深海鉆機保真艙保壓控制裝置創(chuàng)新設計

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610000）

0 引言

使用海底鉆機對海底沉積物進行保真采樣對于認識地球變遷、預測未來氣候長期變化、尋找海底新能源、研究海洋極端微生物的多樣性以及開發(fā)應用生物基因資源等方面有著重要的意義[1,2]。隨著對海洋科學的研究，深海原位保真取樣技術也得到了快速發(fā)展[3]，海底鉆機經歷了一個由淺水到深海、由簡易到復雜的發(fā)展過程[4]，更深的海域會與地面環(huán)境產生更高的壓強差，若鉆取的樣品無法保持海底原位壓強，樣品的物理、化學屬性將會發(fā)生改變，從而失去研究價值[5]。

保真艙保壓控制裝置是海底鉆機保真環(huán)節(jié)中保壓的關鍵裝置，使保真艙中的樣品始終處于海底原位壓強環(huán)境[6,7]。目前深海鉆機主要應用球閥和翻板閥兩種密封保壓形式。球閥密封性能好，但結構復雜，空間占比大；翻板閥結構簡單，但密封可靠性較低，難以進行對接操作，兩種保壓控制裝置均存在相應的優(yōu)點和缺陷。隨著海洋科學的發(fā)展，對保真艙保壓模塊提出了更高的要求，提高保壓控制裝置的實用性和可靠性具有重要意義。

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）是由蘇聯發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒創(chuàng)立的一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論和方法。其中，TRIZ理想解認為：技術系統(tǒng)的理想化狀態(tài)是不存在物理實體，不消耗資源和能量，卻能夠實現所有必要的功能[8]。并設定了一系列理想模型，包括理想系統(tǒng)、理想過程、理想方法和理想物質等；沖突解決理論是TRIZ中重要的問題解決理論，用于解決設計中的沖突問題。TRIZ理論認為，產品創(chuàng)新的標志是解決或移走設計中的沖突，而產生新的有競爭力的解，產品進化過程就是不斷解決產品所存在的沖突的過程，一個沖突解決后，產品進化過程處于停頓狀態(tài)。沖突普遍存在于各種產品的設計中，TRIZ理論將沖突類型分為技術沖突和物理沖突，TRIZ理論借助39個通用技術參數將具體問題轉化為標準的TRIZ問題，利用發(fā)明原理來解決技術沖突問題。物理沖突則根據沖突存在的性質采用四大分離原理解決；物場模型分析方法是TRIZ理論中的一種重要的問題描述和分析工具，將系統(tǒng)功能分解為兩種物質（S1，S2）以及一種場（F），用一個三角形將系統(tǒng)模型化，然后根據物場模型的作用類型應用76個標準解來解決問題[9]。

本文基于理想解對具有代表性的PTCS的球閥裝置[10,11]和HRC的翻板閥裝置[12]進行對比分析，根據提高理想度的原則，綜合運用創(chuàng)新設計方法對兩種裝置進行功能結構的整合與改進。在優(yōu)化兩種裝置的基礎上，設計出一種理想度更高更實用可靠的保真艙保壓控制裝置。

1 基于TRIZ的保真艙保壓控制裝置設計求解策略

1.1 TRIZ理想解與保壓控制裝置整體設計方案分析

TRIZ理想解認為：理想化是系統(tǒng)的進化方向，系統(tǒng)的進化朝著更理想的方向發(fā)展。系統(tǒng)的理想程度用理想度進行衡量；提高理想度法則是指系統(tǒng)朝著最大化有用功能、最小化有害功能的方向改進；TRIZ中，用正反兩面的功能比較來衡量系統(tǒng)的理想化水平[13]。

理想度的表達式如下：

式中：I表示理想化水平；∑UF表示有用功能之和；∑HF表示有害功能之和。

TRIZ認為產品創(chuàng)新的過程是通過增大有用功能∑Uf和減小有害功能∑HF，最終使系統(tǒng)理想度I趨于無窮大。

保真艙保壓控制裝置的理想化水平與裝置有用功能成正比，與有害功能成反比，保壓控制裝置創(chuàng)新設計以提高理想化為目標，根據式(1)，裝置的進化路線存在以下兩種狀態(tài)：

1）增大有用功能。保壓控制裝置通過密封實現最主要的保壓功能，一方面，由于保壓在深海環(huán)境下進行，對樣品的實驗分析需轉移至試驗艙，為保證樣品始終處于原位壓強，需不增加系統(tǒng)復雜性的前提下完善操作的自動觸發(fā)機構；另一方面，由于高昂的下鉆成本，設計時應注重提高密封成功率。

