TRIZ 理論在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸承外環(huán)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

聶建豪

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

在現(xiàn)代航空動(dòng)力裝置中，主軸軸承是其關(guān)鍵件之一，其中位于渦輪處的軸承在高溫、高速及高負(fù)荷的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其質(zhì)量和性能直接影響到了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、翻修壽命和可靠性。

在一個(gè)典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，核心機(jī)為單級轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用了1-0-1 支點(diǎn)布局方式，在燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子后側(cè)布置了一個(gè)滾棒軸承。為了滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性要求，如圖1 所示，軸承外環(huán)裝配在軸承座上，兩者之間布置了非定心油膜結(jié)構(gòu)，而后采用外環(huán)限位環(huán)對軸承外環(huán)進(jìn)行軸向限位，同時(shí)控制滑油向右側(cè)的泄露。現(xiàn)在需要設(shè)計(jì)一個(gè)壓緊裝置，保持外環(huán)限位環(huán)壓緊軸承外環(huán)的狀態(tài)，使軸承座與軸承外環(huán)在A 面保持壓緊狀態(tài)，控制滑油從A面處泄露。

本文基于TRIZ 理論，針對該技術(shù)問題，提出了解決方案。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)裝配示意圖

1. TRZI 理論

目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師普遍采用了試錯(cuò)法解決技術(shù)難題，因?yàn)橹R儲(chǔ)備和心理慣性的局限，這種方法的解題過程如圖2 所示，從中可以看出這種方法耗時(shí)長，而且難以得到最佳解決方法。

在已知的所有解決問題的方法論中，TRIZ 理論雖然無法解決所有的技術(shù)難題，但是它可以解決多數(shù)最困難的技術(shù)問題。

TRIZ 理論解決問題的一般流程是：在TRIZ 理論中的39 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中選擇適合具體問題的欲改善和欲惡化的技術(shù)參數(shù)，然后根據(jù)所選的這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)從矛盾矩陣中找出推薦的發(fā)明原理，最后在所推薦的發(fā)明原理的啟發(fā)下，提出適合具體問題的有效解決方案[1]。

圖2 試錯(cuò)法解題過程

2.問題分析

在TRIZ 理論中，物質(zhì)—場分析法是其重要的分析手段，其基本方法是將具體問題涉及的功能抽象出來，然后將所有的功能分解到基本單元，每個(gè)基本單元包括兩個(gè)物質(zhì)和一種場[2]。其具體分析問題的過程如下：

指定物質(zhì)：S1-軸承座；S2-軸承外環(huán)；S3-外環(huán)限位環(huán)。

確定場：F1-機(jī)械力場；F2-機(jī)械力場；圖3 為物質(zhì)—場分析圖。

圖3 物質(zhì)—場分析圖

圖4 物質(zhì)—場模型

將圖3 所示的系統(tǒng)進(jìn)行分解后，可運(yùn)用符號進(jìn)行表示，如圖4 所示。由物質(zhì)—場分析模型可得：（1）外環(huán)限位環(huán)S3 通過機(jī)械力場F2 壓緊軸承外環(huán)S2；（2）軸承外環(huán)S2 通過機(jī)械力場F1 壓緊軸承座S1。要求在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，軸承座S1 和軸承外環(huán)S2 在A 面處始終保持壓緊狀態(tài)，控制滑油的泄露，同時(shí)也要控制滑油向右側(cè)的泄露。

3.問題求解

3.1 確定技術(shù)參數(shù)

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要控制滑油的泄露量，以維持油膜正常工作，因此欲改善的通用技術(shù)參數(shù)選擇No.23（物質(zhì)損失）。

從發(fā)動(dòng)機(jī)零件的發(fā)展歷程可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，所以選擇No.36（系統(tǒng)的復(fù)雜性）作為欲惡化的通用技術(shù)參數(shù)。

3.2 求通用解—發(fā)明原理[3]

