创新方法论—TRIZ试解--嵌套原理

李正桐

    嵌套原理是TRIZ（发明问题解决理论）40条创新原理的第7条。

    TRIZ对嵌套原理的解释是：“设法使彼此吻合、配合或放入。嵌套是彼此吻合、彼此组合、内部配合的性质。”在技术发展史上，有些难题就是靠嵌套技术才获得最终圆满解决的。

    1、嵌套改善机械性能

    炮管：大家都见过古代的炮，笨重、粗糙，炮身很粗，膛口却很小。古代炮管的厚重自有它的道理，这是从实践中摸索出来的。因为古炮是用铜或生铁铸成的，强度差，薄壁的炮管容易被炸裂，于是不得不加厚，再加厚，一直到不会炸裂，这个厚度就被保留下来，成为一种经验模式。

    现代火炮的炮管可以比古代的薄，一方面得益于材料的进步，更重要的就是得益于嵌套技术。现代的炮管不是一层，而是两层或多层。制作时外管的内径稍稍小于内管的外径，常温下套不进去，组装时要将外管加热，使其膨胀，再施加压力把内管顶进去。冷却后外管收缩，其巨大的应力紧紧箍住内管，有效地增强了内管抵御膛压的能力。所以较薄的嵌套炮管与厚壁的单层炮管效能相当。嵌套技术带来的另一好处是，炮管内膛磨损后不会导致整个炮管报废，只需更换内管即可。多层嵌套炮管，是嵌套技术的一项经典应用。

    火车轮箍：火车的车轮承载着巨大的负荷昼夜不停地在钢轨上高速驰骋，其磨损程度可想而知。为了应对磨损、延长车轮的工作寿命，必须使用耐磨的高强度合金钢。如果整个车轮都用这种材料，势必增高成本。现在通用的办法是用铸钢制造车轮，而用合金钢制作轮箍。与炮管的做法相似，加工时采取过盈配合，组装时将轮箍加热套进车轮外缘，冷却后紧紧箍在车轮上，加载也不会松脱。同样地，磨损后可以只换轮箍。

    2、嵌套改善热效果

    冷却：另一种典型的嵌套是所谓的水套。为了给高温的功能部件降温，常常使用水套。例如内燃机的汽缸或重机枪的枪管，都需要降温，而水的汽化要吸收大量的热，所以常常用作降温的工质。具体做法是在需降温的部件外围设置容器，注入足量的水，形成水套。由于水即使是沸腾也总是保持恒温100℃，所以对功能部件提供了有效的热保护。

    加热：水套不止可以降温，也可以加热。例如实验室常用的恒温水浴，是一种运用水套的稳定热源，相似的装置也常用来熬胶、融蜡、温酒。

    绝热：还有一种奇特的嵌套是真空与容器的嵌套。听起来有些玄乎，其实就是日常用的保温瓶。它的前身杜瓦瓶是19世纪苏格兰物理学家杜瓦爵士的发明。嵌套夹层内的真空是理想的绝热层，而内壁的银镀层又隔绝了辐射热，所以这种嵌套结构使它的内胆变成了热的孤岛，里面的热出不去，外面的热进不来。基于这个特性，它也常被用来保存低温介质，如液氮、液氧甚至液氢。

    3、嵌套用于电器

    20世纪、21世纪是电的时代。电的普及应用在很大程度上得益于一种重要的嵌套：金属导线与绝缘套管的嵌套，即绝缘导线，俗称电线。多根绝缘导线与外保护层的嵌套又组成了电缆。

    想想吧，如果没有电线或电缆我们的世界会是什么样子：首先因为只有金属裸线，输电线路走地下是不可能了，电线杆会密如蛛网。然后工厂的机床、配电柜要比现在大许多，为的是裸线之间保持安全距离。在家居中，电熨斗、电吹风、电水壶拖着金属裸线谁还敢用？幸亏这一切都没发生--全是嵌套的贡献。

    4、上世纪最重要的嵌套

    光导纤维或称光纤是上世纪最重要的嵌套工程，我们大家都是受益者。把一根玻璃圆柱和一根玻璃管嵌套起来，使它们没有间隙，里面的圆柱折射率较大，外面的套管折射率较小。当光线从它们的端面以特定角度入射时就会发生全反射，换句话说，这两层玻璃的界面就像镜面一样，使光线从这个端面传到另一端面。这还不是光纤，把这个嵌套组合加热到软化点，拉伸，拉到很细很细，就成了光纤。多股光纤与护套的嵌套就是光缆。按照信息论的理论，光纤的信息传输量远大于金属线，因而成为有线传输的重要载体。

    由单一材料的结构变成双层或多层不同材料的嵌套，虽然仅仅是一个简单的变革，却导致了一系列不同凡响的效果。当你遇到相类似的设计任务或攻关课题而举棋不定、一筹莫展时，不妨想一想火炮的威力，想一想火车飞转的车轮，想一想奔流在纤纤光缆中的海量信息，相信灵感自会不期而至。■