基于TRIZ理論螺桿夾緊裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

姚貴英，祁云峰，李秋生

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基于TRIZ理論螺桿夾緊裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

姚貴英，祁云峰*，李秋生

（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

針對(duì)傳統(tǒng)螺桿夾緊裝置存在的不足，借助TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種新型螺桿夾緊裝置?；赥RIZ理論中的沖突矩陣、創(chuàng)新原理與實(shí)際相結(jié)合，分析傳統(tǒng)螺桿夾緊裝置存在的問(wèn)題，利用Pro/E軟件建立創(chuàng)新產(chǎn)品的三維模型。得到了一種新型螺桿夾緊裝置，解決了行進(jìn)過(guò)程中約束不完整、磨損、夾緊類(lèi)型單一的缺點(diǎn)，并用于膨脹螺栓裝配機(jī)中。TRIZ理論為螺桿夾緊裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)找準(zhǔn)了改良方向，解決了技術(shù)沖突問(wèn)題。同時(shí)TRIZ為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)人員提供了研究方向。

螺桿夾緊；TRIZ理論；沖突矩陣；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

膨脹螺栓裝配機(jī)是一種是通過(guò)機(jī)械、電器、氣動(dòng)相結(jié)合，將螺母、螺桿、平墊、彈墊、脹管組裝為成品的自動(dòng)設(shè)備，大大提高了膨脹螺栓的裝配效率，節(jié)約了成本。其中，螺桿夾緊裝置的可靠性是裝配成功的關(guān)鍵，一旦螺桿傾斜甚至脫落，就會(huì)影響整個(gè)裝配過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)已有的鏈?zhǔn)窖b配機(jī)的螺桿夾緊方式是以半圓弧螺桿卡卡緊螺桿，螺桿卡的上方由擋板壓住，螺桿卡下方設(shè)有長(zhǎng)條孔，與滾子鏈銷(xiāo)軸連接，如圖1所示。

此種夾緊方式的特點(diǎn)在于螺桿卡的內(nèi)弧與螺桿尾部楔形相契合，給螺桿提供一定的壓緊力，使螺桿基本保持直立，但這種夾緊方式有以下缺陷：

（1）螺桿卡內(nèi)弧形結(jié)構(gòu)只在兩側(cè)給予螺桿向下的壓緊力，幾何約束不完整；

（2）螺桿卡上方由一塊擋板壓住，由于鏈條向前傳動(dòng)，會(huì)使螺桿卡上下擺動(dòng)，導(dǎo)致壓緊力不穩(wěn)定，螺桿經(jīng)常脫落，裝配失??；

（3）在運(yùn)行過(guò)程中，螺桿卡上面與擋板內(nèi)側(cè)面直接接觸，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致螺桿卡磨損嚴(yán)重，影響螺桿夾緊；

（4）由于螺桿卡不易調(diào)節(jié)，故只能對(duì)一種型號(hào)的螺桿進(jìn)行夾緊，應(yīng)用范圍單一。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，利用TRIZ理論對(duì)螺桿夾緊裝置進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出具體解決方案。

圖1 傳統(tǒng)螺桿夾緊方式

1 TRIZ理論

TRIZ[1-5]的核心思想是：不同的技術(shù)領(lǐng)域中所遇到的問(wèn)題和矛盾，可以采用相同的發(fā)明原理加以解決，其理論體系如圖2所示。

圖2 TRIZ理論體系結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的許多問(wèn)題都是由參數(shù)變化引起的技術(shù)沖突，常常表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)子系統(tǒng)之間的沖突。為解決此問(wèn)題，提出了39×39的沖突矩陣（也叫做矛盾矩陣）[6]。

利用TRIZ理論解決產(chǎn)品創(chuàng)新的模式及流程為：首先將待解決的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為問(wèn)題的模型；然后根據(jù)不同的問(wèn)題模型，采用相應(yīng)的TRIZ工具，以求得問(wèn)題的解決方案模型；最后將這些解決方案模型運(yùn)用到具體的實(shí)際問(wèn)題當(dāng)中，得到問(wèn)題的最終解決方案[4]，如圖3所示。

圖3 TRIZ解題模式及流程

2 螺桿夾緊裝置的優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 螺桿夾緊裝置沖突分析

根據(jù)傳統(tǒng)夾緊裝置的不足，本文將其抽象為以下矛盾[7]：

（1）矛盾1：行進(jìn)中螺桿的幾何約束不完整，導(dǎo)致夾緊力不穩(wěn)定，易傾斜，使螺桿經(jīng)常脫落。如果增加零部件來(lái)限制其他方向的約束，惡化了技術(shù)參數(shù)。

（2）矛盾2：行進(jìn)中的螺桿卡對(duì)螺桿產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致磨損。如果將螺桿卡去掉，可能會(huì)惡化技術(shù)參數(shù)。

（3）矛盾3：螺桿卡不易調(diào)節(jié)，夾緊裝置只限一種型號(hào)的螺桿夾緊。如果將螺桿卡換成活動(dòng)卡，利用彈簧來(lái)控制大小，惡化技術(shù)參數(shù)。

基于以上三個(gè)矛盾，運(yùn)用沖突矩陣找出解決該矛盾的創(chuàng)新原理，如表1所示。

由矛盾1得到推薦的優(yōu)化參數(shù)為13（結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)的完整性和系統(tǒng)組成部分之間的關(guān)系），惡化參數(shù)為36（裝置的復(fù)雜性：系統(tǒng)中元件數(shù)目及多樣性，掌握系統(tǒng)的難易程度復(fù)雜性的一種度量），在沖突矩陣表中交叉處序號(hào)為2、35、22、26；分別代表No.2抽出、No.35物體的物理或化學(xué)狀態(tài)的變化、No.22變害為益、No.26代用品，這些序號(hào)表示沖突矩陣推薦這4個(gè)創(chuàng)新原理來(lái)解決上列沖突[4]。

