基于TRIZ理論的防松防脫雙頭螺柱改進(jìn)設(shè)計(jì)*

張 欽，賈云龍，趙祥云，余 濤

(眉山中車緊固件科技有限公司，四川 眉山 620010)

0 引 言

120閥制動(dòng)系統(tǒng)作為鐵路車輛安全運(yùn)行關(guān)鍵系統(tǒng)之一，目前在120閥上的緊固連接主要采用雙頭螺柱的連接方式，由于閥體需要經(jīng)常拆卸進(jìn)行維護(hù)，在拆卸蓋型螺母過程中，會(huì)出現(xiàn)將擰緊在閥體中的螺柱發(fā)生松動(dòng)，最終雙頭螺柱在長(zhǎng)期振動(dòng)工況下容易脫落，導(dǎo)致閥體蓋松動(dòng)，對(duì)鐵路車輛運(yùn)行安全帶來隱患。筆者根據(jù)TRIZ發(fā)明理論，對(duì)120閥用雙頭螺柱進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)一種120閥專用的防松防脫雙頭螺柱。

1 基于TRIZ理論的防松雙頭螺柱改進(jìn)分析

TRIZ來源于俄文單詞“發(fā)明問題解決理論”的縮寫，其英文全稱為Theory of Inventive Problems Solving，是蘇聯(lián)學(xué)者阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過對(duì)250萬份專利進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而總結(jié)的一套解決技術(shù)難題的客觀規(guī)律。TRIZ理論在其發(fā)展的過程中已演變成一套成熟的九大經(jīng)典理論體系，包括：TRIZ技術(shù)系統(tǒng)八大進(jìn)化法則、最終理想解(IFR)、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)及阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和四大分析原理、物-場(chǎng)模型分析、發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)算法(ARIZ)、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識(shí)庫。運(yùn)用這一理論，可加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，提高解決技術(shù)問題的效率。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于TRIZ理論的研究與實(shí)踐已取得很大的發(fā)展，并且為相關(guān)企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 常規(guī)鐵路車輛制動(dòng)系統(tǒng)連接件

目前，鐵路車輛120制動(dòng)閥的緊固連接使用的是普通雙頭螺柱，在裝配的時(shí)候添加有螺紋緊固膠，并保證雙頭螺柱的緊固扭矩不小于一固定值，然后再連接其他的連接件。

1.2 矛盾分析及創(chuàng)新原理

1.2.1 TRIZ問題描述

建立問題模型，將要解決的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，針對(duì)120閥的實(shí)際外形尺寸和對(duì)連接件的防松性能要求的實(shí)際情況，要提高雙頭螺柱的防松性能指標(biāo)，主要面臨以下問題：①120制動(dòng)閥上原有螺孔為M10，在原有閥體基礎(chǔ)上改造就不能降低螺紋規(guī)格；②120制動(dòng)閥的實(shí)際外形尺寸不規(guī)則，在不和旁邊零件干涉的情況下可用于改造發(fā)揮的空間太小；③普通雙頭螺柱的抗震防松性能不夠的情況；④閥體材質(zhì)種類多，力學(xué)特性差異大。

1.2.2 定義技術(shù)矛盾

根據(jù)TRIZ理論的39項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，定義技術(shù)矛盾如下：機(jī)車振動(dòng)頻繁，需要雙頭螺柱連接件的穩(wěn)定可靠性與機(jī)車振動(dòng)而螺紋松動(dòng)之間的矛盾；需要的雙頭螺柱連接件的耐久性與螺紋本身易轉(zhuǎn)動(dòng)之間的矛盾。

