基于TRIZ理論的120閥用雙頭螺柱改進方案

張欽,賈云龍,趙祥云,左世斌

(眉山中車緊固件科技有限公司 ，四川 眉山 620010)*

120閥制動系統(tǒng)作為鐵路機車安全運行的關(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)常拆卸進行維護，在拆卸蓋型螺母過程中，會導(dǎo)致螺柱有松動的風(fēng)險，最終雙頭螺柱在長期振動工況下容易脫落，導(dǎo)致閥體蓋松動，對鐵路車輛運行安全帶來隱患.

TRIZ來源于俄文單詞“發(fā)明問題解決理論”的縮寫[1]，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)的團隊通過對250萬份專利進行分析和研究，進而總結(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)八大進化法則、最終理想解(IFR)、40個發(fā)明原理、39個工程參數(shù)及阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和四大分析原理、物-場模型分析、發(fā)明問題的標準解法、發(fā)明問題標準算法(ARIZ)、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識庫.運用這一理論，可加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，提高解決技術(shù)問題的效率[2-3].目前，國內(nèi)對于TRIZ理論的研究與實踐已取得很大的發(fā)展[4-5]，并且為相關(guān)企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益[6].

本文根據(jù)TRIZ發(fā)明理論，對120閥用雙頭螺柱進行分析，并設(shè)計了一種120閥專用的防松防脫雙頭螺柱.

1 防松雙頭螺柱改進分析

1.1 常規(guī)鐵路機車制動系統(tǒng)連接件

目前，鐵路機車120制動閥的緊固連接使用的是普通雙頭螺柱，在裝配的時候添加有螺紋緊固膠，并保證雙頭螺柱的緊固扭矩不小于18N·m，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標準問題，針對120閥的實際外形尺寸和對連接件的防松性能要求的實際情況，要提高雙頭螺柱的防松性能指標，主要面臨以下問題：①120制動閥上原有螺孔為M10，在原有閥體基礎(chǔ)上改造就不能降低螺紋規(guī)格；②120制動閥的實際外形尺寸不規(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??；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項工程參數(shù)，定義技術(shù)矛盾如下：機車振動頻繁，需要雙頭螺柱連接件的穩(wěn)定可靠性與機車振動而螺紋松動之間的矛盾；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所示.

表1 拉鉚雙頭螺柱改進矛盾矩陣表

對得到的創(chuàng)新原理進行篩選，最后優(yōu)選出10號原理、22號原理、24號原理，如表2所示.

表2 拉鉚雙頭螺柱改進原理解

通過對本次研究的實際情況進行分析，以上發(fā)明原理在本次研究的應(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較大反旋螺紋，且新增一個帶反旋螺紋的套環(huán)，這樣通過反旋螺紋可預(yù)先增加一個緊固力.

(2)把有害因素變?yōu)橛欣蛩卦恚喊创嗽?，在閥體原有螺孔處增開一個較大反旋螺紋，并通過新增一個套環(huán)將此反旋螺紋與雙頭螺柱之間建立聯(lián)系，當雙頭螺柱轉(zhuǎn)動時反旋螺紋會擰緊從而阻止雙頭螺柱轉(zhuǎn)動.

(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)，并運用鉚接原理將此套環(huán)與雙頭螺柱緊固成一個整體，通過閥體新擴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整體.

2 鐵路機車制動系統(tǒng)防松雙頭螺柱改進設(shè)計

通過TRIZ理論的分析，綜合得到的創(chuàng)新原理，并應(yīng)用抗振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圖1所示，本組件由雙頭螺柱和套環(huán)組成，螺柱與套環(huán)采用間隙配合.螺栓由圓柱段、環(huán)槽段和兩個正旋螺紋段組成.套環(huán)由一反旋螺紋段和圓柱段組成.

圖1 雙頭螺柱和套環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

普通雙頭螺柱的中間光滑段新增一環(huán)槽段，在鉚接時擠壓套環(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)組裝后型式見圖2.

圖2 組裝后的拉鉚螺柱

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，安裝孔型式見圖3.

(a) 原安裝孔 (b) 拉鉚螺柱安裝孔

3 產(chǎn)品研制情況

3.1 研發(fā)與試制

根據(jù)TRIZ理論得出的最終改進方案，運用金屬成型模擬DEFORM三維軟件進行了有限元分析計算，有限元分析結(jié)果見圖4.模擬結(jié)果在26.9 kN時，套環(huán)鉚接到位，現(xiàn)有鉚接工具能滿足使用需求.且套環(huán)成型在預(yù)想范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求.

圖4 有限元分析云圖

3.2 鉚接情況

為了進一步驗證本仿真結(jié)果的可信性，在模擬實驗的基礎(chǔ)上進行了產(chǎn)品試制，拉鉚螺栓鉚接試驗、閥體實物鉚接和鉚接后剖開見圖5.

圖5 產(chǎn)品鉚接情況

從圖5(a)可以看出，套環(huán)能按照設(shè)計要求鉚接到位，且外部成型與仿真結(jié)果一致.從圖5(b)可以看出，鉚接后套環(huán)能較好的進入螺柱牙型內(nèi)，將套環(huán)與雙頭螺柱緊固成一個整體，從而達到設(shè)計要求.

4 力學(xué)性能試驗

4.1 扭矩試驗

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)計值，拉鉚螺栓鉚接后，蓋上閥體蓋板，進行扭矩試驗，試驗表明：在遠超過安裝扭矩的情況下，螺栓、套環(huán)和閥體之間未發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，螺栓螺紋完好.試驗數(shù)據(jù)見表3，由表可知，當采用新方案的雙頭螺柱時，擰出扭矩能遠超實際安裝要求,滿足設(shè)計需要.

表3 扭矩實驗結(jié)果

4.2 振動試驗

對于雙頭螺柱而言，振動失效是最主要的失效形式，所以在此設(shè)計了振動試驗[7]：將拉鉚螺栓鉚接后，裝在橫向振動試驗臺上，加上蓋板，旋入螺母，按照緊固件橫向振動試驗方法(GB/T 10431-2008)，在頻率12.5 Hz、振幅1.2 mm的條件下進行防松試驗，試驗完成后檢測拉鉚螺栓、套環(huán)和基座(相當于閥體)的連接情況，其連接完好，無松動現(xiàn)象產(chǎn)生.

圖6 防松實驗曲線

從圖6中可以看出，在頻率12.5 Hz、振幅1.2mm防松試驗下，產(chǎn)品的夾緊力在初始的衰減后不在衰減，具有優(yōu)異的防松性能，從表4可以看出，產(chǎn)品殘余夾緊力約為初始夾緊力的80%，且在振動工況下無繼續(xù)衰減的趨勢，滿足使用需求，能明顯解決120閥用雙頭螺柱發(fā)生松動、脫落的慣性質(zhì)量現(xiàn)象.

表4 防松實驗參數(shù)

5 結(jié)論

如何有效地應(yīng)對螺栓松動所帶來的危害不僅是鐵路機車行業(yè)所面臨的難題，也是整個機械行業(yè)需要共同面對的現(xiàn)實.制動系統(tǒng)作為百萬輛鐵路機車安全運行的關(guān)鍵系統(tǒng)，它對鐵路機車的安全運行起著至關(guān)重要的作用.本文通過運用TRIZ理論對閥體雙頭螺柱連接件的重新設(shè)計，不但有助于改善原有雙頭螺柱易松動、脫落的問題，也為機車技術(shù)人員運用TRIZ理論解決實際問題指出了新的方向.