基于TRIZ理論螺桿夾緊裝置的創新設計

姚貴英，祁云峰，李秋生

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基于TRIZ理論螺桿夾緊裝置的創新設計

姚貴英，祁云峰*，李秋生

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

針對傳統螺桿夾緊裝置存在的不足，借助TRIZ理論的創新設計方法，設計一種新型螺桿夾緊裝置。基于TRIZ理論中的沖突矩陣、創新原理與實際相結合，分析傳統螺桿夾緊裝置存在的問題，利用Pro/E軟件建立創新產品的三維模型。得到了一種新型螺桿夾緊裝置，解決了行進過程中約束不完整、磨損、夾緊類型單一的缺點，并用于膨脹螺栓裝配機中。TRIZ理論為螺桿夾緊裝置創新設計找準了改良方向，解決了技術沖突問題。同時TRIZ為機械創新設計人員提供了研究方向。

螺桿夾緊；TRIZ理論；沖突矩陣；創新設計

膨脹螺栓裝配機是一種是通過機械、電器、氣動相結合，將螺母、螺桿、平墊、彈墊、脹管組裝為成品的自動設備，大大提高了膨脹螺栓的裝配效率，節約了成本。其中，螺桿夾緊裝置的可靠性是裝配成功的關鍵，一旦螺桿傾斜甚至脫落，就會影響整個裝配過程。目前國內已有的鏈式裝配機的螺桿夾緊方式是以半圓弧螺桿卡卡緊螺桿，螺桿卡的上方由擋板壓住，螺桿卡下方設有長條孔，與滾子鏈銷軸連接，如圖1所示。

此種夾緊方式的特點在于螺桿卡的內弧與螺桿尾部楔形相契合，給螺桿提供一定的壓緊力，使螺桿基本保持直立，但這種夾緊方式有以下缺陷：

（1）螺桿卡內弧形結構只在兩側給予螺桿向下的壓緊力，幾何約束不完整；

（2）螺桿卡上方由一塊擋板壓住，由于鏈條向前傳動，會使螺桿卡上下擺動，導致壓緊力不穩定，螺桿經常脫落，裝配失敗；

（3）在運行過程中，螺桿卡上面與擋板內側面直接接觸，產生滑動摩擦，長時間會導致螺桿卡磨損嚴重，影響螺桿夾緊；

（4）由于螺桿卡不易調節，故只能對一種型號的螺桿進行夾緊，應用范圍單一。

針對以上缺點，利用TRIZ理論對螺桿夾緊裝置進行創新優化設計，給出具體解決方案。

圖1 傳統螺桿夾緊方式

1 TRIZ理論

TRIZ[1-5]的核心思想是：不同的技術領域中所遇到的問題和矛盾，可以采用相同的發明原理加以解決，其理論體系如圖2所示。

圖2 TRIZ理論體系結構

產品設計中的許多問題都是由參數變化引起的技術沖突，常常表現為一個系統中兩個子系統之間的沖突。為解決此問題，提出了39×39的沖突矩陣（也叫做矛盾矩陣）[6]。

利用TRIZ理論解決產品創新的模式及流程為：首先將待解決的實際問題轉化為問題的模型；然后根據不同的問題模型，采用相應的TRIZ工具，以求得問題的解決方案模型；最后將這些解決方案模型運用到具體的實際問題當中，得到問題的最終解決方案[4]，如圖3所示。

圖3 TRIZ解題模式及流程

2 螺桿夾緊裝置的優化創新設計

2.1 螺桿夾緊裝置沖突分析

根據傳統夾緊裝置的不足，本文將其抽象為以下矛盾[7]：

（1）矛盾1：行進中螺桿的幾何約束不完整，導致夾緊力不穩定，易傾斜，使螺桿經常脫落。如果增加零部件來限制其他方向的約束，惡化了技術參數。

（2）矛盾2：行進中的螺桿卡對螺桿產生滑動摩擦，長時間會導致磨損。如果將螺桿卡去掉，可能會惡化技術參數。

（3）矛盾3：螺桿卡不易調節，夾緊裝置只限一種型號的螺桿夾緊。如果將螺桿卡換成活動卡，利用彈簧來控制大小，惡化技術參數。

基于以上三個矛盾，運用沖突矩陣找出解決該矛盾的創新原理，如表1所示。

由矛盾1得到推薦的優化參數為13（結構的穩定性：系統的完整性和系統組成部分之間的關系），惡化參數為36（裝置的復雜性：系統中元件數目及多樣性，掌握系統的難易程度復雜性的一種度量），在沖突矩陣表中交叉處序號為2、35、22、26；分別代表No.2抽出、No.35物體的物理或化學狀態的變化、No.22變害為益、No.26代用品，這些序號表示沖突矩陣推薦這4個創新原理來解決上列沖突[4]。

