基于TRIZ理論的盾構機密封環件加工工藝改進

王高峰，張亞平，李光輝，王艷平

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.中航貴州飛機有限責任公司，貴州 安順 561018)

基于TRIZ理論的盾構機密封環件加工工藝改進

王高峰1，張亞平1，李光輝2，王艷平2

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.中航貴州飛機有限責任公司，貴州 安順 561018)

介紹了TRIZ理論體系和解題流程，以TRIZ矛盾解決原理為指導，針對盾構機密封環件淬火變形問題，運用曲面化發明原理，進行了加工工藝的改進。通過生產驗證，取得了良好的效果。結果表明，TRIZ理論為解決盾構機環件加工領域難題，提供了一套有效工具。

TRIZ；盾構機；密封環件；淬火變形

0 前言

近年來，隨著我國城市基礎建設步伐加快，地鐵、城市綜合管理等項目建設增長迅速。盾構機在建設施工中發揮著重要作用，我國盾構機產量隨之連續增長[1]。盾構機是一種集機械、電氣、液壓、控制、測量等多種學科于一體的大型施工設備。位于盾首部分的密封環件是盾構機的關鍵零件，起到密封、減磨、耐磨等作用。由于盾首環件尺寸大、壁厚薄、硬度高等特點，加工時存在變形現象，影響加工效率及合格率。目前國內學者對此問題研究較少。

TRIZ理論，是俄文發明問題解決理論的縮寫，由前蘇聯發明專家根奇·阿奇舒勒等人在對全世界近250萬份高水平發明專利的研究、分析、歸納總結的基礎上，建立起來的解決發明問題的系統化方法。TRIZ的研究應用已遍布世界多個領域，近年來，我國對TRIZ理論的研究也得到高度重視，許多學者對TRIZ的應用也做了相關研究。劉志峰等運用物場分析原理和沖突解決原理進行了產品零件可拆卸聯接改進設計[2]；張鑫運用矛盾解決原理對起重機起升機構進行了研究[3]；朱輝等運用矛盾/沖突解決理論對多軸擰緊機結構進行了優化設計[4]。

本文將TRIZ理論應用到盾構機環件的加工領域，通過系統分析得出解決變形問題的方案。

1 TRIZ理論簡介

1.1 TRIZ理論體系

TRIZ是基于知識的、面向人的發明問題解決系統化方法。其理論體系主要包括技術系統演變的8個模式、40條發明原理、39個工程技術參數、矛盾/沖突解決理論、物質-場分析、發明問題解決算法等。TRIZ理論體系可用圖1所示框架圖表示[5]。

圖1 TRIZ理論體系框架圖

1.2 TRIZ解題流程

TRIZ理論作為一套完整體系，不同于依靠經驗的傳統模式和不斷試錯的思路去解決問題，它給出了解決創新問題的整個流程。具體解題流程如圖2所示[6]。

圖2 TRIZ理論解題流程

對于某個具體問題，可依據圖2流程進行求解，即首先確定工程問題，建立問題分析模型，然后利用TRIZ提煉的各種原理和工具，得出相應的解決方案，依據技術系統進化法則等對方案進行評價，最終得出最優方案后實施。

1.3 矛盾矩陣

TRIZ理論把解決矛盾作為工程問題的核心，矛盾主要是技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾是指系統中兩個參數之間的矛盾，即如果改善參數A，將導致系統參數B的惡化；物理矛盾是指系統一個參數的矛盾，即既要求某參數A的性質為正，又要求參數A的性質為負。TRIZ理論歸納出39個通用工程參數來描述矛盾，總結出40條發明原理來解決矛盾，并把39個工程參數和40條發明原理通過矛盾矩陣建立對應關系。針對某一矛盾，可通過查找矛盾矩陣快速得優先考慮的發明原理。表1為矛盾矩陣部分內容[6]。

表1 矛盾矩陣表

矛盾矩陣的行、列均是39個工程參數，列代表工程參數需要改善的一方，行代表工程參數可能惡化的一方。應用時，先從列中找到需要改善的技術參數，再從行中找到可能惡化的技術參數，其行列的交點，則是推薦使用的發明原理的序號。

2 TRIZ理論在盾構機環件加工中的應用

2.1 問題背景

某型號盾構機，其環件位于外壓緊環與法蘭之間，如圖3所示，外密封環5主要起密封作用，其磨損后可通過螺栓來調節與密封條的相對位置，進而起到密封效果。

圖3 盾構機主驅動結構示意圖

密封環件材料為42CrMo，為了提高耐磨性，外徑表面需進行表面淬火處理，要求硬度為55～62 HRC，有效硬化層深度不小于5 mm 。其尺寸及技術要求如圖4所示。