表1 螺桿夾緊設(shè)計(jì)的沖突矩陣表

表中：“＋”表示相同參數(shù)產(chǎn)生的矛盾是物理矛盾而不是技術(shù)矛盾；“－”表示兩個(gè)參數(shù)之間尚未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的原理解。

由矛盾2得到推薦的優(yōu)化參數(shù)為16（運(yùn)動(dòng)物體作用的時(shí)間：物體完成規(guī)定動(dòng)作的時(shí)間），惡化參數(shù)為13，沖突矩陣中交叉處推薦的創(chuàng)新原理為No.39不活躍的環(huán)境、No.3部分改變、No.35物體的物理或化學(xué)狀態(tài)變化、No.23反饋。

由矛盾3得到推薦優(yōu)化參數(shù)為35（適應(yīng)性及多樣性：物體或系統(tǒng)應(yīng)用于不同條件下的能力），惡化參數(shù)為36，則沖突矩陣中交叉處推薦的創(chuàng)新原理為No.15動(dòng)態(tài)性、No.29空壓機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)、No.37熱膨脹、No.28機(jī)械系統(tǒng)的替代。

綜上所述，并結(jié)合表2中矛盾矩陣的創(chuàng)新原理，得到解決矛盾的一般方法：

（1）No.2抽出：結(jié)合螺桿夾緊裝置的具體結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)裝置中的螺桿卡和擋板去掉，以解決螺桿卡磨損問(wèn)題；

表2 創(chuàng)新原理

（2）No.15動(dòng)態(tài)性[8]：此原理對(duì)問(wèn)題的解決貢獻(xiàn)最大，擬采用彈簧和雙活動(dòng)卡的連接（圖4）來(lái)實(shí)現(xiàn)螺桿夾緊范圍的調(diào)節(jié)，以及對(duì)螺桿左右方向的幾何約束；利用帶有V形槽的固定卡（圖5）和卡座來(lái)完成螺桿前后和上下方向的幾何約束，從而實(shí)現(xiàn)完整約束。

（3）No.16過(guò)渡的動(dòng)作：想要得到的效果不能百分百的實(shí)現(xiàn)，可在已實(shí)現(xiàn)效果的基礎(chǔ)上加大動(dòng)作幅度，從而簡(jiǎn)化問(wèn)題。欲實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)卡和彈簧的實(shí)時(shí)控制，活動(dòng)卡兩邊可加一滾輪，當(dāng)鏈條動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧的壓縮或放松。

圖4 活動(dòng)卡與彈簧

圖5 固定卡

2.2 螺桿夾緊裝置總體方案確定

1.卡座2.活動(dòng)卡3.銷(xiāo)軸4.固定螺栓5.固定卡6.壓縮彈簧 7.定位銷(xiāo)8.滾輪9.頂桿10.銷(xiāo)軸11.滾輪12.安裝銷(xiāo)軸 13.固定板14.鏈條

該方案保證了螺桿的完整約束；活動(dòng)卡的存在使得可以對(duì)多種型號(hào)的螺桿進(jìn)行夾緊，適用范圍更加廣泛；同時(shí)減少了螺桿的磨損，增加了使用壽命。

3 結(jié)論

利用TRIZ理論中的沖突矩陣解決了螺桿夾緊裝置中遇到的問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺桿的完整約束，在運(yùn)行過(guò)程中更加穩(wěn)定，提高了膨脹螺栓的裝配效率。

[1]朱輝，李培林，王崴，劉曉衛(wèi)，劉海平. 基于TRIZ理論的多軸擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（12）：26-29.

[2]Altshuller G S． Suddenly the inventor appeared[M]. Worcester，USA：technicai Innovation Center，1996.

[3]賀菲菲. 基于TRIZ理論的制動(dòng)器創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2010（5）：49-52.

[4]林岳. 創(chuàng)新方法教程（初級(jí)）[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

[5]趙新軍. 技術(shù)創(chuàng)新理論（TRIZ）及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6]丁俊武，韓玉啟，鄭稱(chēng)德. 創(chuàng)新問(wèn)題解決理論——TRIZ研究綜述[J]. 科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2004（11）：53-60.

[7]鄭芳媛，朱景林，張?zhí)鞎?huì)，果霖. 基于TRIZ理論噴霧器開(kāi)關(guān)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（1）：71-74.

[8]趙林林，李景仲，武濤. 基于TRIZ理論的洗瓶機(jī)出瓶裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2014（11）：54-56.

Innovative Design of Screw Clamping Device Based on TRIZ Theory

YAO Guiying，QI Yunfeng，LI Qiusheng

( College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China )

Aiming at the shortcomings of the traditional screw clamping device, a new screw clamping device was designed with the help of the innovative design method of TRIZ theory. Based on the combination of the conflict matrix of TRIZ theory, innovation principle and practice, the problems of traditional screw clamping device are analyzed, and the 3D model of innovative products is established by using Pro/E software. A new type of screw clamping device is obtained, which solves the disadvantages of incomplete constraint, wear and single clamping type in the traveling process, and is used in the expansion bolt assembly machine. The TRIZ theory finds the direction of improvement for the innovative design of screw clamping device and solves the technical conflict problem. At the same time, TRIZ provides the research direction for the innovative designers of machinery.

screw tightening；TRIZ theory；conflicts matrix；innovative design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.013

1006－0316 (2018) 12－0045－04

2018－01－24

姚貴英（1960－），女，河北武邑人，本科，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榈V山機(jī)械研究、TRIZ理論研究等。

祁云峰（1990－），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、TRIZ理論研究。