基于發明問題解決理論(TRIZ)的螺套鎖緊力增強方法

孔羽姝 王 雷 羅添元 岳彩月 石昀杭

(中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組制造中心，130062，長春//第一作者，工程師)

螺套是螺紋連接中最常用的零件之一，平均一列列車使用2 000多個螺套。但由于螺套的結構、材料性能以及受力狀態等因素的影響，螺套在使用過程中存在鎖緊力不足而容易脫落的問題。因此，研究增強螺套鎖緊力的方法對于軌道客車制造企業具有重要的意義，并可帶來巨大的經濟效益。

TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Za-datch)是“發明問題解決理論”的拉丁文縮寫，是1946年由蘇聯發明家G.S. Altshuller及其研究團隊在大量發明專利、產品創新案例的分析與總結中提煉出的一種有效利用矛盾原理解決復雜技術問題的系統方法。TRIZ是由解決技術問題和實現創新應用的所有方法、算法構成的綜合理論體系，是基于知識的、面向人的解決發明問題的系統化方法學[1]。TRIZ揭示了事物的技術系統按照一定的規律在進化，該理論主要包括40個發明創造原理、39個工程技術參數特性、76個發明問題標準解法、矛盾矩陣、物場模型分析、發明問題解決程序(ARIZ)及工程效應知識庫等[2]。TRIZ揭示了解決技術問題和發明創造的內在規律和原理，不僅提供了分析工程技術問題的方法，包括功能分析、因果分析、物場模型分析、資源分析，同時還提供了與之對應的問題求解工具和一些新的思維方法，如發明原理、分離原理、小人法、多屏幕法，使企業的科技發明變得有規律可循[3]。

本文運用TRIZ對增強螺套鎖緊力的方法進行了研究。

1 螺套鎖緊力不足問題

1.1 螺套安裝過程

現有螺套連接系統的工作原理如圖1所示。通過旋轉安裝工具帶動螺套旋轉，外螺紋將母材基體的底孔壁切削出與之配合的螺紋。當螺套全部旋進底孔后，利用兩種材料間的摩擦力或其它結合力，保持螺套與母材基體的相對位置。螺套的內螺紋可與其它螺紋結構件配合實現連接的功能。

圖1 現有的螺套安裝原理

1.2 鎖緊力不足問題

現有螺套連接系統鎖緊的過程如圖2所示。母材與螺套之間依靠摩擦力F來保持穩定。

圖2 螺套鎖緊過程簡圖

F=μN

式中：

N——母材與螺套間的正向壓力;

μ——母材與螺套間的摩擦系數。

但母材的螺紋是由自攻螺套的外螺紋切削形成的，在螺套旋進過程中，外螺紋不斷摩擦已切削形成的母材螺紋，導致母材與螺套間的接觸面相對光滑，即μ減小，且隨著物質的磨損，N亦逐漸減小，導致F減少，最終造成螺套鎖緊力不足。在拆卸與螺套內螺紋連接的工件時，螺套受到與安裝時方向相反的作用力，且此作用力大于螺套與母材的結合力時，造成螺套脫落的現象。

1.3 現有解決方案的缺點

通過對國內120個關于螺套與母材連接作用力的專利檢索，發現目前主要是通過在螺套外螺紋上增加軸向的止轉銷，螺套旋轉安裝后將止轉銷打入母材基體以破壞母材基體上的螺紋，從而防止螺套的反向旋轉，一定程度上避免了螺套脫落的現象發生。

但是在螺套外螺紋上增加軸向的止轉銷后，螺套的制造成本極大地增加；同時螺套的安裝過程與之前相比較為繁瑣，安裝周期顯著增加，不適合在軌道客車制造企業中應用和推廣。

1.4 解決問題的約束條件

螺套鎖緊力不足問題的解決方案中，無法改變的約束條件是螺紋連接。該約束的目的是限定增強螺套鎖緊力的方案要基于螺紋連接技術系統，不能基于如焊接、鉚接等其它技術系統。

2 基于TRIZ分析問題

TRIZ分析問題的方法包括功能分析、因果分析、沖突區域分析、最終理想解分析和可用資源分析等方法。

2.1 功能分析

在TRIZ中功能分析的形式是“組件+動作+組件+參數”，即由一個組件執行的改變或維護另一個組件的參數動作[4]。螺套在安裝工具的作用下旋入母材基孔，在螺套向下旋進的過程中切削母材基孔產生鋁屑；螺栓在扳手的作用下與螺套的內螺紋間摩擦，對螺套相對于母材基孔形成反作用力。

