基于TRIZ的減速器高速軸漏油分析與解決*

張亞琴

(太重煤機(jī)有限公司，山西 太原　030032)

0　引　言

TRIZ，直譯是“發(fā)明問(wèn)題解決理論”，國(guó)內(nèi)也形象的翻譯為“萃智”或“萃思”，取其“萃取智慧”或“萃取思考”之義。TRIZ是由前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G.S.Altshuller(根里奇·阿奇舒勒)和他的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分析大量專(zhuān)利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來(lái)的[1]。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終理想解。TRIZ擁有多種解題思路和標(biāo)準(zhǔn)解，可非常快捷的解決工程實(shí)際問(wèn)題[2]。太重煤機(jī)有限公司致力于學(xué)習(xí)應(yīng)用及推廣TRIZ已有近十年歷史，在實(shí)際中也解決了很多難題，筆者以礦用減速器中常見(jiàn)的漏油問(wèn)題為解題目標(biāo)，應(yīng)用TRIZ工具進(jìn)行解題。

1　項(xiàng)目背景

密封失效導(dǎo)致漏油是這類(lèi)減速器的常見(jiàn)問(wèn)題，也是行業(yè)難題。漏油多發(fā)生在高速軸密封處，潤(rùn)滑油滲漏不但污染環(huán)境、浪費(fèi)資源還可能導(dǎo)致軸承損壞，齒輪打齒等嚴(yán)重故障。由于使用工況的特殊性，這類(lèi)設(shè)備維修難度非常大。據(jù)太重煤機(jī)有限公司2016年質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析，漏油問(wèn)題故障率達(dá)30%。所以，不管是從企業(yè)還是從行業(yè)角度考慮都亟需解決。

2　當(dāng)前使用結(jié)構(gòu)及存在問(wèn)題

(1) 輸入軸采用骨架式油封，轉(zhuǎn)速較高，達(dá)到1 480 r/min，密封機(jī)構(gòu)如圖1所示。骨架油封與旋轉(zhuǎn)軸之間保持高速相對(duì)旋轉(zhuǎn)，容易磨損高價(jià)值的旋轉(zhuǎn)軸，如圖2所示為磨損后的旋轉(zhuǎn)軸，可以看出旋轉(zhuǎn)軸被油封唇口磨出兩道溝槽[3]。

圖1　目前密封結(jié)構(gòu)　　　圖2　磨損后的旋轉(zhuǎn)軸

(2) 減速器的使用環(huán)境惡劣，礦井中漂浮著煤粉、礦石粉等顆粒物，隨著空氣流動(dòng)，這些顆粒性物質(zhì)必然會(huì)進(jìn)入外露的油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面。

(3) 減速器使用操作不規(guī)范，在加注潤(rùn)滑油的過(guò)程中總會(huì)帶入煤渣等顆粒性物質(zhì)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油中存在大量雜質(zhì)，隨著潤(rùn)滑油在箱體內(nèi)腔流動(dòng)，潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面。

(4) 維護(hù)、更換零件難度大。因減速器輸入軸聯(lián)接部分位于罩筒之中，輸出軸與滾筒或鏈輪軸聯(lián)接，依靠主機(jī)架進(jìn)行固定，再加上井下環(huán)境的特殊性，一旦減速器發(fā)生漏油現(xiàn)象，短期內(nèi)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。漏油現(xiàn)象發(fā)生后，如沒(méi)能及時(shí)補(bǔ)充，易造成減速器內(nèi)部軸承因缺油而無(wú)法在滾動(dòng)體、內(nèi)、外圈間形成油膜，從而導(dǎo)致軸承損壞，這種情況在高速軸表現(xiàn)更為明顯。減速器軸承損壞后必然導(dǎo)致齒軸等零件失去支撐進(jìn)而發(fā)生打齒現(xiàn)象，致使停產(chǎn)。此外，漏油還會(huì)污染環(huán)境[4]。

3　借用TRIZ理論工具進(jìn)行分析

因果樹(shù)分析是TRIZ的一項(xiàng)解題工具，可以幫助找到導(dǎo)致問(wèn)題的根本原因。如圖3所示為分析導(dǎo)致減速器漏油的因果樹(shù)。

圖3　減速器漏油問(wèn)題因果樹(shù)

根據(jù)圖3所示的因果樹(shù)可知，減速器漏油主要分為兩類(lèi)：減速器出軸處漏油和減速器其他部位漏油，由于減速器其他部位漏油發(fā)生的概率極低，所以主要考慮減速器出軸處漏油。導(dǎo)致減速器出軸處漏油的原因可以歸結(jié)為四點(diǎn)：工作環(huán)境中的顆粒性物質(zhì)進(jìn)入接觸面損傷油封唇口；潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)進(jìn)入接觸面損傷油封唇口；軸表面加工精度低；軸表面硬度低。這一問(wèn)題借助TRIZ理論的物場(chǎng)模型來(lái)解決[5]。

(1) 物場(chǎng)模型一由于工作環(huán)境中的顆粒性物質(zhì)會(huì)隨著空氣流動(dòng)進(jìn)入骨架油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸之間的接觸面，損傷油封唇口，導(dǎo)致漏油?？梢岳肨RIZ理論中的物場(chǎng)模型進(jìn)行求解，如圖4所示。

圖4　物場(chǎng)模型

根據(jù)物場(chǎng)模型標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)，可以利用破壞場(chǎng)場(chǎng)模型中的引入S3來(lái)消除有害作用的方法解決問(wèn)題，即通過(guò)引入S3(密封結(jié)構(gòu))來(lái)解決S1(工作環(huán)境中的顆粒性物質(zhì))對(duì)S2(骨架油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸之間的接觸面)的有害作用。

