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摘 要 结合TRIZ方法，对目前高温拉伸试验系统的运行状况进行简单描述，运用TRIZ的方法进行功能和结构的重组，获得问题的解决方案。此方案已应用于现实高温拉伸试验装置中，并已获得专利。
关键词 TRIZ；高温拉伸；试验装置
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）20-0148-02
1 引言
高温下使用的结构材料，其力学性能需要在实际使用温度下测定，而且需要专门的测试设备。高温拉伸试验同其他高温力学性能测试一样，必须根据试样尺寸和试验要求设计某种特定结构型式的加热装置。国内外对材料的高温试验，都给予极大的重视。
国内外高温拉伸试验装置发展概况 尖端科学技术的飞速发展，对难熔金属和金属陶瓷材料的使用日益迫切。目前，国外高温加热装置的最高工作温度：电阻幅射加热炉是3000 ℃和3200 ℃，直接通电加热是4000 ℃左右。装置的加热方式，有直接通电加热、电阻幅射加热、高频感应辐射加热和电子束辐射加热等，装置的结构多数为圆筒式。温度控制多采用调压器稳压办法。我国的加热装置，从种类和数量上看，是极其有限的，试验条件简单（真空或充气） ，特别是高温变形测量与国外有较大差距。近年来，国内某些科研单位结合TRIZ的相关理论，已经着手建立了1500 ℃的力学、物理性能测试方法。
TRIZ理论 TRIZ的意思是“theory of inventive pro-
blem solving”。该理论是由苏联发明家Altshuller和他的同事们在研究了大量的发明专利后，于1946年提出的，为发明问题的解决理论。它使新产品从开发过程到上市时间缩短50%，提升60%～70%的新产品开发效率，增加80%～100%的专利数量并提高专利的质量。
本文结合TRIZ理论中的组件分析法、因果分析法、物理分析法、矛盾冲突分析法等相关知识，对1500 ℃高温拉伸试验装置做了更深一步的改进。
2 基于TRIZ理论中组件分析法的1500 ℃高温拉伸试验装置优化方案
图1为1500 ℃高温拉伸试验系统，其工作原理是金属试样固定在夹具上，在开口的金属炉体内通过钨丝迅速加热至1500 ℃，测量传感器则通过引申杆对金属试样的变形进行测量，并进一步计算出金属试样的力—变形曲线。
问题描述
问题一：测量试验温度要达到1500 ℃，而传感器的使用温度只能承受200 ℃，所以要用引申杆将传感器放置在距离金属试样很远的地方，这样降低了传感器的测量精度。
问题二：由于引申杆需要穿过炉体进行工作，因此在炉体需要开口，而开口降低了钨丝的升温速度，并且温度无法保持恒温。
设定目标 对以上两个出现的问题设定改进目标，分解为可实施的三部分：1）实现对金属试样的快速升温（1500 ℃）；2）保持试样恒温区域的温度；3）解决试样轴向变形的精确测量。
对新系统的要求：1）达到系统要求的技术指标；2）尽量不增加系统的复杂性；3）有效控制成本和加工难度；4）控制系统的体积和对外界影响。
基于以上分析，设定技术系统的IFR为：炉体自主保持恒温区域的温度，引申杆带动测量仪器能够自主完成高精度的测量。
3 基于TRIZ理论中40个发明原理的1500 ℃高温拉伸试验装置优化方案
在详细了解了系统中组件的相互关系之后，找到影响高温拉伸试验装置的主要因素有：1）由于炉体开口导致的钨丝冷却；2）传感器温度过高影响测量精度；3）引申杆阻隔传感器，导致测量精度不准确。
对此提出问题求解及具体的解决方案。
1）从“钨丝易冷却”入手解决问题。通过查找矛盾矩阵，得到方案一：运用机械系统替代原理，即利用其他加热方式代替热辐射加热，可以解决矛盾问题。由于试样是金属的，因此考虑采用电磁加热的模式。
