TRIZ創(chuàng)新理論在泥漿門密封改進(jìn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：文章采用TRIZ理論指導(dǎo)，對(duì)泥水盾構(gòu)機(jī)的泥漿門密封系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。首先對(duì)泥漿門密封進(jìn)行了技術(shù)矛盾的描述和參數(shù)轉(zhuǎn)化，運(yùn)用矛盾矩陣擇優(yōu)選用創(chuàng)新原理，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)不同方案進(jìn)行比較分析，最后得到了較合理的問題解決方案。本次應(yīng)用嘗試表明TRIZ理論在解決工程技術(shù)問題過程中具有較好的指導(dǎo)意義，可供技術(shù)創(chuàng)新方法研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：TRIZ；創(chuàng)新理論；泥漿門；密封

1 概述

“TRIZ”理論是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的科學(xué)思維，是技術(shù)創(chuàng)新的現(xiàn)代化工具[1]。傳統(tǒng)創(chuàng)新方法采用知識(shí)學(xué)習(xí)和交流的方式，消耗大量時(shí)間，而利用TRIZ語言和思維方法定義創(chuàng)新問題，可使研發(fā)人員快速地理解和掌握問題實(shí)質(zhì)[2]。許多公司都已成功地把TRIZ運(yùn)用于生產(chǎn)和管理等方面，如福特、三星等[3]。目前，TRIZ已逐漸由當(dāng)初擅長(zhǎng)的工程技術(shù)領(lǐng)域，向自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、管理科學(xué)、生物科學(xué)等多種領(lǐng)域滲透，嘗試解決更廣泛范圍內(nèi)的問題[4]。

TRIZ理論引進(jìn)中國(guó)時(shí)間并不長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)也僅有極少數(shù)企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用嘗試，具體實(shí)施方法、案例和經(jīng)驗(yàn)均較欠缺，部分企業(yè)的管理者和技術(shù)人員對(duì)TRIZ還持有一定懷疑態(tài)度和觀望心態(tài)[5]。積極在企業(yè)管理和研發(fā)過程中應(yīng)用這一創(chuàng)新方法、積累更多的應(yīng)用實(shí)例對(duì)促進(jìn)TRIZ在我國(guó)企業(yè)中的推廣應(yīng)用很有意義。本文運(yùn)用TRIZ理論中解決技術(shù)矛盾的相關(guān)方法，對(duì)泥水盾構(gòu)機(jī)的泥漿門密封進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了較好的解決方案，可供運(yùn)用TRIZ解決工程實(shí)際問題進(jìn)行參考。

2 問題背景

泥漿門是泥水平衡盾構(gòu)機(jī)（簡(jiǎn)稱泥水盾構(gòu)）上重要的安全裝置，如圖1所示，使用過程是：油缸將泥漿門下放直至門板將泥漿進(jìn)口完全遮蓋，然后往密封氣囊里面充氣使密封圈膨脹，膨脹的密封圈外部密封面壓緊在泥漿進(jìn)口周圍的隔板上，這樣位于泥漿門前面的泥水艙與后面的氣墊艙被隔離開來；隨后，排空氣墊艙內(nèi)泥漿，工作人員在常壓下進(jìn)入氣墊艙內(nèi)作業(yè)，從而避免了高風(fēng)險(xiǎn)和高成本的潛水作業(yè)和氣壓作業(yè)。在實(shí)際工程中，由于泥漿門使用頻率低，常年浸泡在氣墊艙內(nèi)的泥漿中，易受到泥漿中固體顆粒的磨蝕，密封圈經(jīng)常失效損壞。另外，這種密封結(jié)構(gòu)的密封效果也不穩(wěn)定，有泥漿泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，給艙內(nèi)工作人員帶來很大危險(xiǎn)。泥漿門密封的失效原因主要有：（1）密封圈容易磨損破壞；（2）密封面容易嵌入固體顆粒影響密封效果；（3）密封圈的充氣氣嘴容易漏氣。

3 問題分析

3.1 技術(shù)系統(tǒng)分析

根據(jù)TRIZ理論，一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)包括兩種物質(zhì)和一個(gè)場(chǎng)三部分，解決技術(shù)問題，首先應(yīng)明確引起問題的技術(shù)系統(tǒng)。在這個(gè)問題中，引起問題的技術(shù)系統(tǒng)是泥水艙和氣墊艙內(nèi)的泥漿、固體顆粒、充壓介質(zhì)（壓縮空氣）。泥漿門密封這一技術(shù)系統(tǒng)的主要成分及對(duì)應(yīng)功能如表1所示。