(2) 物場(chǎng)模型二由于潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)會(huì)隨著潤(rùn)滑油的流動(dòng)進(jìn)入骨架油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸之間的接觸面，損傷油封唇口，導(dǎo)致漏油?？梢岳肨RIZ理論中的物場(chǎng)模型進(jìn)行求解，如圖5所示。

圖5　物場(chǎng)模型

根據(jù)物場(chǎng)模型標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)，可以利用破壞場(chǎng)場(chǎng)模型中的引入S3來(lái)消除有害作用的方法解決問(wèn)題，即通過(guò)引入S3(密封結(jié)構(gòu))來(lái)解決S1(潤(rùn)滑油中的雜質(zhì))對(duì)S2(骨架油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸之間的接觸面)的有害作用。

(3) 軸表面加工精度和硬度低從減速器漏油的因果分析樹(shù)可知，導(dǎo)致減速器漏油還有兩個(gè)關(guān)鍵因素分別是軸表面加工精度低和軸表面硬度低，這可以利用TRIZ理論中的物理矛盾模型進(jìn)行求解。

物理矛盾：骨架油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸接觸，以便達(dá)到更好的密封效果。

骨架油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸不接觸，防止價(jià)值更高的旋轉(zhuǎn)軸磨損。

4　解決方案

通過(guò)利用TRIZ理論對(duì)減速器漏油問(wèn)題進(jìn)行分析，借助物場(chǎng)模型和物理矛盾模型解決減速器漏油，可形成以下解決方案：

(1) 雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)破壞物場(chǎng)模型

在骨架油封的外側(cè)增加軸向迷宮密封結(jié)構(gòu)防止工作環(huán)境中的顆粒性物質(zhì)進(jìn)入接觸面磨損油封唇口，在骨架油封的內(nèi)側(cè)增加徑向迷宮密封結(jié)構(gòu)防止?jié)櫥椭械碾s質(zhì)進(jìn)入接觸面磨損油封唇口[6]。由于迷宮結(jié)構(gòu)加工難度小、穩(wěn)定性高、密封效果好且易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，所以采用該方案效果比較理想。如圖6所示為雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)。

圖6　雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)

(2) 利用空間分離方法，選擇01分割原理，03局部質(zhì)量原理[5]。將旋轉(zhuǎn)軸分割成旋轉(zhuǎn)軸和耐磨套兩部分，耐磨套材料選用42CrMo，表面粗糙度達(dá)到1.6，并采用氮化或碳氮共滲的熱處理工藝，提高耐磨套表面硬度和耐磨性。

綜上所述，通過(guò)利用TRIZ理論對(duì)減速器漏油問(wèn)題進(jìn)行分析，最終的實(shí)施方案如圖7所示。

圖7　雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)

在骨架油封4的兩個(gè)端面分別設(shè)置了軸向迷宮2和徑向迷宮6，通過(guò)注油口1向軸向迷宮腔3和徑向迷宮腔7中加注鋰基潤(rùn)滑脂，防止工作環(huán)境中的顆粒性物質(zhì)和潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)進(jìn)入油封唇口和耐磨套5的接觸面，從而保護(hù)油封唇口，提高油封的密封質(zhì)量和使用壽命；在高價(jià)值的旋轉(zhuǎn)軸上增加了耐磨套5，耐磨套5材料選用42CrMo，表面粗糙度達(dá)到1.6，并采用氮化或碳氮共滲的熱處理工藝，提高耐磨套5表面硬度和耐磨性,防止耐磨套5被油封磨出深溝槽造成漏油，同時(shí)也保護(hù)了高價(jià)值的旋轉(zhuǎn)軸。

6　效果確認(rèn)

(1) 如圖8所示為原旋轉(zhuǎn)軸使用一段時(shí)間后表面的磨損情況。如圖9所示為對(duì)耐磨套進(jìn)行質(zhì)量提升后使用一段時(shí)間，耐磨套表面的磨損情況。

對(duì)比圖8和圖9可知，對(duì)耐磨套進(jìn)行質(zhì)量提升后，增強(qiáng)了耐磨套表面硬度和耐磨性，提高了密封效果，可有效防止減速器漏油。

(2) 雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)推廣以來(lái)，減速器漏油問(wèn)題得到顯著改善，漏油故障率從2016年的30%降到了2017年的8%。

(3) 截至目前為止，雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于JS855、JS1000、M系列、DCY系列和WM系列等多種減速器上，實(shí)際應(yīng)用效果良好，漏油問(wèn)題明顯降低，并得到客戶的一致好評(píng)。統(tǒng)計(jì)顯示，該密封結(jié)構(gòu)已為公司累積節(jié)省資金176萬(wàn)元，這僅是顯示出來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，它給公司帶來(lái)的無(wú)形價(jià)值，如品牌價(jià)值、產(chǎn)品口碑等更是難以估量。

圖8　原旋轉(zhuǎn)軸使用的一段時(shí)間后　　　　　　圖9　耐磨套表面的磨損情況

7　結(jié)　語(yǔ)

TRIZ是一種在解決實(shí)際工程難題中非常有效的解題工具，本文應(yīng)用TRIZ中的因果樹(shù)分析和物場(chǎng)模型分析提出了雙機(jī)械迷宮組合式密封結(jié)構(gòu)的解決思路，并應(yīng)用于實(shí)際，取得了理想效果，解題思路具有參考價(jià)值，為企業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造了效益。