2）減小有害功能。深海高壓強環(huán)境以及鉆機工作引起的擾動[14]，裝置在復雜環(huán)境下工作，根據目前裝置在工程中的實際應用情況，裝置的結構復雜性降低了保壓成功率，且復雜的結構增大整體裝置的空間占比，限制取芯直徑。

如圖1所示，保真艙保壓控制裝置進化路線從初始狀態(tài)的結構復雜功能不完善，進化到可自動觸發(fā)且結構簡化，進一步完善密封性能和減小空間占比，再進化到操作性強；不斷的增大有用功能，減小有害功能，提高理想度，通過對功能結構的不斷優(yōu)化，直至實現最終理想狀態(tài)。

1.2 保真艙保壓控制裝置的創(chuàng)新設計流程

圖1 保壓控制裝置進化路線

本文采用TRIZ理想解和問題解決理論集成的方法進行保真艙保壓控制裝置的創(chuàng)新設計。利用TRIZ理想解分析保壓控制裝置設計中的有害功能和有用功能，提出提高系統(tǒng)理想度的裝置整體功能優(yōu)化方向；根據提高理想度的原則在各功能需求方面分析當前兩產品的各子系統(tǒng)，并對子系統(tǒng)進行結構功能整合優(yōu)化，整合優(yōu)化引發(fā)結構、功能、空間布局等方面的沖突，針對問題利用TRIZ問題解決理論進行求解，應用TRIZ中的沖突解決理論對相應的沖突進行定義分類并解決；運用TRIZ物場模型分析方法，對技術特征功能設計方案中存在的問題進行方案求解。所得最終方案是解決存在的工程問題，達到設計需求，并提高了理想度的理想產品。深海鉆機保真艙保壓控制裝置創(chuàng)新設計流程如圖2所示。

圖2 基于TRIZ的保壓控制裝置創(chuàng)新設計流程

2 基于TRIZ理想解的保真艙保壓控制裝置對比分析

2.1 功能需求確定

為設計出結構合理功能完善并符合進化路線的保真艙保壓控制裝置，對當前應用和研發(fā)的此類裝置進行研究分析，以全面獲取存在的工程問題，從而得到裝置設計的功能需求，在研究分析時發(fā)現，工程問題主要集中在功能、結構和裝置適應性三個方面。通過進一步劃分，獲取功能需求：

表1 球閥和翻板閥保壓控制裝置對比分析

1）在功能方面：密封性好、密封成功率高和自動觸發(fā)；

2）結構方面：結構簡單、空間占比??；

3）裝置適應性方面：適應深海環(huán)境、對接操作便捷、便于拆卸維護和適應艙體空間。

2.2 球閥·翻板閥對比分析

PTCS深海鉆機從2000年至今，服役于日本深海鉆探項目工程，從2000年第一代PTCS應用于MIT1鉆取項目到2015年在日本東海熊野灘進行海底鉆取，PTCS球閥保壓裝置經過了多次改進，保壓成功率達到了80%左右；HRC深海保壓采樣器由德國HYACINTH計劃設計，保壓模塊采用翻板保壓控制，在“大洋鉆探計劃（ODP）”獲得成功應用。

對兩個同類產品功能需求各方面進行分析，如表1所示。

圖3 球閥保壓控制裝置結構[10]

圖4 翻板閥保壓控制裝置結構

2.3 基于理想解的結構功能分析

通過對比分析兩產品在功能需求各個方面的應用及存在的問題，按照提高理想度的原則，根據TRIZ技術系統(tǒng)進化理論，找出各功能需求中相應的更符合技術系統(tǒng)進化方向的子系統(tǒng)。

1）增大有用功能

在自動觸發(fā)機構方面，翻板閥自動觸發(fā)機構簡單可靠，且觸發(fā)依靠超系統(tǒng)已存在的資源，不需外部引入動力；在對接操作方面，球閥可以通過自動觸發(fā)機構旋轉開啟閥體，在保壓狀態(tài)下轉移樣品；翻板閥無對接機構，操作繁瑣。按照技術系統(tǒng)進化理論中的向超系統(tǒng)進化法則，翻板閥的密封自動觸發(fā)裝置遵循使技術系統(tǒng)和超系統(tǒng)的資源結合的進化路線。而球閥的密封觸發(fā)裝置需利用外部纜線的拉力。翻板閥的自動觸發(fā)更符合技術系統(tǒng)進化方向，但需增設翻板閥的自動對接裝置，彌補功能缺失。

在提高密封成功率方面，面對更高的壓強環(huán)境，密封更高的壓力時，相應的密封件材料需要有更高的硬度，而密封材料愈硬，所需密封比壓越高。使用翻板閥密封時，為防止對后續(xù)對接操作的影響，對翻板施加的壓力有限，限制了密封比壓。另一方面，翻板閥無法避免密封面間巖土雜質對密封的影響，降低了翻板閥的密封成功率。在結構上，球閥彈簧彈力需經過三個部件傳遞給球閥體，翻板閥彈簧彈力只經過觸發(fā)內筒便作用于翻板，按照技術系統(tǒng)進化理論中的能量傳遞法則，技術系統(tǒng)需向縮短能量傳遞路徑的方向進化，因此可以在消除彈力限制的情況下改進翻板閥的比壓施加裝置。