圖4 產品尺寸及技術要求

2.2 問題描述及分析

傳統加工工藝，粗車后進行外徑表面淬火，最后磨削淬火面。由于密封環件尺寸較大、徑向壁薄、剛性差，且淬火面積較大，致使外徑表面上下受熱、冷卻速度不一致，表面淬火后變形量較大。其表面淬火后如圖5所示，位置2比位置1、3凹陷約0.4 mm左右，零件內、外徑橢圓0.5 mm左右。傳統工藝為了保證成品尺寸，加大了磨削加工留量。但是傳統工藝存在以下問題：(1)由于先車內徑臺階，后進行外徑面淬火，表面淬火時徑向壁厚較薄，容易造成零件的橢圓及外徑面心部的凹陷；(2)為了保證成品尺寸，加大了磨削留量，降低了加工效率；(3)由于磨削量較大，造成成品有效硬化層厚度不均勻。

圖5 傳統工藝表面淬火后示意圖

2.3 矛盾理論應用

通過以上分析，技術矛盾為工件形狀改善與工件表面硬度惡化之間的矛盾，因此可將第一個工程參數描述為形狀，將第二個工程參數描述為強度。查矛盾矩陣表可知，30號、14號、10號、40號原理可能解決此問題。30號為柔性殼體或薄膜原理；14號為曲面化原理；10號為預先作用原理；40號為復合材料原理。

通過原理分析，認為14號、10號原理可解決此問題，即將環件外徑在粗車時加工成外凸的曲面，經過淬火后外徑表面產生向內凹陷的變形，最終外徑面的圓柱度較為理想，再經過小磨量的磨加工，即能滿足圖紙要求。

2.4 實驗驗證

通過對傳統加工工藝的改進，確定了新工藝路線為：車基面、圓弧外徑→車非基面→外徑表面淬火→車內徑臺階→磨削外徑。新工藝改車外徑為圓弧形，如圖6所示，以彌補外徑淬火引起的凹陷。

圖6 新工藝車圓弧示意圖

通過對采用新工藝后的首件產品進行測量，零件外徑直線度在0.1 mm以內，橢圓0.3 mm以內。因此外徑淬火面磨削0.3 mm即可，極大的提高了零件的加工效率，節約了加工成本。

3 結論

通過對盾構機環件加工工藝的分析，將TRIZ的矛盾理論應用到其工藝中，從理論上得到了可行的方案。經實際驗證，取得良好的應用效果。這表面，TRIZ理論在對類似產品的加工過程中，能起到很好的指導作用。

[1] 羅星臣.國內外隧道盾構機技術發展趨勢與應用[J]. 科技創新與應用，2016(12):65—66.

[2] 劉志峰，胡迪，高洋，等.基于TRIZ的可拆卸聯接改進設計[J].機械工程學報，2012，48(11):65-71.

[3] 張鑫.基于TRIZ理論的起重機創新設計研究[J].起重運輸機械，2015(07):62-65.

[4] 朱輝，李培林，王崴，等.基于TRIZ理論的多軸擰緊機構優化設計[J].機械設計，2015，32(12):26-29.

[5] 創新方法研究會，中國21世紀議程管理中心.創新方法教程[M].北京: 高等教育出版社，2015.

[6] 曾獻智.基于TRIZ理論的Z公司軸承產品創新方法研究[D].洛陽: 河南科技大學，2015.

Process improvement of sealing ring for shield tunneling machinebased on TRIZ theory

WANG Gao-feng1, ZHANG Ya-ping1, LI Guang-hui2, WANG Yan-ping2

(1.Luoyang Bearing Science &Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China; 2.AVIC Guizhou Aviation Aircraft Co., Ltd., Anshun 561018,China)

This paper Introduced TRIZ theory system and the problem solving process. To the quenching deformation problem of sealing ring for shield tunneling machine, the processing technology of the sealing ring was improved by using the curve surface invention principle, under the guidance of guided by the TRIZ conflict solving principle. Good effect of improvement is validated through production. The results show that the TRIZ theory provide a set of effective tools to solve the processing problem of sealing ring for shield tunneling machine.

TRIZ; shield tunneling machine; sealing ring; quenching deformation

2017-01-25；

2017-02-28

王高峰(1985-)，男，洛陽軸研科技股份有限公司，工程師。

TG506

A

1001-196X(2017)03-0090-04