應用TRIZ理論對釜用機械密封彈簧的改進

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應用TRIZ理論對釜用機械密封彈簧的改進

吳燕玲1傅仁利2周永清 殷進 張開驍

1.江蘇省生產力促進中心 江蘇南京 210042 2.南京航空航天大學 江蘇南京 210016

[摘要]對于釜用機械密封，其密封性能的可靠性至關重要，但是密封部件常會由于磨損而導致密封失效。本文運用TRIZ理論對釜用機械密封的彈簧部件失效提出了改進方案，提高了密封的可靠性和使用壽命。

[關鍵詞]TRIZ理論；釜用機械密封；彈簧

1、引言

機械密封是一種功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用壽命長的旋轉軸密封，在泵、反應釜、壓縮機上已經大量使用[1]。反應釜是綜合反應容器，反應過程中產生的壓力對容器的密封要求極高。在一般中等壓力或抽真空情況都會使用機械密封，而機械密封的密封效果將直接影響反應釜的運行，嚴重的將造成停產、安全事故及環境污染等不可估量的損失[2]。

本文利用TRIZ理論分析問題和解決問題的方法對機械密封中的彈簧斷裂失效進行了分析及改進，旨在有效改善反應釜的密封性能，提高其可靠性和使用壽命。

2、TRIZ理論簡介

TRIZ理論是發明問題解決理論的俄文縮寫，是前蘇聯發明家根里奇?阿奇舒勒（G.S.Altshuler）及其領導的一批研究人員，自1946年開始，花費1500人／年的時間，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎上所提出的一套發現問題解決問題的發明理論。在TRIZ中提出了用39個通用工程參數來描述技術矛盾，用40條發明創造原理來指導設計人員的創新設計，并且建立了對應關系，即矛盾矩陣。

應用矛盾矩陣解決實際問題時，須將設計中的特定問題預先處理，即用TRIZ的39個工程參數描述矛盾，并且要對使用矛盾矩陣得到的原理解進行后處理，即把原理解轉化為領域解，以得到需要的特定解。

3、基于TRIZ的設計過程

3.1問題描述

搪瓷釜由釜體和攪拌系統組成，釜體和攪拌系統之間由機械密封進行密封。機械密封由緊固螺絲在壓蓋作用下壓緊彈簧座，彈簧座固定彈簧，彈簧壓緊動環，動環壓緊靜環起到密封的作用[3]。由于搪瓷釜攪拌系統沒有固定支撐，在啟動和攪拌過程中壓蓋和彈簧座存在扭動，晃動大，容易造成彈簧斷裂，從而造成了泄漏。

3.2確定技術參數

存在的問題是：彈簧在工作中受到了額外大的扭轉力發生了斷裂損壞。如果在攪拌系統中增加固定支撐，使得攪拌軸晃動減少，從而可以改善彈簧的受力狀況，減少彈簧的斷裂幾率。可是增加固定支撐會增加系統的復雜性。故選擇“參數10-力”作為改善的參數，“參數36-系統的復雜性”作為惡化參數。

3.3查找矛盾矩陣

查找矛盾矩陣如表1所示

表1　矛盾矩陣表

與發明原理序號對應的是：10預先作用原理，18機械振動原理，26復制原理，35物理或化學參數改變原理。

3.4發明原理分析

原理10為預先作用。此原理體現在二個方面：（1）預先對物體（全部或部分）施加必要的改變；（2）預先安置物體，使其在最方便的位置發揮作用而不浪費運送的時間。根據此原理，可能采用的方法有：在壓蓋和動環之間安裝定位銷，阻止壓蓋和動環之間發生扭動。

原理18為機械振動原理。此原理體現在五個方面：（1）使物體處于振動狀態；（2）如果已處于振動狀態，提高振動頻率；（3）利用共振現象；（4）用壓電振動代替機械振動；（5）使用超聲波和電磁場振動耦合。根據此原理，可能采用的方法有：采用磁力密封代替機械密封。

原理26為復制原理。此原理體現在三個方面：（1）用簡化的廉價復制品代替；（2）用光學復制品（圖像）代替實物或實物系統；（3）如果已使用可見光拷貝，用紅外線或紫外線代替。此原理對問題的解決貢獻有限。

原理35為物理或化學參數改變。此原理體現在改變物體的物理或化學狀態，如聚集態、濃度、密度、柔性和溫度等。根據此原理，可能采用的方法有：采用剛度更好的彈簧。

4、基于TRIZ的設計方案完善

綜合以上分析，形成了3個方案。

方案1：在壓蓋和動環之間預先安裝定位銷，使得連接的彈簧不易發生扭動。該方案簡單易行，單獨實施后，彈簧的壽命增加了近3倍。但是攪拌時物料除了作水平回轉流動，還產生上下方向的循環流動，使得攪拌軸有徑向擺動和軸向竄動，在這種工況的持續作用下還是不能保證彈簧的較長壽命。