由圖3所示的螺套鎖緊過程功能模型可以看出，現有螺套連接系統中存在“有害作用”和“不足作用”。螺套切削、磨損母材基孔是“有害作用”，母材基孔鎖緊螺套是“不足作用”。

圖3 螺套鎖緊過程功能模型

2.2 因果分析

復雜的技術問題往往牽扯的因素眾多，分析的關鍵是理順問題產生的原因，充分挖掘技術系統內的外部資源，以找到最有效的解決問題的方案。常見的因果分析方法有5個“為什么”、故障樹分析技術、魚骨圖分析法、因果鏈分析法等。

提高螺套鎖緊力主要是增大螺套與母材之間的摩擦力和結合力，進一步應用因果鏈分析法確定問題產生的深層原因。從螺套與母材間的裝配間隙和鎖緊力角度研究對螺套鎖緊力影響的因果分析過程(見圖4)可以看出，母材安裝磨損、裝配間隙過大、螺套與母材無黏附力及缺乏鎖緊裝置是螺套鎖緊力不足的根本原因。運用TRIZ從上述4個問題關鍵點入手分析可以提高問題的解決效率，同時節約經濟成本。

圖4 螺套鎖緊力不足問題因果分析

2.3 最終理想解分析

設計人員不需要額外的花費就能夠實現產品的創新設計，這種情況稱為IFR(最終理想解)。在IFR實現的過程中，系統自身能夠實現需要的動作，并且不存在有害作用的參數。通常IFR的表述中包含以下兩個基本點：①通過系統自身實現了所需的功能；②未利用額外的資源即可實現所需的功能。

在螺套連接技術系統中，IFR是不需要安裝螺套就能實現零部件的連接；次理想解是安裝的螺套能夠牢固地與母材結合而不脫落。

2.4 資源分析

資源分析是從系統的高度研究分析資源，挖掘系統的隱性資源，關注系統資源間的有機聯系，合理地組合、配置、優化資源結構，提升系統資源的應用價值或理想度[5]。資源分析的步驟分為發現及尋找資源、挖掘及探究資源、整理及組合資源、評價及配置資源等4個部分。

針對螺套鎖緊力不足問題對技術系統內部資源和分布資源進行了分析，結果如表1～2所示。

表1 系統內部資源

表2 系統外部資源

3 基于TRIZ解決問題

運用TRIZ中的沖突矩陣、物質-場模型、效應知識庫、小人法和專利檢索等工具解決螺套鎖緊力不足問題。

3.1 “裝配間隙過大”問題解決方法

3.1.1 沖突矩陣

為了提高螺套系統的鎖緊力，需要裝配間隙小；但為了安裝方便，又需要裝配間隙大。轉換成TRIZ中的沖突矩陣，改善的參數是力，惡化的參數是可操作性。

運用沖突矩陣原理中的序號3——“局部質量發明原理”得到的方法1是：在螺套基體上加工出具有方向性的彈性“倒鉤”，安裝螺套時這種“倒鉤”可以保證螺套順利進行正向旋轉，通過錘擊母材，使母材發生形變，從而使“倒鉤”進入到母材金屬中，進而阻止這種反向旋轉，達到鎖緊目的。

攻絲要求裝配間隙大，連接要求裝配間隙小；考慮到裝配間隙在不同的條件下具有不同的特性，因此該沖突可以從條件上進行分離。運用沖突矩陣原理中序號14——“曲面化原理”得到的方法2是：將螺套的螺距設計成由螺套頂部到根部逐漸變窄的復雜螺旋結構，牙寬不變，在螺套旋進過程中，兩相鄰螺紋間的母材會受到擠壓，摩擦力增大，如圖5所示。