2）減小有害因素影響

在降低結構復雜性方面，翻板閥在這兩個功能需求上要優(yōu)于球閥，按照技術系統(tǒng)進化理論中的提高理想度法則，理想的技術系統(tǒng)應該是由更少的結構部件組成，且應降低有害參數（空間占比大），則翻板閥在降低結構復雜性上更符合技術系統(tǒng)進化路線。

綜上所述，本設計需采用翻板閥更加簡化的結構設計，綜合翻板閥的密封自動觸發(fā)和球閥的自動對接機構，改進翻板閥的比壓施加裝置。從而使最終設計方案擁有簡單的結構和更加完善的功能，并去除有害因素的影響，提高系統(tǒng)理想度，形成符合進化方向的理想產品。

3 保真艙保壓控制裝置創(chuàng)新設計

按照提高理想度的原則，綜合分析子系統(tǒng)結構功能整合產生的問題沖突，自動觸發(fā)機構和輔助提高密封成功率機構會增加系統(tǒng)結構的復雜性，增大了有害因素影響，在設計時會產生沖突；另外，雖然翻板閥密封觸發(fā)彈簧可以施加密封比壓提高密封成功率，但在對接階段，影響閥體的開啟，自動觸發(fā)和密封成功率存在的沖突也是在結構設計時需解決的問題。

由于球閥無法克服空間占比大的結構屬性，本設計采用翻板作為下一代進化產品的密封閥體，采用翻板需解決降低結構復雜性和提高密封成功率之間的沖突，其中一個重要的原因是密封面間巖土雜質的影響。

3.1 翻板密封性能優(yōu)化設計

巖土雜質是對密封性能的一個有害因素，可建立物場模型進行分析，通過改變或重建物場模型，避免有害因素的影響。

在翻板密封中，利用物場模型的概念語言描述：壓力通過翻板閥密封水；則場應是翻板上端所受到的壓力（F），翻板為物質（S2），作用于水（S1）。但其中存在著雜質帶來的有害作用，使用波浪線表示。建立翻板密封物場模型，如圖5所示。

圖5 翻板密封物場模型

需要解決的是避免有害因素造成的影響，建立物場模型后，根據問題類型，從76個標準解中選擇一個恰當的解來消除有害作用。根據設計結構要求可知，在不加入新的 物質的情況下消除有害作用，針對這類問題可采用76個標準解中第一類（如表2所示）：建立或破壞物場模型，分析第一類解可知在不改變整體結構，并不影響整體性能的情況下可以通過S1.2.2引入改進的S1或（和）S2來消除有害作用。

表2 標準解分布

S1.2.2表述如下：

如果物場模型中的兩個物質間同時存在著有用和有害作用，而且物質間的直接接觸不是必需的，可是問題的描述中又包含了對外部物質引入的限制，則可以通過引入S1或S2的變形體（S1’或S2’）來解決問題。

本設計中對需要密封的物質水（S1）無法做出改變，可以通過改變翻板（S2）來消除有害因素（巖土雜質）。

現有翻板閥設計翻板與閥座接觸面都為一次圓錐面，密封為面接觸，很容易將雜質擠壓在密封面之間，可以通過改變接觸形式，將雜質排出。

改變后的物場模型如圖6所示，將翻板（S2）改為（S2’），從而產生新的力場效應（F’），實現將雜質（S3）消除。

圖6 改變后的物場模型

如圖7所示，將翻板的接觸面改為三次曲面，密封配合時，與閥座一次圓錐面接觸，初始的密封面是翻板曲面的切面，當翻板受壓增大，接觸面積增加，在此過程中，由于接觸由中間向兩邊進行，產生的擠壓力會將密封面之間的雜質排出，大的固態(tài)顆粒會在關閉時被扒開，長條形雜質被切斷扒開，密封面形成純凈密封，密封可靠性增加。

此設計使初始密封面減小，在施壓不變的情況下，可提供更高的密封比壓。

圖7 翻板與翻板閥座密封曲面

3.2 自動觸發(fā)機構的結構優(yōu)化改進設計

密封自動觸發(fā)機構采用翻板觸發(fā)機構首先需要解決的問題是，翻板觸發(fā)機構會給翻板上端施加壓力，施壓對密封是有用的，但在對接操作時會造成阻擋（如圖8所示），便產生了沖突。