通过查找相应的矛盾矩阵，得到方案二：运用未达到或过度的作用原理，即改变加热钨丝的形状，将原来相同密度的钨丝变为恒温区域密度较大、隔热区域密度较小的结构，提高恒温区域的升温能力，同时较少地消耗了能量，也有利于温度的稳定和保持。
2）从“传感器温度过高”入手解决问题。通过查找矛盾矩阵得到方案三：运用预先作用原理，即在两个引申杆上分别加一个挡片，挡片随着引申杆运动，挡住从炉身冲出的热量，既降低了热量扩散，又变相降低了热浪对传感器冲击，也不会影响引申杆的运动。
通过查找矛盾矩阵得到方案四：运用中介物质原理，即引入超系统的“水”，利用水冷结构，降低传感器温度，在传感器壳体、测量臂、应变体等位置进行水循环，可有效降低传感器温度，长时间保持传感器正常运转。
3）从引申杆阻隔传感器入手解决问题。通过查找2003年最新版本的矛盾矩阵表和采用系统分离法，得到方案五：金属存在电阻，当有电流通过时会产生热量而升温，利用通电加热直接加热试样技术取代热辐射方式。
通过之前的功能分析，形成方案六：在每个引申杆上都安装金属螺旋机构，螺旋小的一面固定在引申杆上，大的一面固定在金属壳体上，螺旋结构让引申杆自由活动，又可以挡住热量散失。
4 方案选择
通过TRIZ理论得到以上六个方案，之后应用方案评价模型，从可操作性、有用作用、成本和有害作用四个方面来对以上六个方案进行分析。最后得出优先考虑高温拉伸装置的复杂度，其次考虑高温拉伸装置的可靠性。通过进一步的实验研究，这三项方案现均已应用于现实高温拉伸试验装置中，并已获得专利：
方案一：将炉体开口取消，采用无开口下引出式高温试验装备
方案二：根据挡板隔热启示，采用上下加移动挡板保持温度恒定的隔热高温试验装备
方案三：从降低传感器温度的角度出发，采用外置水冷系统高温试验装备
参考文献
[1]丁毅.2024铝合金高温流变规律及断裂行为研究[D].长沙：中南大学，2013.
[2]美国邦纳发布全新长距离高精度LE系列激光测量传感器[J].国内外机电一体化技术，2014（3）：58.
[3]吴亮.铁相对于ZL114A合金高温力学性能的影响[D].昆明：昆明理工大学，2012.
[4]王剑星，申超，赵彦，等.热辐射型光纤高温传感器及其性能研究[J].传感器世界，2014（6）：13-17.
关键词 TRIZ；高温拉伸；试验装置
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）20-0148-02
1 引言
高温下使用的结构材料，其力学性能需要在实际使用温度下测定，而且需要专门的测试设备。高温拉伸试验同其他高温力学性能测试一样，必须根据试样尺寸和试验要求设计某种特定结构型式的加热装置。国内外对材料的高温试验，都给予极大的重视。
国内外高温拉伸试验装置发展概况 尖端科学技术的飞速发展，对难熔金属和金属陶瓷材料的使用日益迫切。目前，国外高温加热装置的最高工作温度：电阻幅射加热炉是3000 ℃和3200 ℃，直接通电加热是4000 ℃左右。装置的加热方式，有直接通电加热、电阻幅射加热、高频感应辐射加热和电子束辐射加热等，装置的结构多数为圆筒式。温度控制多采用调压器稳压办法。我国的加热装置，从种类和数量上看，是极其有限的，试验条件简单（真空或充气） ，特别是高温变形测量与国外有较大差距。近年来，国内某些科研单位结合TRIZ的相关理论，已经着手建立了1500 ℃的力学、物理性能测试方法。
TRIZ理论 TRIZ的意思是“theory of inventive pro-
blem solving”。该理论是由苏联发明家Altshuller和他的同事们在研究了大量的发明专利后，于1946年提出的，为发明问题的解决理论。它使新产品从开发过程到上市时间缩短50%，提升60%～70%的新产品开发效率，增加80%～100%的专利数量并提高专利的质量。
本文结合TRIZ理论中的组件分析法、因果分析法、物理分析法、矛盾冲突分析法等相关知识，对1500 ℃高温拉伸试验装置做了更深一步的改进。
2 基于TRIZ理论中组件分析法的1500 ℃高温拉伸试验装置优化方案