1.2.3 解決矛盾的方案

根據(jù)分析得到的技術(shù)矛盾，通過查詢TRIZ技術(shù)矛盾矩陣，可得到解決矛盾的創(chuàng)新原理，如表1所列。

表1 拉鉚雙頭螺柱改進(jìn)矛盾矩陣表

對(duì)得到的創(chuàng)新原理進(jìn)行篩選，最后優(yōu)選出10號(hào)原理、22號(hào)原理、24號(hào)原理，如表2所列。

表2 拉鉚雙頭螺柱改進(jìn)原理解

通過對(duì)本次研究的實(shí)際情況進(jìn)行分析，以上發(fā)明原理在此次研究的應(yīng)用如下：①預(yù)先作用原理：按此原理，在閥體原有螺孔處增開一個(gè)較大反旋螺紋，且新增一個(gè)帶反旋螺紋的套環(huán)，這樣通過反旋螺紋可預(yù)先增加一個(gè)緊固力；②把有害因素變?yōu)橛欣蛩卦恚喊创嗽恚陂y體原有螺孔處增開一個(gè)較大反旋螺紋，并通過新增一個(gè)套環(huán)將此反旋螺紋與雙頭螺柱之間建立聯(lián)系，當(dāng)雙頭螺柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)反旋螺紋會(huì)擰緊從而阻止雙頭螺柱轉(zhuǎn)動(dòng)；③中介物原理：按此原理，在雙頭螺柱和閥體之間加一套環(huán)，并運(yùn)用鉚接原理將此套環(huán)與雙頭螺柱緊固成一個(gè)整體，通過閥體新擴(kuò)開的反旋螺紋和套環(huán)外部的反旋螺紋將套環(huán)和閥體緊固成一個(gè)整體，這樣通過套環(huán)就能將雙頭螺柱和閥體三者緊固成一個(gè)整體。

2 鐵路車輛制動(dòng)系統(tǒng)防松雙頭螺柱改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過TRIZ理論的分析，綜合得到的創(chuàng)新原理，并應(yīng)用抗震防松性能最好的虎克原理，最終得到的拉鉚防脫防松雙頭螺柱組件如下所示，該組件由由螺栓和套環(huán)組成，螺栓與套環(huán)采用間隙配合。螺栓由圓柱段、環(huán)槽段和兩個(gè)正旋螺紋段組成。套環(huán)由一反旋螺紋段和圓柱段組成。普通雙頭螺柱的中間光滑段新增一環(huán)槽段，在鉚接時(shí)擠壓套環(huán)向螺柱的環(huán)槽段變形并鎖緊成一體，使套環(huán)卡死在螺柱的環(huán)槽上；螺栓和套環(huán)組裝后型式如圖1所示。

圖1 組裝后的拉鉚螺栓

根據(jù)M10拉鉚螺栓結(jié)構(gòu)尺寸以及拉鉚緊固的要求，確定了閥體安裝孔型式和尺寸，安裝孔型式如圖2所示。

圖2 主閥體和緊急閥安裝孔型式圖

3 研制情況

3.1 研發(fā)和試制情況

根據(jù)TRIZ理論得出的最終改進(jìn)方案，我們運(yùn)用金屬成型模擬DEFORM三維軟件進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，有限元分析結(jié)果如圖3所示。模擬結(jié)果表明本方案鉚接力較小，套環(huán)成型在預(yù)想范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 有限元分析情況

3.2 鉚接情況

為進(jìn)一步驗(yàn)證此實(shí)驗(yàn)的可能性，在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了產(chǎn)品試制，拉鉚螺栓鉚接試驗(yàn)、閥體實(shí)物鉚接和鉚接后剖開如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品鉚接情況

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

3.3.1 扭矩試驗(yàn)

根據(jù)120閥體雙頭螺柱連接工藝要求，扭矩必須保證不小于設(shè)計(jì)值，拉鉚螺栓鉚接后，蓋上閥體蓋板，進(jìn)行扭矩試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：在遠(yuǎn)超過安裝扭矩的情況下，螺栓、套環(huán)和閥體之間未發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺栓螺紋完好。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，當(dāng)采用新方案的雙頭螺柱時(shí)，擰出扭矩能遠(yuǎn)超實(shí)際安裝要求,滿足設(shè)計(jì)需要。

表3 扭矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 振動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)于雙頭螺柱而言，振動(dòng)失效是最主要的失效形式，所以在此設(shè)計(jì)了振動(dòng)試驗(yàn)：將拉鉚螺栓鉚接后，裝在橫向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，加上蓋板，旋入螺母，按照緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法(GB/T 10431-2008)，在頻率10 Hz、振幅1 mm的條件下進(jìn)行防松試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后檢測(cè)拉鉚螺栓、套環(huán)和基座(相當(dāng)于閥體)的連接情況，其連接完好，無松動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4所列。

圖5 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

如何有效地應(yīng)對(duì)螺栓松動(dòng)所帶來的危害不僅是鐵路車輛行業(yè)所面臨的難題，也是整個(gè)機(jī)械行業(yè)需要共同面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。制動(dòng)系統(tǒng)作為百萬輛鐵路車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，它對(duì)鐵路車輛的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。此次通過運(yùn)用TRIZ理論對(duì)閥體雙頭螺柱連接件的重新設(shè)計(jì)，不但有助于改善原有雙頭螺柱易松動(dòng)、脫落的問題，也為機(jī)車技術(shù)人員運(yùn)用TRIZ理論解決實(shí)際問題指出了新的方向。