圖8 翻板上翻開啟示意圖

根據TRIZ沖突解決理論，當沖突中欲改變的參數與被惡化的正反兩個工程參數是同一個參數時，稱為物理沖突。

對翻板施壓和對接開啟翻板閥，分別是在保真艙的內部和外部完成，根據沖突內容分析，當子系統(tǒng)沖突雙方在某一空間只出現一方時，可使用空間分離原理解決沖突，即將沖突雙方在不同的空間分離，以降低解決問題的難度。解決方案對應發(fā)明原理中的第1、2、3、4、7、13、17、24、26、30條。

結合本設計，可采用對應的發(fā)明原理13反向作用的第二條：讓物體或環(huán)境可動部分不動，不動部分可動；得到一種設計概念：對接時翻板不動，使閥座下移，并在翻板上設置牽拉機構，閥座下移時，翻板一端隨閥座下移，另一端被上端牽引，則翻板可通過下移反轉開啟，如圖9所示。

圖9 閥座下移帶動翻板開啟原理示意圖

如圖10所示，結合球閥自動對接裝置結構，閥座下移的動力采用彈簧彈力，將彈簧設置在閥座與外壁之間，采用球閥的鎖定機構彈性鋸齒鎖定環(huán)鎖定閥座，裝配時將閥座推入鉆機艙體內，當鎖定機構到達外壁孔2-1時，彈性鋸齒鎖定環(huán)10的鋸齒在自身彈性的作用下通過孔2-1向外展開，使閥座8不可下移，此時由于上端外壁孔變小，閥座無法上移，則鎖定閥座密封位置。

圖10 翻板閥裝配開啟狀態(tài)及閥座密封位置鎖定示意圖

翻板下翻需要的上部牽制的設計，可根據技術進化理論中的向超系統(tǒng)進化法則，利用超系統(tǒng)中已有的彈片，對其進行結構上的改進，使其作為翻板開啟時的牽制；使彈片一端固定在外筒內壁上，另一端可在翻板上部的槽內滑動（如圖11所示），則彈片在伸直和彎曲狀態(tài)時始終連接外壁和翻板。

圖11 彈片與翻板裝配圖

觸發(fā)密封時，彈片彎曲，推動翻板下翻，與閥座實現密封配合（如圖12(a)所示）；對接操作時，將鋸齒復位則解除鎖定，在彈簧彈力推動下，閥座帶動連接翻板的一端下移，另一端由彈片牽制，使翻板產生下移反轉的動作（如圖12(b)所示），當翻板翻轉至垂直位置（如圖12(c)所示）則實現密封對接開啟。

圖12 對接出發(fā)裝置工作過程原理圖

翻板上部的觸發(fā)機構內筒依然會對改進后的對接開啟操作造成結構上的阻礙，可采用空間分離原理對應的發(fā)明原理4：增加不對稱性中的“引入一個幾何特性來防止元件不正確的使用”。得出設計概念：縮短觸發(fā)機構內筒下端的阻擋長度，并利用其外壁已存在的凸起和外筒內壁相應的凸起機構，當翻板閥下移時，觸發(fā)機構內筒下移過程中其外壁凸起會擱置在外筒內壁凸起上部，不再產生向下的移動（如圖13所示），從而防止了觸發(fā)機構內筒帶來的結構問題。

圖13 對接操作時觸發(fā)內筒位置圖

3.3 最終設計方案

圖14 最終設計方案結構圖

如圖14所示，巖心筒上升帶動5觸發(fā)塊的凸起5-2上升，觸發(fā)塊會帶動3觸發(fā)內筒擠壓4觸發(fā)彈簧并上升，當觸發(fā)內筒下端的3-2阻擋越過7翻板，翻板會在6彈片的彈力作用下下翻，并與8翻板閥座實現密封配合；對接開啟時，解鎖10鋸齒鎖定環(huán)，閥座在9彈簧的彈力下帶動翻板一端下移，同時6彈片的末端在翻板槽內滑動并牽制翻板，翻板的下移翻轉實現翻板閥的開啟。

4 結束語

本文通過利用TRIZ問題解決理論優(yōu)化設計了一種在功能和結構方面更加實用可靠的深海鉆機保真艙保壓控制裝置，最終的設計方案在功能需求方面，可完成密封和對接的自動觸發(fā)操作，防止了觸發(fā)內筒造成的結構阻擋，且避免了有害因素（巖土雜質）對密封性能的影響，提高了保壓成功率，整體性能可靠；在結構上更加簡化，可更好的適應深海環(huán)境和保真艙狹小空間，采用空間占比小的翻板作為密封閥體，取消了對鉆取直徑的限制。提升了原系統(tǒng)功能的數量和性能并優(yōu)化了結構設計，最終設計方案增大了有用功能并減小了有害因素的影響，提高了產品理想度。