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摘要：滚动轴承作为精密机械元件，广泛应用于大型工业或航空设备。如果轴承检测的准确性不高，导致漏检，将会造成严重事故。利用ＴＲＩＺ创新方法提高滚动轴承故障检测的准确性。首先利用资源分析、功能分析及因果分析得到解决问题的突破点，之后利用ＴＲＩＺ解决问题的多种工具，得到了１４种解决方案（去重后），综合考虑成本、可行性和可靠性，提取了３个方案组合形成最终方案，即：将传感器内置于滚动轴承内部，并对传感器采集的信号进行放大滤波处理，再用自适应的信号处理方法进行故障特征提取，以确保不漏检。该方案提升了理论研究水平，增强了检测与处理智能化能力，提高了故障检测准确率，避免了因轴承故障导致的财产及人身安全的损失。
关键词：ＴＲＩＺ创新方法；滚动轴承；故障检测；准确性
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ＨｕａｎｇＳｈａｎｓｈａｎ，ＬｉＺｈｉｎｏｎｇ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＲＩＺｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ａｃｃｕｒａｃｙ
０引言
滚动轴承是一种精密的机械元件，广泛应用于大型工业或航空设备，如风力发电机、航空发动机、高铁等。作为一种易损零件，由于其长时间工作在恶劣环境下，工作状态随时会发生变化，不可避免地会产生某些故障。据外媒报道，由轴承失效引发航空发动机非计划内换发的比例达到了近９０％［１］。如果轴承检测的准确性不高，一旦漏检，将会产生严重的事故，造成难以估量的损失。如１９９１年兰州铁路局１４７９次货物列车因轴承质量不佳，保持架破碎，轴承运转卡阻致热切造成脱轨重大事故；２００２年中韩发生多起客机失事的惨重事故，其中的某型号航空发动机由于轴承抱死而导致坠机。因此，提高滚动轴承故障检测的准确性具有重要的工程价值，应用Ｔｒｉｚ理论，有助于打破思维定位，快速发现问题本质，明确探索方向［２］，有益于寻求解决方案。
系统的创新是有规律可循的，Ｇ．Ｓ．Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ和他的研究团队分析了大量的专利，得到一种解决发明创造问题的理论和工具，这就是ＴＲＩＺ理论［３］。经过７０多年的发展，ＴＲＩＺ理论已形成发现问题、分析问题、解决问题的完整理论体系［４］，提供了创新思维方法、４０条发明原理、技术系统进化法则、矛盾矩阵、物－场模型、７６种标准解法等工具［５］，能够有效解决在设计过程中出现的矛盾，广泛应用于多行业、多领域解决问题，在机械工程领域更是得到了广泛的应用［６－９］。
本文首先采用ＴＲＩＺ理论中的三大问题分析方法对轴承故障检测系统准确性不高的问题进行全方位、系统化的研究和分析，以确定问题的突破点，再利用８种问题求解工具，寻求根本性的改善措施。
１问题分析与求解
１.１问题描述
目前检测轴承故障的技术系统工作原理如图１所示，然而其存在一系列问题。（１）只能间接检测，受传递路径影响［１０］，难以获取轴承故障数据。由于不能直接对轴承进行检测，因此获取的信号比较弱。（２）大量噪声信号干扰有用信号，故障特征被掩盖，难以发现。在轴承工作时，轴承自身的振动以及环境噪声都会形成干扰，轴承的载荷、转速、安装配合状态等都会影响轴承噪声的产生。（３）难以定量化对故障进行检测。目前技术系统大多只能检测出故障类型，并不能检测出故障的尺寸。