在該技術(shù)方案中，密封圈在充入壓縮空氣后膨脹，將唇形密封面壓緊在隔板上實(shí)現(xiàn)密封。密封面的接觸壓力可以通過調(diào)節(jié)空氣壓力來控制。增大充氣壓力有利于提高密封效果，但盾構(gòu)機(jī)上常用空壓機(jī)額定壓力較小，調(diào)壓范圍有限；另外，由于充氣密封圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其壁厚不能太厚，否則同樣密封接觸壓力下將需要更大的充氣壓力。由于泥漿門使用頻率低，如配置高壓空壓機(jī)，將導(dǎo)致設(shè)備利用率低、盾構(gòu)機(jī)管路系統(tǒng)整體成本增高。

3.2 陳述技術(shù)矛盾

在該實(shí)例中，需要改善的技術(shù)特性是密封圈的耐磨性、抵抗固體顆粒雜質(zhì)的能力和氣嘴可靠性。綜合考慮密封圈材料、結(jié)構(gòu)等方面的改善因素，又不至過多增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建以下技術(shù)矛盾：

技術(shù)矛盾1：增加密封圈壁厚（可提高抵抗破壞性能），則需要提高充壓壓力。

技術(shù)矛盾2：提高充壓壓力（可提高密封性能和抵抗固體顆粒能力），則需增大空壓機(jī)的額定輸出壓力，這將要求全面提高整個(gè)供氣管路及其所有元器件的承壓能力，這將較大幅度增加供氣系統(tǒng)的成本和系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 解決技術(shù)矛盾

3.3.1 技術(shù)矛盾1

對(duì)照TRIZ中的矛盾矩陣，尋找意義上與上述矛盾特性最接近的通用工程參數(shù)。與特性“增加密封圈壁厚”最接近的是“形狀”，與“需要的充壓能力”最接近的是“力”。在矛盾矩陣中對(duì)應(yīng)的單元格數(shù)字是：10#、35#、37#、40#。對(duì)這些創(chuàng)新原理分析如下：

原理10#“預(yù)先作用原理”建議如下：A.預(yù)先對(duì)物體（全部或部分）施加必要的改變；B.預(yù)先安置物體，使其在最方便的位置，開始發(fā)揮作用而不浪費(fèi)運(yùn)送時(shí)間。

應(yīng)用原理10#需要使密封圈預(yù)先承受一定的力（壓力或張緊力），在不使用泥漿門或密封圈不起作用期間，將密封圈置于一個(gè)安全的位置，該位置應(yīng)有效避免實(shí)際使用環(huán)境對(duì)密封圈造成損傷進(jìn)而影響其性能。這使我們想到：在泥漿門使用前可以將密封圈“封裝”保護(hù)在密封槽內(nèi)，或者安裝時(shí)就使密封圈在預(yù)緊力作用下“收縮”在密封槽內(nèi)。

原理35#“物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼苯ㄗh如下：A.改變物體的物理狀態(tài)；B.改變物體的濃度或密度；C.改變物體的柔性；D.改變溫度或體積。

應(yīng)用原理35#建議改變系統(tǒng)的物理性能，可以考慮改變密封圈安裝座、密封圈或充壓介質(zhì)的物理性能。安裝座由于尺寸較大，目前采用普通鋼材，使用期間并無不合適之處；密封圈目前使用的是具有較好耐磨性和耐腐蝕特性的橡膠材料，其使用中的破壞并非來自材料自身；根據(jù)該處的使用要求和環(huán)境特性，應(yīng)使用一種耐腐蝕的、具有一定彈性和耐磨性的材料。因此，目前采用的橡膠材料是合適的，但是可以考慮改變密封圈的局部性能（如密封接觸面的硬度），也可考慮改變密封圈斷面的形狀或尺寸；改變充壓介質(zhì)的物理特性則可以考慮將當(dāng)前的充壓介質(zhì)由氣態(tài)改為液態(tài)，即使用液壓或水壓來加壓，此時(shí)，充壓介質(zhì)的壓力將不再是問題（特別是液壓，不但調(diào)壓范圍大，而且取壓方便），但液體的質(zhì)量和黏性遠(yuǎn)大于氣體，這又要求密封圈回彈性能和強(qiáng)度要相應(yīng)增強(qiáng)，充壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能需要改善以彌補(bǔ)上述缺陷。

原理37#“熱膨脹原理”建議如下：A.利用材料的熱膨脹或熱收縮；B.組合使用不同熱膨脹系數(shù)的幾種材料。

根據(jù)原理37#A，可考慮在密封圈充氣腔內(nèi)加設(shè)電加熱裝置或?qū)γ芊獍惭b槽加熱（不實(shí)用），在需要高的密封氣壓時(shí)可以對(duì)腔內(nèi)氣體加熱使其進(jìn)一步膨脹而獲得更大壓力。原理37#B需要使用幾種材料，這直接增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不適合該處較惡劣的使用工況。