表1 螺桿夾緊設計的沖突矩陣表

表中：“＋”表示相同參數產生的矛盾是物理矛盾而不是技術矛盾；“－”表示兩個參數之間尚未發現相應的原理解。

由矛盾2得到推薦的優化參數為16（運動物體作用的時間：物體完成規定動作的時間），惡化參數為13，沖突矩陣中交叉處推薦的創新原理為No.39不活躍的環境、No.3部分改變、No.35物體的物理或化學狀態變化、No.23反饋。

由矛盾3得到推薦優化參數為35（適應性及多樣性：物體或系統應用于不同條件下的能力），惡化參數為36，則沖突矩陣中交叉處推薦的創新原理為No.15動態性、No.29空壓機構和液壓機構、No.37熱膨脹、No.28機械系統的替代。

綜上所述，并結合表2中矛盾矩陣的創新原理，得到解決矛盾的一般方法：

（1）No.2抽出：結合螺桿夾緊裝置的具體結構，將傳統裝置中的螺桿卡和擋板去掉，以解決螺桿卡磨損問題；

表2 創新原理

（2）No.15動態性[8]：此原理對問題的解決貢獻最大，擬采用彈簧和雙活動卡的連接（圖4）來實現螺桿夾緊范圍的調節，以及對螺桿左右方向的幾何約束；利用帶有V形槽的固定卡（圖5）和卡座來完成螺桿前后和上下方向的幾何約束，從而實現完整約束。

（3）No.16過渡的動作：想要得到的效果不能百分百的實現，可在已實現效果的基礎上加大動作幅度，從而簡化問題。欲實現對活動卡和彈簧的實時控制，活動卡兩邊可加一滾輪，當鏈條動作時，實現對彈簧的壓縮或放松。

圖4 活動卡與彈簧

圖5 固定卡

2.2 螺桿夾緊裝置總體方案確定

1.卡座2.活動卡3.銷軸4.固定螺栓5.固定卡6.壓縮彈簧 7.定位銷8.滾輪9.頂桿10.銷軸11.滾輪12.安裝銷軸 13.固定板14.鏈條

該方案保證了螺桿的完整約束；活動卡的存在使得可以對多種型號的螺桿進行夾緊，適用范圍更加廣泛；同時減少了螺桿的磨損，增加了使用壽命。

3 結論

利用TRIZ理論中的沖突矩陣解決了螺桿夾緊裝置中遇到的問題，而且結構簡單，使用方便，同時實現了對螺桿的完整約束，在運行過程中更加穩定，提高了膨脹螺栓的裝配效率。

[1]朱輝，李培林，王崴，劉曉衛，劉海平. 基于TRIZ理論的多軸擰緊機結構優化設計[J]. 機械設計，2015，32（12）：26-29.

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[3]賀菲菲. 基于TRIZ理論的制動器創新優化設計[J]. 機械，2010（5）：49-52.

[4]林岳. 創新方法教程（初級）[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

[5]趙新軍. 技術創新理論（TRIZ）及應用[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[6]丁俊武，韓玉啟，鄭稱德. 創新問題解決理論——TRIZ研究綜述[J]. 科學學與科學技術管理，2004（11）：53-60.

[7]鄭芳媛，朱景林，張天會，果霖. 基于TRIZ理論噴霧器開關創新設計[J]. 農機化研究，2015，37（1）：71-74.

[8]趙林林，李景仲，武濤. 基于TRIZ理論的洗瓶機出瓶裝置的創新設計[J]. 機械，2014（11）：54-56.

Innovative Design of Screw Clamping Device Based on TRIZ Theory

YAO Guiying，QI Yunfeng，LI Qiusheng

( College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China )

Aiming at the shortcomings of the traditional screw clamping device, a new screw clamping device was designed with the help of the innovative design method of TRIZ theory. Based on the combination of the conflict matrix of TRIZ theory, innovation principle and practice, the problems of traditional screw clamping device are analyzed, and the 3D model of innovative products is established by using Pro/E software. A new type of screw clamping device is obtained, which solves the disadvantages of incomplete constraint, wear and single clamping type in the traveling process, and is used in the expansion bolt assembly machine. The TRIZ theory finds the direction of improvement for the innovative design of screw clamping device and solves the technical conflict problem. At the same time, TRIZ provides the research direction for the innovative designers of machinery.

screw tightening；TRIZ theory；conflicts matrix；innovative design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.013

1006－0316 (2018) 12－0045－04

2018－01－24

姚貴英（1960－），女，河北武邑人，本科，教授、碩士生導師，主要研究方向為礦山機械研究、TRIZ理論研究等。

祁云峰（1990－），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論、TRIZ理論研究。