因此，需要对现有技术系统做出改进。由前文分析可知，对新系统有以下几点要求：（１）采集信号所用的传感器的抗干扰性较强；（２）可以从强背景噪声中提取出有用信号；（３）提高故障特征提取的准确率；（４）故障检测的快速性。
在应用ＴＲＩＺ解决发明问题时，首先需要了解各模块的使用方法，然后针对特性问题，选择相应的工具进行求解，图２展示了ＴＲＩＺ解决问题的一般流程。
１.２问题分析
对于一个工程问题，其影响因素错综复杂，若综合采用资源分析、功能分析、因果分析三大工具对其进行全面深入的分析，确定问题的突破点，无疑会降低工作难度。
１.２.１资源分析
在ＴＲＩＺ理论中，资源是一切可被人类开发和利用的物质、能量和信息的总称。对资源进行合理分类，并以此为基础加以分析和理解是解决创新问题的必经之路。根据系统资源来源的不同，可分为来自系统内部的资源和来自外部环境（超系统）的资源。根据资源的不同类型，可分为物质资源、能量资源、信息资源、时间资源、空间资源和功能资源。通过资源分析可以充分考虑并使用周围资源，达到提高理想度的目的［１１］。系统资源分析列表如表１所示。
１.２.２功能分析
系统功能分析的主要目的是确定系统的主要功能，明确各组件之间存在的关系［１２］。建立并绘制组件功能模型图，第１步是组件分析，目的是识别系统的超系统组件、组件及其子组件，组件列表如表２所示。
第２步是分析相互作用，目的是分析系统各组件及超系统组件之间的相互作用关系，并辨别这些关系的性质，构建相互作用矩阵，结果如表３所示。
第３步是基于相互作用矩阵建立功能关系模型，形象地将各组件之间的所有功能关系及功能性质全部展示出来，系统功能模型如图３所示。通过构建系统功能模型图，确定导致问题存在的功能因素，得到系统中存在的负面功能：（１）环境噪声对传感器采集数据时的影响———有害作用；（２）润滑剂对滚动轴承的润滑———不足作用；（３）非抗干扰传感器对滚动轴承数据的采集———不足作用；（４）信号处理装置对数据的处理———不足作用；（５）温度对传感器灵敏的影响———不足作用。
１.２.３因果分析
所谓系统因果分析是以系统发展变化的因果关系为依据，抓住系统发展变化的主要矛盾（内因）与次要矛盾（外因）的相互关系。通过构建因果链指出事件发生的原因和导致的结果，可以清晰地看到滚动轴承故障检测准确性不高的根本原因［１３］。绘制系统因果分析如图４所示。
通过因果分析，可以得到导致问题产生的根本原因为：环境温度、湿度等对传感器参数的影响；信号处理方法不具备自适应性；传感器不能直接采集到轴承数据。通过开展系统功能分析、因果分析、资源分析，确定问题解决的突破点：改善轴承工作环境；提高传感器的抗干扰性；提高信号处理方法的自适应性；采用内置传感器的方式检测轴承故障。
１.３问题求解
１.３.１系统裁剪
系统裁剪即根据系统需求将系统中存在的不足作用、有害作用和过剩作用功能的组件裁剪，同时把有用的功能提取出来，让系统中的其他组件或超系统组件去实现这个功能，从而改善功能模型，提高系统的理想度［１４］。对系统功能模型进行分析，发现传感器对滚动轴承信号的采集存在不足作用，因此，试图裁剪掉非抗干扰的传感器；信号处理装置对采集到的信号处理存在不足作用，因此，试图裁剪掉信号处理装置。分别得到如下方案。
方案１：运用裁剪实施规则３，裁剪传感器，更换为高精度抗干扰传感器，并使用嵌入式传感器采集轴承信号。
方案２：运用裁剪实施规则３，裁剪信号处理方法，选取具有自适应性的信号处理方法。
１.３.２技术矛盾与发明原理
