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閥制動系統作為鐵路機車安全運行的關鍵系統之一，目前在120閥上的緊固連接主要采用雙頭螺柱的連接方式，由于閥體需要經常拆卸進行維護，在拆卸蓋型螺母過程中，會導致螺柱有松動的風險，最終雙頭螺柱在長期振動工況下容易脫落，導致閥體蓋松動，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，是蘇聯學者阿奇舒勒領導的團隊通過對250萬份專利進行分析和研究，進而總結的一套解決技術難題的客觀規律.TRIZ理論在其發展的過程中已演變成一套成熟的九大經典理論體系，包括：TRIZ技術系統八大進化法則、最終理想解(IFR)、40個發明原理、39個工程參數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、發明問題的標準解法、發明問題標準算法(ARIZ)、科學效應和現象知識庫.運用這一理論，可加快人們創造發明的進程，提高解決技術問題的效率[2-3].目前，國內對于TRIZ理論的研究與實踐已取得很大的發展[4-5]，并且為相關企業帶來了巨大的經濟效益[6].

本文根據TRIZ發明理論，對120閥用雙頭螺柱進行分析，并設計了一種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 常規鐵路機車制動系統連接件

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，在原有閥體基礎上改造就不能降低螺紋規格；②120制動閥的實際外形尺寸不規則，在不和旁邊零件干涉的情況下可用于改造發揮的空間太小；③普通雙頭螺柱的抗震防松性能不夠的情況；④閥體材質種類多，力學特性差異大.

1.2.2 定義技術矛盾

根據TRIZ理論的39項工程參數，定義技術矛盾如下：機車振動頻繁，需要雙頭螺柱連接件的穩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動之間的矛盾.

1.2.3 解決矛盾的方案

根據分析得到的技術矛盾，通過查詢TRIZ技術矛盾矩陣，可得到解決矛盾的創新原理，如表1所示.

表1 拉鉚雙頭螺柱改進矛盾矩陣表

對得到的創新原理進行篩選，最后優選出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，以上發明原理在本次研究的應用如下：

(1)預先作用原理：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，這樣通過反旋螺紋可預先增加一個緊固力.

(2)把有害因素變為有利因素原理：按此原理，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將此反旋螺紋與雙頭螺柱之間建立聯系，當雙頭螺柱轉動時反旋螺紋會擰緊從而阻止雙頭螺柱轉動.

(3)中介物原理：按此原理，在雙頭螺柱和閥體之間加一套環，并運用鉚接原理將此套環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外部的反旋螺紋將套環和閥體緊固成一個整體，這樣通過套環就能將雙頭螺柱和閥體三者緊固成一個整體.

2 鐵路機車制動系統防松雙頭螺柱改進設計

通過TRIZ理論的分析，綜合得到的創新原理，并應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組成，螺柱與套環采用間隙配合.螺栓由圓柱段、環槽段和兩個正旋螺紋段組成.套環由一反旋螺紋段和圓柱段組成.

圖1 雙頭螺柱和套環結構示意圖

普通雙頭螺柱的中間光滑段新增一環槽段，在鉚接時擠壓套環向螺柱的環槽段變形并鎖緊成一體，使套環卡死在螺柱的環槽上；螺栓和套環組裝后型式見圖2.

圖2 組裝后的拉鉚螺柱

根據M10拉鉚螺栓結構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 產品研制情況

3.1 研發與試制

根據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，有限元分析結果見圖4.模擬結果在26.9 kN時，套環鉚接到位，現有鉚接工具能滿足使用需求.且套環成型在預想范圍內，符合設計要求.

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果的可信性，在模擬實驗的基礎上進行了產品試制，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 產品鉚接情況

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

4 力學性能試驗

4.1 扭矩試驗

根據120閥體雙頭螺柱連接工藝要求，扭矩必須保證不小于設計值，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、套環和閥體之間未發生相對轉動，螺栓螺紋完好.試驗數據見表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,滿足設計需要.

表3 扭矩實驗結果

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、套環和基座(相當于閥體)的連接情況，其連接完好，無松動現象產生.

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，產品的夾緊力在初始的衰減后不在衰減，具有優異的防松性能，從表4可以看出，產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衰減的趨勢，滿足使用需求，能明顯解決120閥用雙頭螺柱發生松動、脫落的慣性質量現象.

表4 防松實驗參數

5 結論

如何有效地應對螺栓松動所帶來的危害不僅是鐵路機車行業所面臨的難題，也是整個機械行業需要共同面對的現實.制動系統作為百萬輛鐵路機車安全運行的關鍵系統，它對鐵路機車的安全運行起著至關重要的作用.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，也為機車技術人員運用TRIZ理論解決實際問題指出了新的方向.