王高峰，張亞平，李光輝，王艷平

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州 安順 561018)

基于TRIZ理論的盾構(gòu)機(jī)密封環(huán)件加工工藝改進(jìn)

王高峰1，張亞平1，李光輝2，王艷平2

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州 安順 561018)

介紹了TRIZ理論體系和解題流程，以TRIZ矛盾解決原理為指導(dǎo)，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)密封環(huán)件淬火變形問題，運(yùn)用曲面化發(fā)明原理，進(jìn)行了加工工藝的改進(jìn)。通過生產(chǎn)驗(yàn)證，取得了良好的效果。結(jié)果表明，TRIZ理論為解決盾構(gòu)機(jī)環(huán)件加工領(lǐng)域難題，提供了一套有效工具。

TRIZ；盾構(gòu)機(jī)；密封環(huán)件；淬火變形

0 前言

近年來，隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)建設(shè)步伐加快，地鐵、城市綜合管理等項(xiàng)目建設(shè)增長(zhǎng)迅速。盾構(gòu)機(jī)在建設(shè)施工中發(fā)揮著重要作用，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)量隨之連續(xù)增長(zhǎng)[1]。盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)械、電氣、液壓、控制、測(cè)量等多種學(xué)科于一體的大型施工設(shè)備。位于盾首部分的密封環(huán)件是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵零件，起到密封、減磨、耐磨等作用。由于盾首環(huán)件尺寸大、壁厚薄、硬度高等特點(diǎn)，加工時(shí)存在變形現(xiàn)象，影響加工效率及合格率。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此問題研究較少。

TRIZ理論，是俄文發(fā)明問題解決理論的縮寫，由前蘇聯(lián)發(fā)明專家根奇·阿奇舒勒等人在對(duì)全世界近250萬份高水平發(fā)明專利的研究、分析、歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，建立起來的解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法。TRIZ的研究應(yīng)用已遍布世界多個(gè)領(lǐng)域，近年來，我國(guó)對(duì)TRIZ理論的研究也得到高度重視，許多學(xué)者對(duì)TRIZ的應(yīng)用也做了相關(guān)研究。劉志峰等運(yùn)用物場(chǎng)分析原理和沖突解決原理進(jìn)行了產(chǎn)品零件可拆卸聯(lián)接改進(jìn)設(shè)計(jì)[2]；張?chǎng)芜\(yùn)用矛盾解決原理對(duì)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究[3]；朱輝等運(yùn)用矛盾/沖突解決理論對(duì)多軸擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

本文將TRIZ理論應(yīng)用到盾構(gòu)機(jī)環(huán)件的加工領(lǐng)域，通過系統(tǒng)分析得出解決變形問題的方案。

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

1.1 TRIZ理論體系

TRIZ是基于知識(shí)的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法。其理論體系主要包括技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、40條發(fā)明原理、39個(gè)工程技術(shù)參數(shù)、矛盾/沖突解決理論、物質(zhì)-場(chǎng)分析、發(fā)明問題解決算法等。TRIZ理論體系可用圖1所示框架圖表示[5]。

圖1 TRIZ理論體系框架圖

1.2 TRIZ解題流程

TRIZ理論作為一套完整體系，不同于依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)模式和不斷試錯(cuò)的思路去解決問題，它給出了解決創(chuàng)新問題的整個(gè)流程。具體解題流程如圖2所示[6]。

圖2 TRIZ理論解題流程

對(duì)于某個(gè)具體問題，可依據(jù)圖2流程進(jìn)行求解，即首先確定工程問題，建立問題分析模型，然后利用TRIZ提煉的各種原理和工具，得出相應(yīng)的解決方案，依據(jù)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則等對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得出最優(yōu)方案后實(shí)施。

1.3 矛盾矩陣

TRIZ理論把解決矛盾作為工程問題的核心，矛盾主要是技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾是指系統(tǒng)中兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾，即如果改善參數(shù)A，將導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)B的惡化；物理矛盾是指系統(tǒng)一個(gè)參數(shù)的矛盾，即既要求某參數(shù)A的性質(zhì)為正，又要求參數(shù)A的性質(zhì)為負(fù)。TRIZ理論歸納出39個(gè)通用工程參數(shù)來描述矛盾，總結(jié)出40條發(fā)明原理來解決矛盾，并把39個(gè)工程參數(shù)和40條發(fā)明原理通過矛盾矩陣建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。針對(duì)某一矛盾，可通過查找矛盾矩陣快速得優(yōu)先考慮的發(fā)明原理。表1為矛盾矩陣部分內(nèi)容[6]。

表1 矛盾矩陣表

矛盾矩陣的行、列均是39個(gè)工程參數(shù)，列代表工程參數(shù)需要改善的一方，行代表工程參數(shù)可能惡化的一方。應(yīng)用時(shí)，先從列中找到需要改善的技術(shù)參數(shù)，再從行中找到可能惡化的技術(shù)參數(shù)，其行列的交點(diǎn)，則是推薦使用的發(fā)明原理的序號(hào)。

2 TRIZ理論在盾構(gòu)機(jī)環(huán)件加工中的應(yīng)用

2.1 問題背景

某型號(hào)盾構(gòu)機(jī)，其環(huán)件位于外壓緊環(huán)與法蘭之間，如圖3所示，外密封環(huán)5主要起密封作用，其磨損后可通過螺栓來調(diào)節(jié)與密封條的相對(duì)位置，進(jìn)而起到密封效果。