ＴＲＩＺ理论认为“矛盾是发明问题的核心”，如何准确而合理地将问题中蕴藏的矛盾抽取出来，将多样化的具体问题转化为规范的典型问题，将直接影响后续解决矛盾的效率和效果［１５］。ＴＲＩＺ理论将矛盾分为两类，第一类称为技术矛盾，也就是当系统的某个工程参数得到改善时，可能会引起另外一个工程参数的恶化。
针对采用内置传感器的方式检测轴承故障这一关键问题，分析可知技术矛盾点在于：如果采用内置式传感器，虽然会提高轴承故障检测的准确率，但势必造成系统复杂程度的增加以及成本的提高。将这一问题转化为ＴＲＩＺ理论的标准问题，将改善的参数定义为测量精度，恶化的参数定义为易维修性、易制造性、装置的复杂性。矛盾矩阵见表４。
由表５中的ＴＲＩＺ理论及其内容可以看出，表中的４项发明原理是利用ＴＲＩＺ矛盾矩阵得出的改善这一工程问题的最优解。利用这４个发明原理，得到如下概念方案。
方案３：把滚动轴承分割成若干个局部，分别研究各个局部的故障。
方案４：将传感器嵌入到轴承中，即可实现直接测量，获得直接信号。
方案５：使用价格低的新轴承，频繁更换。
方案６：在不同故障程度、分布参数下，对比分析，提高检测准确性。
１.３.３物理矛盾与分离原理
技术矛盾的背后往往隐含着物理矛盾，物理矛盾指的是为了实现某种功能，对同一个对象的同一个工程参数提出了互斥的要求［１６］。将技术矛盾转化为物理矛盾可知：为了提高滚动轴承故障检测的准确性，要求传感器能够直接测量；与此同时，为了降低系统的复杂性和制造成本，要求传感器不能嵌入式。这便是本系统的物理矛盾。技术矛盾与物理矛盾之间的转化如图５所示。
通过运用四大分离原理中的条件分离原理，得到方案７：在不同应用场景选择不同的测量方式。
１.３.４物场模型
物场模型描述系统中不同元素之间发生的各种相互作用，由两个物质与一个场组成，３个构成要素缺一不可，是一个完全的、最小的技术系统［１７］。在进行物场分析时，首先确定关键问题，通过前面对系统功能模型的分析，针对提高传感器的抗干扰性这一关键问题，首先构建系统的初始物－场模型，如图６所示。
建立物场分析模型后，运用７６个标准解进行求解，运用标准解２.１.１向串联式复合物场模型转换，得到方案８：加入信号处理装置，过滤干扰信号，放大微弱信号，新的物－场模型如图７所示。
１.３.５科学效应与知识库
科学效应和现象知识库是ＴＲＩＺ体系中最容易应用的工具［１８］，主要有３种，具体包括学科效应库、功能库以及属性库。只要确定了需要实现的功能或者需要改变的属性，就可以查找到相应的知识，因此，首先提炼欲改变的系统功能为：
（１）传感器采集干扰信号较多；
（２）信号处理方法不足。
首先查询功能库，得到需要实现的功能对应的属性表达为探测振动及提纯纯度。之后查询属性库，可以查询到若干知识并据此构建方案。
方案９：查询功能库１４探测，产生新的概念方案，即使用温度谱检测轴承在旋转中不同位置温度变化，分析故障位置与程度。
方案１０：查询属性库３５振动，产生新的概念方案，即使用谐波振动器检测轴承的故障。
方案１１：查询属性库８频率，产生新的概念方案，即使用多普勒振动计，通过非接触式测量物体表面的振幅和频率。
１.３.６最终理想解
在ＴＲＩＺ理论中，评价技术系统的优劣可以用系统实现的有用功能／（有害功能＋成本）的比值进行衡量，此称为技术系统的理想度。理想情况为系统的有用功能趋向于无穷大，或有害功能和成本趋近于０，二者的比值（即理想度）达到无穷大。此时，技术系统能够实现所有既定的有用功能，但却不占据时间、空间，不消耗资源，也不产生任何有害功能，达到一个理想化的状态［１９］。针对特定技术问题，尝试构建尽可能接近理想化最终结果的解决方案，明确系统发展方向，之后由其他工具负责具体实现，这就是寻求最终理想解的过程。定义最终理想解通常有六步法，如表６所示。