方案2：采用磁力密封。該方案能進一步提升密封效果，免去彈簧斷裂的幾率，只是成本會稍微增加。

磁力密封技術是指初始閉合力來自磁性力，利用磁體能夠吸引鐵磁性物質的性質或者相同磁性之間的排斥力，通過軸向的補償，使密封端面緊密貼合，來達到密封目的。它延用機械密封的工作模式，采用全新的浮動式設計理念，使密封結構更簡單，功能更完善，有較好的密封效果，較長的使用壽命，基本不會損壞旋轉軸外表面。對旋轉軸在工作工程中產生的振動、偏擺、偏斜等不敏感，密封效果不會受到明顯的影響。節省能耗同時又能保證設備的安全運行，適用于多種工況條件[4]。

圖1所示為一種典型的磁力密封裝置結構圖，圖2是磁力密封的實物圖。其主要由靜環、動環和密封圈組成。其中，靜環為磁性材料，由高剩磁鋁鎳合金材料制成，其表面光滑，具有良好的熱穩定性，且耐磨性好；動環為石墨，耐磨性和潤滑性能好，鑲嵌在磁性金屬材料的動環座里；O型圈對徑向配合進行密封，防止泄漏[5]。

圖1　典型接觸式磁力密封裝置圖

圖2　磁力密封實物圖

方案3：采用剛度更好的彈簧。可選的有蝶形彈簧，斜圈彈簧等。

蝶形彈簧簡稱碟簧，它是一種由鋼板沖壓成碟形的薄板彈簧，體積小、承載能力大、加壓均勻、緩沖和減震能力強。采用不同的組合(疊合或對合)可以得到不同剛度的變性特性曲線，最顯著的優點是能在很小的變形條件下，承受范圍變化很大的載荷，廣泛應用于鉆機、模具、液壓件、制動器及軍工中[6]。

此處可采用稍作改進的對合組合碟簧，見圖3，即在一對蝶形彈簧之間加一墊片，將一對蝶形彈簧隔開，蝶形彈簧的銳角作用在墊片的平面上，與墊片平面全部接觸，克服了蝶形彈簧失穩、扭曲變形的狀態，提高了蝶形彈簧的強度。

圖3　碟簧安裝圖

斜圈彈簧，該彈簧的橫截面為橢圓，受壓時斜圈彈簧短軸方向受壓。斜圈彈簧沿軸向繞制時上升和下降兩個過程交替進行，同時具有正圈彈簧的升角和漸變的傾角，這種結構類型使斜圈彈簧具有優良的連接特性和力學性能。在饒性偏差較大的情況下，斜圈彈簧仍能保持恒定的力，該特性能夠減小彈簧的變形量，并能最大程度的補償表面不平及公差的影響。此外，斜圈彈簧能夠承受一定的壓縮變形，能夠在震動、沖擊等惡劣工作環境下正常運作。目前主要用于電力連接件和高溫動密封件上[7]。

斜圈彈簧根據壓縮變形方向可分為徑向和軸向，此處作為密封件可以選用軸向斜圈彈簧，見圖4。斜圈彈簧在壓縮的過程中，每個線圈的受力和變形幾乎都是獨立的，可以很好地適應壓縮面間的平整度誤差，如圖5所示。

圖4　軸向斜圈彈簧

圖5　斜圈彈簧的結構形式

為了使斜圈彈簧機械獲得較好的密封性能和較長的使用壽命，要選擇合適的斜圈彈簧的壓縮量，保證斜圈彈簧始終處于 10%~35%的壓縮位置。由于受到軸向力平衡的影響，斜圈彈簧也在不斷變化，因此，在設計斜圈彈簧機械密封時，應高度重視介質壓力對端面比壓的影響。

5、結束語

TRIZ理論在解決實際工程問題上具有不可替代的優勢。它不但能夠幫助我們系統地分析問題的情境，快速地發現問題的本質和矛盾所在，而且它能夠幫助我們打破思維定勢，以一個全新的視角看待問題，促進產品的創新設計，提高產品在市場上的競爭力。

參考文獻

[1]唐建兵.對機械密封在化工反應釜上的應用的探討[J].化工管理,2014:152

[2]李昌根,邵婧,尚鴻昊.釜用機械密封的結構分析與改進[J].工業科技,2013,42(10):37-39

[3]劉毅.反應釜攪拌軸上的密封[J].皮革化工,1994,(4):11-12

[4]金浩,曲家惠,岳明凱.磁力密封裝置的研究與應用[J].制造業自動化,2011,33(9):114-116

[5]周永生.磁力機械密封設計方法及存在的問題[J ].機械,2004,31(5):63-64

[6]王曉波.碟形彈簧的力學性能研究(碩士論文)[D].鄭州大學,2007

[7]張旭龍.斜圈彈簧在機械密封中的應用研究(碩士論文)[D].長安大學,2013

吳燕玲（1982-），女，江蘇南京，工程師，工學碩士，主要研究方向機械設計。

Application of the TRIZ theory on spring improvement of reaction kettle

Wu Yanling1,xxx

(1Jiangsu Productive Center, Nanjing 210042, China;2 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

Abstract:The good seal performance of mechanical seal is very important on the reaction kettle. But the seal parts were always failure due to wear. The study is to investigate spring modified options with TRIZ to improve the sealing performance and life time.

keywords:TRIZ, reaction kettle mechanical seal, spring

作者簡介