基于TRIZ理論的柔性墊圈測量檢具設計

徐 龍，劉 元，歐 雷，朱 麗，陳俊佑，劉曉琴

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610073）

0 引言

在機械加工制造業中，特別是在航空類部分需要密封的零件生產中，通常要在零件中加裝橡膠等柔性材料的墊圈。橡膠圈是一種需求量大、規格品種多、內徑跨度大的密封介質，然而因其材料軟，測量過程中常發生變形，導致測量不準確，進而引發因密封不嚴造成的漏油、漏氣等故障，可造成飛行器安全隱患。因而，航空企業對此類柔性材料的檢測方法或工具的改進需求極為迫切。

TRIZ（發明問題的解決理論）為設計的合理性和方案選擇提供了有效的判斷標準，使設計人員可以擺脫耗時、過程反復的傳統試錯式設計方法，提高設計效率[1]。通過運用TRIZ理論，使用物場分析、矛盾分析等方法作為切入點，利用DOE（試驗設計），結合創新原理等工具，進而得到多種方案消除矛盾，經過方案比對，尋找到柔性材料測量檢具設計的最佳方案。

1 TRIZ解決思路

TRIZ理論認為，發明問題的核心是解決沖突，產品進化過程就是不斷解決產品沖突的過程，現場技術人員在設計過程中不斷發現并解決沖突，是推動其向理想化方向進化的動力[2]。

目前，柔性尺寸檢測方法是多次測量求平均值，每次測量會得到圓周兩點距離，無數次測量，得到的無數點即形成圓。使用圓形工具檢測圓形的墊圈類柔性材料零件，以往多使用塞規。如果要測量不同大小的零件，需要的塞規規格就會變多，不便于攜帶和操作；希望便于攜帶操作，需要的塞規數量就要少，因而產生既要多又要少的矛盾。TRIZ理論給出了四種分離原理來解決，根據其中的條件分離原理，選擇17號發明原理“一維變多維”，單層排列的物體變為多層排列。塞規的檢測部位即圓周，多個不同規格的圓周進行多層排列，應用一維變多維，容易聯想到圓周從小到大的柱形塞規，解題思路如圖1所示

圖1 解題思路

2 及構建問題模型

為了準確建立TRIZ矛盾模型，把問題轉化為物場模型進行分析：原有F1機械場，S1密封圈/墊圈等柔性材料零件，S2檢測工具；以塞規作為檢測工具，用力套入密封圈，很容易使密封圈變形，而實際檢測需要的是密封圈在不受外力的自然狀態時的尺寸。因此，使用機械場不能滿足檢測準確度和防止變形的要求，只要將塞規垂直放置引入重力場，讓密封圈做自由落體就迎刃而解。

然而為了讓密封圈在做自由落體運動后，無張力且不松弛地緊密貼合在塞規上，研究密封圈下落后和塞規貼合度的影響因素，引入針對高度和受力兩因素三水平的DOE試驗設計，如圖2所示。其中P＜0.05時，高度和受力影響顯著，因此設計方案在塞規上增加引導桿，并在引導桿上標注刻度，完善后的設計圖如圖3所示

圖2 DOE試驗設計

圖3 設計思路演繹

3 基于TRIZ理論的柔性材料測量檢具

根據柔性材料測量的特點，運用TRIZ理論找到相應的發明原理，并得到解決思路，結合配合零件的實際結構，提供一種操作方便、效率高、檢測精度高、適用規格范圍廣的通用檢測裝置[3]。柔性材料測量檢具包括一個錐臺柱體，其特征在于，所述圓錐臺柱體錐度值為1∶10，在該圓錐臺柱面的母線方向刻制有刻度線，每一刻度值對應著不同規格的橡膠圈內徑。定向軸上，并用壓緊螺母壓緊。將工具安裝于零件的深孔腔內，尾部用墊片和端面螺母進行固定拉緊，當基體零件擺放至水平位置時，對矩形長槽口進行直線度測量，通過調整工裝，保證水平精度，通過鉆模板上面的鉆套作為引導，利用搖臂鉆床加工零件的半圓鍵槽。既滿足總體裝配的位置精度要求，又滿足各自零件半圓鍵槽位置精度要求的目的。

橡膠圈內徑所允許的最大值d1=D1-h1/10，橡膠圈內徑所允許的最小值d2=D1-h2/10，且有h2-h1=10（D1-d2-D1+d1）=10（d1-d2）=10Δd（10倍公差帶）。其中，D1為錐臺柱體底部直徑，h1為錐臺柱體底部到橡膠圈內徑所允許的最大值之間的垂直距離，h2為錐臺柱體底部到橡膠圈內徑所允許的最小值之間的垂直距離，Δd為公差帶。

根據通常橡膠圈的規格范圍Φ6～Φ100 mm，本實用新型橡膠圈內徑檢測裝置分段設計了4組錐臺柱體，用于檢測不同直徑規格的橡膠圈（表1）。檢測前，將所需檢驗的橡膠圈內徑所對應的錐臺柱體與底座用螺釘連接，平放在工作臺面上，檢測時，讓橡膠圈從上自然落下，目視橡膠圈卡在錐臺柱體上的刻度值，若在內徑公差上下限之間即為合格，如圖4～圖6所示。

表1 本實用新型橡膠密封圈內徑檢測裝置mm

圖4 通用檢測裝置原理

圖5 通用檢測裝置立體結構

圖6 檢測裝置刻度

檢具的圓錐臺周邊均勻刻上刻度，使錐體部分上顯示密封圈所允許的最大與最小直徑之間相隔較遠，在無外力變形的情況下讓橡膠密封圈自然落進圓錐臺柱體，減少了外力作用下的檢測誤差，套入密封圈后很容易看出其是否符合圖紙要求。一套檢測裝置能滿足多品種密封圈規格的通用，可快速檢測規格多、批量大的多種截面形狀的（矩形、O形、D形）圓橡膠密封圈。檢測方法簡易方便、快速準確，節省了檢測成本。

4 結語

機械行業中的柔性材料墊圈是涉及到密封效果的重要零件，如果存在質量隱患，將會造成重大的安全事故。創新運用TRIZ理論解決矛盾沖突，對柔性材料墊圈的測量檢具進行設計。通過TRIZ理論的物理沖突矛盾，DOE試驗設計層層遞進的分析，進一步得到檢具設計的解題思路，從而得到柔性材料墊圈的通用檢具設計方案，方案完美地解決了柔性材料類墊圈測量時易變形、彈性變形量大、公差不易控制等諸多問題。