原理40#“復(fù)合材料原理”建議如下：用復(fù)合材料代替均質(zhì)材料。

經(jīng)分析和比選，在目前工程上使用的密封材料中，“橡膠”具有更經(jīng)濟(jì)、通用的優(yōu)點(diǎn)。

3.3.2 技術(shù)矛盾2

與特性“增大充壓能力”最接近的是“力”，與“供氣系統(tǒng)的適應(yīng)性變差且導(dǎo)致整個(gè)供氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化”最接近的是“系統(tǒng)的復(fù)雜性”。在矛盾矩陣中對(duì)應(yīng)的單元格數(shù)字是：10#、18#、26、35#。對(duì)這些創(chuàng)新原理分析如下：

原理10#“預(yù)先作用原理”建議如下：A.預(yù)先對(duì)物體（全部或部分）施加必要的改變；B.預(yù)先安置物體，使其在最方便的位置，開始發(fā)揮作用而不浪費(fèi)運(yùn)送時(shí)間。

根據(jù)原理10#A，可在泥漿門上下提升動(dòng)作和密封貼緊動(dòng)作之前或過程中，對(duì)泥漿門周圍的環(huán)境進(jìn)行改善處理，如人工清理泥漿進(jìn)口周圍的大顆粒固體，對(duì)密封面進(jìn)行必要沖刷等，創(chuàng)造一個(gè)良好的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境有利于密封系統(tǒng)的后續(xù)功能實(shí)現(xiàn)。

原理18#“機(jī)械振動(dòng)原理”建議如下：A.使物體處于振動(dòng)狀態(tài)；B.如果已經(jīng)處于振動(dòng)狀態(tài)的物體，提高其振動(dòng)頻率；C.利用共振現(xiàn)象；D.用壓電振動(dòng)代替機(jī)械振動(dòng)；E.超聲波振動(dòng)和電磁場(chǎng)耦合。

根據(jù)原理18#建議，可以利用機(jī)械振動(dòng)預(yù)先對(duì)泥漿門密封區(qū)域進(jìn)行“清洗”以便為后續(xù)的密封作用實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造一個(gè)更好的接觸面條件。但綜合考慮泥漿門系統(tǒng)中諸如提升油缸、傳感器等必要組成部件，機(jī)械振動(dòng)對(duì)整體系統(tǒng)是有害的，會(huì)帶來新的問題。

原理26#“復(fù)制原理”建議如下：A.用經(jīng)過簡(jiǎn)化的廉價(jià)復(fù)制品，代替不易獲得的、復(fù)雜的、昂貴的、不方便的或易碎的物體；B.用光學(xué)復(fù)制品（圖像）代替實(shí)物系統(tǒng)；C.如果已使用了可見光拷貝，用紅外或紫外線代替。

根據(jù)使用環(huán)境，本條建議不具有實(shí)用價(jià)值，不適用。

原理35#“物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼痹俅纬霈F(xiàn)，分析見上述說明。

4 最終方案

將原理10#和原理35#結(jié)合起來，提出一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案：采用液壓作為充壓介質(zhì)（35#A）提高加壓能力，加大密封圈厚度，特別是密封面方向的厚度尺寸（35#D）以提高耐機(jī)械磨損性能和回彈性（10#），在泥漿門底部加設(shè)一道刮擦裝置（10#）以便在泥漿門下移過程中提前刮除密封面上可能粘附的固體顆粒。該方案并不增加當(dāng)前系統(tǒng)復(fù)雜性，可明顯提高密封的使用壽命和承壓性能。改進(jìn)方案經(jīng)工廠驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

創(chuàng)新是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步關(guān)鍵，任何有助于提高我們創(chuàng)新能力的物質(zhì)、方法理論均應(yīng)大力提倡和推廣，TRIZ創(chuàng)新理論更應(yīng)如此。本次應(yīng)用嘗試表明，在應(yīng)用TRIZ指導(dǎo)創(chuàng)新和解決實(shí)際問題過程中，除了正確理解該理論的原理和各種方法內(nèi)涵外，還需應(yīng)用者具備一定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，寬廣的知識(shí)面和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)輔以正確的創(chuàng)新方法指導(dǎo)，能夠更有利于產(chǎn)生高質(zhì)量的創(chuàng)新火花。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：唐崇茂（1982-），男，工程師，從事隧道掘進(jìn)裝備研究和設(shè)計(jì)。