图1为1500 ℃高温拉伸试验系统，其工作原理是金属试样固定在夹具上，在开口的金属炉体内通过钨丝迅速加热至1500 ℃，测量传感器则通过引申杆对金属试样的变形进行测量，并进一步计算出金属试样的力—变形曲线。
问题描述
问题一：测量试验温度要达到1500 ℃，而传感器的使用温度只能承受200 ℃，所以要用引申杆将传感器放置在距离金属试样很远的地方，这样降低了传感器的测量精度。
问题二：由于引申杆需要穿过炉体进行工作，因此在炉体需要开口，而开口降低了钨丝的升温速度，并且温度无法保持恒温。
设定目标 对以上两个出现的问题设定改进目标，分解为可实施的三部分：1）实现对金属试样的快速升温（1500 ℃）；2）保持试样恒温区域的温度；3）解决试样轴向变形的精确测量。
对新系统的要求：1）达到系统要求的技术指标；2）尽量不增加系统的复杂性；3）有效控制成本和加工难度；4）控制系统的体积和对外界影响。
基于以上分析，设定技术系统的IFR为：炉体自主保持恒温区域的温度，引申杆带动测量仪器能够自主完成高精度的测量。
3 基于TRIZ理论中40个发明原理的1500 ℃高温拉伸试验装置优化方案
在详细了解了系统中组件的相互关系之后，找到影响高温拉伸试验装置的主要因素有：1）由于炉体开口导致的钨丝冷却；2）传感器温度过高影响测量精度；3）引申杆阻隔传感器，导致测量精度不准确。
对此提出问题求解及具体的解决方案。
1）从“钨丝易冷却”入手解决问题。通过查找矛盾矩阵，得到方案一：运用机械系统替代原理，即利用其他加热方式代替热辐射加热，可以解决矛盾问题。由于试样是金属的，因此考虑采用电磁加热的模式。
通过查找相应的矛盾矩阵，得到方案二：运用未达到或过度的作用原理，即改变加热钨丝的形状，将原来相同密度的钨丝变为恒温区域密度较大、隔热区域密度较小的结构，提高恒温区域的升温能力，同时较少地消耗了能量，也有利于温度的稳定和保持。
2）从“传感器温度过高”入手解决问题。通过查找矛盾矩阵得到方案三：运用预先作用原理，即在两个引申杆上分别加一个挡片，挡片随着引申杆运动，挡住从炉身冲出的热量，既降低了热量扩散，又变相降低了热浪对传感器冲击，也不会影响引申杆的运动。
通过查找矛盾矩阵得到方案四：运用中介物质原理，即引入超系统的“水”，利用水冷结构，降低传感器温度，在传感器壳体、测量臂、应变体等位置进行水循环，可有效降低传感器温度，长时间保持传感器正常运转。
3）从引申杆阻隔传感器入手解决问题。通过查找2003年最新版本的矛盾矩阵表和采用系统分离法，得到方案五：金属存在电阻，当有电流通过时会产生热量而升温，利用通电加热直接加热试样技术取代热辐射方式。
通过之前的功能分析，形成方案六：在每个引申杆上都安装金属螺旋机构，螺旋小的一面固定在引申杆上，大的一面固定在金属壳体上，螺旋结构让引申杆自由活动，又可以挡住热量散失。
4 方案选择
通过TRIZ理论得到以上六个方案，之后应用方案评价模型，从可操作性、有用作用、成本和有害作用四个方面来对以上六个方案进行分析。最后得出优先考虑高温拉伸装置的复杂度，其次考虑高温拉伸装置的可靠性。通过进一步的实验研究，这三项方案现均已应用于现实高温拉伸试验装置中，并已获得专利：
方案一：将炉体开口取消，采用无开口下引出式高温试验装备
方案二：根据挡板隔热启示，采用上下加移动挡板保持温度恒定的隔热高温试验装备
方案三：从降低传感器温度的角度出发，采用外置水冷系统高温试验装备
参考文献
[1]丁毅.2024铝合金高温流变规律及断裂行为研究[D].长沙：中南大学，2013.
[2]美国邦纳发布全新长距离高精度LE系列激光测量传感器[J].国内外机电一体化技术，2014（3）：58.
[3]吴亮.铁相对于ZL114A合金高温力学性能的影响[D].昆明：昆明理工大学，2012.
[4]王剑星，申超，赵彦，等.热辐射型光纤高温传感器及其性能研究[J].传感器世界，2014（6）：13-17.