圖5 螺套螺旋結構示意圖

3.1.2 物質-場模型

運用TRIZ中的“物質-場分析及76個標準解”工具，根據圖3的螺套鎖緊過程功能模型圖建立如圖6所示的物質-場模型。根據物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解No.2.2.6——“將均勻的物質空間結構變成不均勻的物質。”

圖6 物質-場模型示意圖

由該模型得到的方法3是：在螺套外表面開設儲屑槽，將螺套產生的鋁屑進行收集，用以填充裝配間隙，達到縮小裝配間隙、增加摩擦力的目的。

3.1.3 小人法

在螺套安裝后存在裝配間隙時，因螺套鎖緊力不足，螺套“黑色小人”無法牢固可靠地鎖住母材螺紋“紅色小人”，螺栓“藍色小人”將帶動螺套“黑色小人”一起旋轉，即紅色小人可以相對黑色小人隨意轉動。

運用小人法研究得到方法4，即選擇一種材料在螺套攻絲螺紋上進行表面處理。螺套安裝時，該材料因摩擦能自發膨脹填充滿組對間隙，并且具有足夠的強度，能夠牢固地與母材和螺套相連。

3.2 “螺套與母材無粘附力”問題解決方法

3.2.1 物質-場模型

運用TRIZ中的“物質-場分析及76個標準解”工具，根據圖3的螺套鎖緊過程功能模型圖建立如圖7所示的物質-場模型。根據物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解No.2.2.1——“使用更可控的場”。

圖7 物質-場模型示意圖

由該模型得到的方法5是：螺套攻絲安裝后，對螺套和母材施加一個瞬間高壓電場，由于螺套與母材螺紋間接觸面積較小，在接觸面能夠形成一個較大電阻，依靠電阻產生的熱量熔化、破壞掉母材表面上的部分螺紋，達到螺套鎖緊的目的。

運用TRIZ中的“物質-場分析及76個標準解”工具，根據圖3的螺套鎖緊過程功能模型圖建立如圖8所示的物質-場模型。根據物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解No.2.1.1——“鏈式物場模型”。

圖8 物質-場模型示意圖

由該模型得到的方法6是：在螺套安裝時涂抹一種緊固膠，這種膠在未固化前呈液態，能起到潤滑作用，以方便螺套的安裝。固化后，這種膠變為有一定強度的固體，可以分別與螺套和母材相粘附，從而增強螺套的鎖緊力。

3.2.2 效應知識庫

查找效應知識庫，得到可用的效應為“熱膨脹”，即當溫度上升時，粒子的振動幅度加大，使物體膨脹。依據該效應得到的方法7是：在液氮中浸泡螺套，螺套在低溫環境中體積會收縮，即螺套外徑變小，配合正常的組對間隙進行安裝，安裝后恢復室溫，螺套體積恢復變大，其與母材之間的接觸更為緊密，使得摩擦力增加，進而螺套的鎖緊力增強。

3.3 “鎖緊裝置缺乏”問題解決方法

運用專利檢索工具得到的方法8是：將螺套基體上加工出凹槽或平面，同時在安裝螺套的附近開1個小孔，用以安裝過盈的銷子，銷子使螺套安裝后的基體螺紋破壞，從而達到鎖緊的目的。

對上述方法進行試驗和評估，綜合考慮生產實施過程的可行性和結果的穩定性，最終確定最優解為方法3：在螺套外表面開設儲屑槽，將自螺紋旋進過程中產生的鋁屑進行收集，用于填充裝配間隙。

4 結語

本文運用TRIZ解決螺套鎖緊力不足問題。首先，通過功能分析、因果分析、沖突區域分析等方法找到技術系統中存在的矛盾，進而找到問題產生的根本原因，即母材安裝磨損、裝配間隙過大、螺套與母材無黏附力和缺乏鎖緊裝置。在此基礎上確定最終理想解，同時分析可以利用的資源。然后，通過沖突矩陣、物質-場模型、效應知識庫、小人法和專利檢索等工具找到8種螺套鎖緊力不足問題的解決辦法。最后，對所有方法進行現場實施驗證和評估，確定了生產實際中能夠應用的最優方法。