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（整期优先）网络出版时间：2023-03-14

作者: 刘晓巍，于建刚辛海琳

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基于TRIZ原理的用于运输重卡的新型铁路车辆设计

刘晓巍，于建刚,,,辛海琳

（中车齐齐哈尔车辆有限公司技术中心黑龙江齐齐哈尔 161000）

摘要：目前，铁路车辆既有车型运输商品重卡存在装载效率低、经济成本高等问题,无法满足商品重卡运输需求。基于TRIZ创新理论，在产品设计过程中运用TRIZ中物理矛盾、FRI、物场模型等一系列解题工具针对铁路车辆车体结构，内部装置等进行创新设计。通过实践应用，用于运输重卡的新型铁路车辆设计提高了商品重卡运输效率，满足铁路运输要求，填补了铁路运输重卡行业空白。

前言：商品乘用车在铁路上已基本实现“零公里”运输，但重型卡车（以下简称重卡）一般采用一驮一或自主驾驶到达目的地等公路运输为主的运输模式，如图1所示。商品重卡长期的公路运输模式也暴露出运输批量小、能源消耗多、交付质量差以及安全性低等问题。相比公路运输，铁路运输安全经济、排放低、污染小且不受外界天气及路况的影响。

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（a）一驮一运输（b）自主驾驶车

图1 重卡运输现状

2018年，国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，其中一项重要举措就是”公转铁“运输，也就是将货物由公路运输转为铁路运输，因此将重卡实现铁路“零公里公转铁”运输是国民经济和城市圈的建设发展的必然趋势。

国内铁路运输重卡现状

经统计，我国铁路车辆目前可运输重卡的车辆有驮背车和通用平车。驮背车一般运输的是装载货物之后的公路货车或半挂车，重卡作为商品货物目前铁路只能采用通用平车进行装载运输，但由于受铁路机车车辆限界，以及重卡外形尺寸的影响，造成超限运输，促使运输速度慢、成本高。

TRIZ创新理论及解题过程

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）——发明问题解决理论，它是苏联发明家根里奇·阿奇舒勒为首的研究团队通过对250万件高水平发明专利进行分析和提炼之后总结出来的，指导人们进行发明创新、解决工程问题的系统化的方法学体系[1]。

TRIZ 理论主要包括因果链、冲突矩阵、发明原理、物场模型等多个问题分析工具及解决方法,解决问题的一般过程为先将一个待解决的实际问题转化为问题模型；然后针对不同的问题模型，应用不同的TRIZ工具，得到解决方案模型；最后将这些解决方案模型应用到具体的问题之中，得到问题的解决方案[1]。

图2 TRIZ的一般解题模式及流程

为满足铁路运输商品重卡需求，提高运输效率，降低运输成本，以TRIZ创新理论为创新设计的理论依据，提出了用于运输重卡的新型铁路车辆设计的创新方案。

基于TRIZ原理的用于运输重卡的新型铁路车辆设计

3.1初始问题确定

根据TRIZ的解题过程，首先明确待解决的问题。以一辆铁路平车运输一辆重卡为当前系统分析，铁路平车运输重卡面临的主要问题为装车数量少、超铁路车辆限界、运输成本高。想要多装重卡、降低运输成本直接方法就是增加平车长度，但是车体长度受车辆限界所制约，即车体长度增加后在曲线的偏移量超过计算车辆的偏移量之后，就得削减车体最大宽度的允许值[2]。简而言之就是当设计车辆的曲线偏移量超过计算车辆的曲线偏移量之后，增长车体长度就得减少车宽，为了满足装载运输重卡，所以车体长度不能任意加长。根据装载重卡空间限制，确定铁路车辆最优长宽比，确定车辆基本参数。通过因果链层层分析最终得出关键问题在铁路车辆长度允许范围内，最大限度的多装重卡，增加装载数量，降低运输成本。

图3 当前系统示意图

图4 车体长度在曲线偏移示意图

4.2物理矛盾

TRIZ中认为在解决问题时，最有效的解决方案就是解决技术难题中的矛盾。当想要改善技术系统中的某一个变量时，常常会引起另一个变量的恶化，于是就产生了矛盾。当对一个参数提出相反要求，就会出现物理矛盾[1]。

铁路平车长度长，装载重卡的数量就会多，成本就会降低，铁路平车长度短，装载重卡的宽度空间充足，操作性好。因此铁路平车长度既要长又要短就是一对物理矛盾。

方案一：根据上述物理矛盾，利用4个分离原理与40个发明原理相结合，综合得出方案一。利用条件分离，改变平车传统的平板结构，利用铁轨与底架的空间，将底架设计为凹形底架结构，解决铁路车辆运输重卡上部限界空间不足的问题。同时将空间分离与动态进化性法则相结合，利用重卡尾部的上方空间，采用两两相叠的装运模式，满足机车车辆限界要求，实现两辆重卡的装载运输

图5 运输2辆重卡示意图

方案二：根据上述分析，装载重卡数量越多，运输效益越好，再结合40个发明原理中局部质量改善法和套叠法等，加长铁路平车凹底部分，利用重卡本身尾部空间实现套叠装载，在车长允许范围内实现装载4辆重卡的方案。

图6 运输4辆重卡示意图

4.3 最终理想结果--IFR

最终理想结果--IFR描述：系统“自己”能够实现这个功能，不需要利用额外的资源。在实现方案二过程中发现，要装载4辆重卡，在装载过程中第1重卡入位后，需要将其尾部抬起，然后第2、3辆车相对驶入，第4辆重卡入位后同样需要将尾部抬起。针对方案二的IFR是保持运输4辆重卡的优点，消除需要外部资源装卸重卡的不足，在不让系统变得复杂的基础上，不引入新的缺点，让重卡“自己”实现装卸。

利用功能导向搜索，查找现有解决方案，可以利用千斤顶，电动吊葫芦将车身抬起。但是如果在铁路车辆上安装这些设备，需要外部电源，而且占用铁路车辆内外空间。因此针对方案二平车对重卡举升力不足，再结合物场模型，根据76个标准解中S2.1.1采用链式物场模型，引入一个新的物质--上层走板来消除有害作用，使车辆变成双层结构，实现叠装。与此同时又带来了次生问题，第1辆重卡驶入后，由于上层走板的存在，第2辆重卡入位空间不足，所以针对走板既要存在又要消失的物理矛盾，再次采用时间分离法，将走板设计成折叠式可活动结构，通过改变走板的位置，形成不同行驶通道，完成4辆叠装。