在確定通用技術(shù)參數(shù)后，從矛盾矩陣表中可得到推薦的發(fā)明原理。

表1 TRIZ矛盾矩陣表

從表1 可以看出，推薦的發(fā)明原理分別是：

3—局部質(zhì)量原理；

13—反向作用原理；

27—廉價(jià)替代品原理；

10—預(yù)先作用原理。

3.3 發(fā)明原理分析

3—局部質(zhì)量原理：

（1）在一個(gè)物體結(jié)構(gòu)中，將其內(nèi)部的某種參數(shù)從均勻狀態(tài)變?yōu)榉蔷鶆?，或把其外部影響因素從均勻狀態(tài)變?yōu)榉蔷鶆颍?/p>

（2）調(diào)整一個(gè)物體的各處結(jié)構(gòu)，使其各處結(jié)構(gòu)發(fā)揮其最合適的作用；

（3）對一個(gè)物體的不同部分進(jìn)行重組，使其各部分發(fā)揮不同的有效功能。

13—反向作用原理：

（1）將原來的動(dòng)作反向（例如用“冷卻”替代“加熱”）；

（2）針對需求所規(guī)定的動(dòng)作，采用其相反的動(dòng)作（比如，機(jī)加過程中刀具不動(dòng)而零件轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)在改為刀具轉(zhuǎn)動(dòng)而零件不動(dòng)）；

（3）將固定的外界環(huán)境改為全部或部分可移動(dòng)，或者將移動(dòng)的外界環(huán)境固定；

（4）把物體或過程顛倒過來。

27—廉價(jià)替代品原理：

用多個(gè)廉價(jià)的物體替代一個(gè)昂貴的物體（比如用一次性產(chǎn)品替代耐用品，避免清洗和儲(chǔ)藏的費(fèi)用）。

10—預(yù)先作用原理：

（1）在需求之前，預(yù)先對一個(gè)物體進(jìn)行全部或局部改變（例如自粘郵票）；

（2）對物體進(jìn)行預(yù)先安置，使其可以在最方便的地方起作用，而且節(jié)省運(yùn)送時(shí)間。

4.解決方案

結(jié)合推薦的發(fā)明原理，進(jìn)行了以下的分析：

思路1：發(fā)明原理3（局部質(zhì)量原理）可以啟發(fā)我們設(shè)計(jì)若干個(gè)彈性件壓住外環(huán)限位環(huán)，而再通過螺栓結(jié)構(gòu)將彈性件固定在軸承座上。

思路2：發(fā)明原理13（反向作用原理）可以啟發(fā)我們在軸承座A 面處布置動(dòng)態(tài)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。

思路3：發(fā)明原理27（廉價(jià)替代品原理）可以啟發(fā)我們采用橡膠圈等結(jié)構(gòu)壓住外環(huán)限位環(huán)。

思路4：發(fā)明原理10（預(yù)先作用原理）可以啟發(fā)我們采用異形圈對外環(huán)限位環(huán)進(jìn)行壓緊和封嚴(yán)。

綜上所述，同時(shí)考慮方案的可行性和可靠性，現(xiàn)不考慮思路2 和3，而基于思路1 和4 提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案。

4.1 結(jié)構(gòu)方案一

根據(jù)思路1，提出了如圖5 所示的結(jié)構(gòu)，在外環(huán)限位環(huán)后面增加幾片彈性壓片，同時(shí)采用螺栓結(jié)構(gòu)將彈性壓片固定在軸承座上，工作條件下，壓片保持壓緊狀態(tài)，確保A 面貼緊。

圖5 結(jié)構(gòu)方案1

4.2 結(jié)構(gòu)方案二

根據(jù)思路4，提出了如圖6 所示的結(jié)構(gòu)，用異形環(huán)替代外環(huán)限位環(huán)，采用螺旋擋圈將其與軸承外環(huán)軸向相互壓緊。

圖6 結(jié)構(gòu)方案2

5.結(jié)論

針對軸承外環(huán)封嚴(yán)問題，本文采用了TRIZ 理論進(jìn)行了相關(guān)的分析，其中：

（1）本文采用了物質(zhì)—場分析法將具體問題進(jìn)行了定義，并將問題模型化。

（2）本文采用了TRIZ 矛盾矩陣得出了推薦的發(fā)明原理，提出了4 種備選思路，通過綜合分析，提出了兩種結(jié)構(gòu)方案。