由最终理想解分析得到的方案如下。
方案１２：使用抗干扰传感器采集数据。
方案１３：采用嵌入式传感器直接检测。
方案１４：使用自适应的信号处理方法。
１.３.７九屏幕法
九屏幕法如图８所示，它具有两条坐标轴线：纵向为系统层次，分为子系统、系统和超系统３个层次；横向为时间。该方法可将发明者的视野从一个屏幕扩展到九个屏幕［２０］，进而从提供资源以解决问题的角度出发，分别考虑超系统组件、系统及子系统（组件）在３个不同的时间节点上的可利用资源，达到消除不良后果的目的。
最终产生概念方案如下。
方案１５：采用智慧云监测，实时监测轴承工作状态并预警。
方案１６：深度学习方法，智能处理故障信号。
１.３.８ＳＴＣ算子
ＳＴＣ算子是对系统或组件的尺寸、时间和成本三个维度进行一系列极限变化的思维试验，通过分析这３个因素的极限变化来找出相应的问题解决办法［２１］。运用ＳＴＣ算子描述３种极限条件下的情况，如表７所示。
通过ＳＴＣ方法构建如下概念方案。
方案１７：在故障尺寸趋近于无穷大时，产生新的概念方案，直接将传感器放置在故障附近，即可准确测得故障信号。
方案１８：在检测时间趋近于无穷小或支出成本无穷小时，产生新的概念方案，实时获取故障数据，发现异常，立即处理。
方案１９：在支出成本趋近于无穷大时，产生新的概念方案，即可以频繁换用新轴承。
２方案汇总与评价
对上述１９个方案去除重复方案后，从成本、可行性两个方面进行评价，得到方案评价表。
根据表８中对所有解决方案的综合评价与可用性分析，综合考虑成本、难易、可靠以及综合评价等多个维度，最终采纳由“方案２、方案６、方案１２”所组成的综合方案，得到最优解为：将传感器内置于滚动轴承内部，并对传感器采集的信号进行放大滤波处理，再用自适应的信号处理方法进行故障特征提取，确保不会漏检，最终实现滚动轴承故障检测准确性提高。
３结束语
针对轴承检测系统对滚动轴承故障检测准确性不高这一机械行业技术难题，运用ＴＲＩＺ理论进行了创新方案的设计：首先对系统进行资源分析、功能分析及因果分析，得出求解的关键突破点，之后利用ＴＲＩＺ解决问题的多种工具，得到了１９种解决方案，最后通过对去重后的１４种解决方案进行综合评价，得到了最优方案：将传感器内置于滚动轴承内部，并对传感器采集的信号进行放大滤波处理，再用自适应的信号处理方法进行故障特征提取，确保不会漏检，最终实现滚动轴承故障检测准确性提高。该方案提升了理论研究水平，增强了检测与处理智能化能力，提高了故障检测准确率，避免了因轴承故障导致的财产及人身安全的损失，产生巨大经济效益。
参考文献：
［１］胡义凡．基于振动信号的航空发动机主轴轴承可靠性分析［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２０１９．
［２］李龙雨，王明磊，刘勇．基于ＴＲＩＺ理论的系统监控及故障诊断技术［Ｊ］．机电工程技术，２０１１，４０（５）：６９－７０，１２５．
［３］董琛，王豪．基于ＴＲＩＺ理论的运动助力机械臂座轻量化设计［Ｊ］．机械设计，２０２０，３７（Ｓ１）：７７－８２．
［４］刘晓雯．基于ＴＲＩＺ的榨菜真空包装机设计［Ｊ］．包装工程，２０１６，３７（７）：９９－１０２.
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