整套系统化的、实用的、解决发明问题的理论和方法体系。经过70多年的不断发展，这一方法学体系在实践中不断完善，已取得良好的应用成果和巨大的经济效益。

图5 解决方案模型

图6 改进后的气垫船

TRIZ理论的核心是技术进化原理。按这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是其进化的推动力。进化速度随技术系统一般冲突的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次冲突。在利用TRIZ解决问题的过程中，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题，然后利用TRIZ中的工具，如矛盾矩阵、76个标准解、ARIZ、AFD、物质-场分析、ISQ、DE、8种演化类型、科学效应、40个创新原理、39个工程技术特性、物理学、化学、几何学等工程学原理知识库等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解（Analogous solution）；最后设计者再把该解转化为领域的解或特解。

本文将应用TRIZ理论把气垫船的技术问题转化为TRIZ问题，然后利用TRIZ工具探索解决阻碍气垫船技术进步的方案，推动气垫船技术的发展。

3 基于TRIZ理论的气垫船创新设计

3.1 系统分析

对所要研究的技术系统（气垫船）构建一个系统分析模型（如图3所示），进一步分析技术系统实现功能运作的相关联子系统、超系统之间的相互作用关系，揭示问题产生的原因，明确系统改进方向。

从上述气垫船系统分析模型图中可知，推进风扇产生的前进气流作用在船体上，从而推动船体高速前进，当推力取消时，船体仍具有前进“惯性”，当裙围与水接触时，水对裙围存在阻力作用，阻力间接作用于船体，消减船体惯性，前进速度逐渐降低；由于阻力是裙围与水产生的作用力，一般情况下是恒定的，当船体需要急速刹停时，惯性力远大于阻力，进而造成船体继续前进，发生碰撞现象；人和船体之间存在一对作用力和反作用力，人对船体有压力，船体对人提供支撑力，而船体的支撑力又是来自裙围、垫升气流的共同作用，裙围和垫升气流对船体的支撑力是均衡的，当船体受到人的压力，分布不均，打破力学平衡时，则容易发生翻船，因此，着重从船体前冲惯性和负载分布两个方面进行创新改进。

3.2 解决方案

(1)改善船体前冲惯性的解决方案。

问题中，在不使用刹停系统的情况下，前冲惯性使船体保持着较大的前进速度。在船体上引入刹停系统后，可以改善船体的速度从而避免碰撞发生，但是刹停系统的引入会增加船体的重量，使得船体的前冲惯性更大。由上述分析可知，刹停系统改善了船体的速度，但恶化了船体的重量，因此，问题中存在一对技术矛盾：改善的工程参数为9速度，恶化的工程参数为1运动物体的重量。通过查找矛盾矩阵表(如表1所示)得到相应的创新原理：2抽取原理；28机械系统替代原理；13反向作用原理；38强氧化剂原理。

应用抽取原理和反向作用原理，得到如下的解决方案。

根据抽取原理“从物体中抽出必要的部分或属性”得到启发形成方案1，可通过限定或者降低船体的前进速度（即降低动力功率）、将船体部分金属构件换成轻质材料构件等方式减轻船体的重量，进而减小船体的前冲惯性，解决船体刹停不及时发生碰撞的问题。

根据反向作用原理“用相反的动作，代替问题定义中所规定的动作”得到启发形成方案2，通过增加一个产生由前向后作用力的装置或系统，主动抵消船体的前冲惯性，解决船体刹停不及时发生碰撞的问题。

(2)改善负载分布不均的解决方案。

运输时，人对于船有压力，压力不均匀会翻船，为防止翻船需要引入一个力场抵消负载对船产生的有害作用，采用物质-场分析方法构建人与船之间的问题模型（如图4所示），查找76个标准解法得到解决方案模型（如图5所示）。

根据解决方案模型得到方案3，可以对产生垫升气流的垫升风扇结构进行改进，通过引入一个结构力场对船体承受的不均衡压力进行结构补强，使系统能够自适应调节从而消除或降低人对船体压力不平衡的有害作用。

结合上述3个方案的优点得到最终解决方案（如图6所示），将现有的一体设计的气垫分割为4个相等的小气垫均匀分布在船体的四个角落，并且在船体前面的两个气垫分别设置开口向前的刹停喷气口，产生刹停阻力，主动抵消船体的前冲惯性，及时刹停气垫船，避免发生碰撞事故；在船体上还增加了一个平衡陀螺，平衡陀螺与四个气垫的控制系统相连，当船体产生侧翻的倾向时，平衡陀螺将向控制系统发出信息，控制系统控制相应的气垫的工作功率，产生更大的垫升支撑力，保持船体的受力平衡，避免侧翻。

4 结语

通过TRIZ理论对气垫船进行系统分析，将气垫船的技术问题转化为TRIZ问题，利用TRIZ工具得到3个解决方案，并综合各个方案的优点形成最终解决方案，采用气垫分体设计和平衡陀螺感应技术，设计刹停喷气口和转向喷气口，有效提高了气垫船的灵活操作性能，解决了容易碰撞、翻船等困扰气垫船发展多年的技术难题，生产成本基本没有增加，进一步提升了气垫船的市场竞争力，市场前景看好，还可以有效解决气垫船侧翻的问题，提高气垫船的安全性和稳定性，对保障人民生命财产安全有着重要意义。