圖3 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

密封環(huán)件材料為42CrMo，為了提高耐磨性，外徑表面需進(jìn)行表面淬火處理，要求硬度為55～62 HRC，有效硬化層深度不小于5 mm 。其尺寸及技術(shù)要求如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品尺寸及技術(shù)要求

2.2 問題描述及分析

傳統(tǒng)加工工藝，粗車后進(jìn)行外徑表面淬火，最后磨削淬火面。由于密封環(huán)件尺寸較大、徑向壁薄、剛性差，且淬火面積較大，致使外徑表面上下受熱、冷卻速度不一致，表面淬火后變形量較大。其表面淬火后如圖5所示，位置2比位置1、3凹陷約0.4 mm左右，零件內(nèi)、外徑橢圓0.5 mm左右。傳統(tǒng)工藝為了保證成品尺寸，加大了磨削加工留量。但是傳統(tǒng)工藝存在以下問題：(1)由于先車內(nèi)徑臺(tái)階，后進(jìn)行外徑面淬火，表面淬火時(shí)徑向壁厚較薄，容易造成零件的橢圓及外徑面心部的凹陷；(2)為了保證成品尺寸，加大了磨削留量，降低了加工效率；(3)由于磨削量較大，造成成品有效硬化層厚度不均勻。

圖5 傳統(tǒng)工藝表面淬火后示意圖

2.3 矛盾理論應(yīng)用

通過以上分析，技術(shù)矛盾為工件形狀改善與工件表面硬度惡化之間的矛盾，因此可將第一個(gè)工程參數(shù)描述為形狀，將第二個(gè)工程參數(shù)描述為強(qiáng)度。查矛盾矩陣表可知，30號(hào)、14號(hào)、10號(hào)、40號(hào)原理可能解決此問題。30號(hào)為柔性殼體或薄膜原理；14號(hào)為曲面化原理；10號(hào)為預(yù)先作用原理；40號(hào)為復(fù)合材料原理。

通過原理分析，認(rèn)為14號(hào)、10號(hào)原理可解決此問題，即將環(huán)件外徑在粗車時(shí)加工成外凸的曲面，經(jīng)過淬火后外徑表面產(chǎn)生向內(nèi)凹陷的變形，最終外徑面的圓柱度較為理想，再經(jīng)過小磨量的磨加工，即能滿足圖紙要求。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)傳統(tǒng)加工工藝的改進(jìn)，確定了新工藝路線為：車基面、圓弧外徑→車非基面→外徑表面淬火→車內(nèi)徑臺(tái)階→磨削外徑。新工藝改車外徑為圓弧形，如圖6所示，以彌補(bǔ)外徑淬火引起的凹陷。

圖6 新工藝車圓弧示意圖

通過對(duì)采用新工藝后的首件產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，零件外徑直線度在0.1 mm以內(nèi)，橢圓0.3 mm以內(nèi)。因此外徑淬火面磨削0.3 mm即可，極大的提高了零件的加工效率，節(jié)約了加工成本。

3 結(jié)論

通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)環(huán)件加工工藝的分析，將TRIZ的矛盾理論應(yīng)用到其工藝中，從理論上得到了可行的方案。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，取得良好的應(yīng)用效果。這表面，TRIZ理論在對(duì)類似產(chǎn)品的加工過程中，能起到很好的指導(dǎo)作用。

[1] 羅星臣.國(guó)內(nèi)外隧道盾構(gòu)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(12):65—66.

[2] 劉志峰，胡迪，高洋，等.基于TRIZ的可拆卸聯(lián)接改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(11):65-71.

[3] 張?chǎng)?基于TRIZ理論的起重機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2015(07):62-65.

[4] 朱輝，李培林，王崴，等.基于TRIZ理論的多軸擰緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32(12):26-29.

[5] 創(chuàng)新方法研究會(huì)，中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心.創(chuàng)新方法教程[M].北京: 高等教育出版社，2015.

[6] 曾獻(xiàn)智.基于TRIZ理論的Z公司軸承產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究[D].洛陽: 河南科技大學(xué)，2015.

Process improvement of sealing ring for shield tunneling machinebased on TRIZ theory

WANG Gao-feng1, ZHANG Ya-ping1, LI Guang-hui2, WANG Yan-ping2

(1.Luoyang Bearing Science &Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China; 2.AVIC Guizhou Aviation Aircraft Co., Ltd., Anshun 561018,China)

This paper Introduced TRIZ theory system and the problem solving process. To the quenching deformation problem of sealing ring for shield tunneling machine, the processing technology of the sealing ring was improved by using the curve surface invention principle, under the guidance of guided by the TRIZ conflict solving principle. Good effect of improvement is validated through production. The results show that the TRIZ theory provide a set of effective tools to solve the processing problem of sealing ring for shield tunneling machine.

TRIZ; shield tunneling machine; sealing ring; quenching deformation

2017-01-25；

2017-02-28

王高峰(1985-)，男，洛陽軸研科技股份有限公司，工程師。

TG506

A

1001-196X(2017)03-0090-04