基于TRIZ和AD方法的密闭阀门性能研究.pdf

文章编号 100225855 2008 0220039204 作者简介杨竹卿1967 - ,男,山西太原人,高级工程师,从事产品开发及工艺工作。 基于TRIZ和AD方法的密闭阀门性能研究 杨竹卿 中北大学 机械工程与自动化学院,山西 太原030051 摘要 以系统的公理化理论为基础,找出密闭阀门密封中存在的问题,并用发明理论使问题 得到解决。 关键词 密闭阀门; TRIZ; AD 中图分类号 TH134 文献标识码 A The perance research of airtight valves based on the of TRIZ and AD YANG Zhu2qing College of Mechanical Engineering and Automation , North University of China , Taiyuan 030051 , China Abstract The article utilize AD theory as a basis to identify confined and TRIZ theory to be resolved. Key words the airtight valves; TRIZ; AD 1 概述 在工程设计中会遇到许多的问题,这些问题可 以划分为大问题和小问题两类。一个产品是一个系 统,它可能包含许多子系统。大问题影响到整个系 统的变化,小问题影响到子系统的变化。据不完全 调查,在工程领域里, 75 的问题属于小问题,这 种问题依靠现代技术能够解决。对于一个企业解决 小问题和使产品保持领先地位都是至关重要的。本 文以用于人防工程通风和排风系统的密闭蝶阀为 例,介绍由系统的公理化理论Axiomatic Design AD 提供找出小问题的方法,由发明理论 俄 文Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch TRIZ提供解决小问题的方法。 2 蝶阀性能 蝶阀具有结构简单、体积小、质量轻、材料耗 用省、安装尺寸小、驱动力矩小、操作简便和执行 迅速等优点,还具有良好的流量调节功能和关闭密 封特性。本文介绍的手动密闭蝶阀如图1所示。 阀门开启时,先松开锁紧装置,蝶板弹起,轴 逆时针转动,同时带动翻板架和蝶板运动,蝶板离 开耐油橡胶密封垫,用扳手旋转到开启最大状态。 阀门关闭时,轴顺时针转动,同时带动翻板架和蝶 板运动,由蝶板压紧耐油橡胶密封圈使其产生变形 达到密封效果,为防止轴倒转,采用了锁紧装置来 保证密封效果的持续。在轴孔前端采用两O形圈 密封。与阀体接合处,采用铅油和石棉板通过螺栓 压紧密封。但在实际生产中,通过水压试验,常常 会在耐油橡胶密封处发生渗透等现象,产品性能不 稳定,达不到技术要求。 3 理论应用 311 AD设计理论 设计人员在设计产品的时候,一般遵循用户需 求、定义为满足这些需求所需要解决的问题、建立 和选择设计方案、分析选择的方案和根据用户需求 检测设计结果等步骤, AD设计过程指导设计者遵 循这些步骤,使用现有的设计工具和软件,高效地 完成创新设计,或者诊断并纠正现存设计中的不 足。 AD设计的基本概念主要是由一些域组成,每 一个域代表着一种设计活动。设计活动可以分成4 个主模型,即客户模型、功能模型、物理模型和工 艺模型。每一个模型相对应的是顾客需求CNs、 功能需求Functional Requirements FRs 、设 计参数Design Parameters DPs 和工艺变量 Process Variables PVs ,对每一对邻近的域来 说,左边的域代表“我们设计什么”,右边的域代 932008年第2期 阀 门 表“我们是如何完成设计的”表 1 。 11 蝶板 21 弹簧 31 阀杆销 41 翻板架 51 轴 61 密封圈 71 阀体 图1 改进前DN400密闭阀门关闭状态 表1 每个域的内容 用户域 用户追求的利益如用户需要通过阀门进行风量调节 功能域 设计方案的功能要求有几种不同的方法来满足这个 要求,如活塞式、 盖板式或旋塞式等 实体域 设计方案的设计参数确定流量、 抗冲击性、 密封性和 开启关闭的时间等 工艺域 工艺变量确定阀门的工艺变量,如阀门的通径及材料 的选用等 在AD设计中,与域的定义相关的概念有功能 要求、约束、设计参数和工艺变量等表 2 。 表2 与域的定义相关的概念 功能要求 在功能域中完全能够表征设计方案功能需求的最 少的、 独立的要求集 约束约束Constraints ,Cs是可接受设计方案的边界 设计参数 在实体域中被选择来满足所要求的功能要求的设 计方案的元素 工艺变量工艺域中用来表征满足特定设计参数的工艺元素 一个域中的决策被映射到左侧的域中。以用户 域中调节风量需求被映射到功能域中的盖板式,然 后,这个功能要求在实体域中被概念化为蝶阀。这 个过程表明了左侧域中的“什么what”是如何 被映射到右侧域中的“如何how”,调节风量 “什么”映射为盖板式“如何” , 盖板式“什 么”映射为蝶阀“如何” , 蝶阀“什么”映 射为制造工艺“如何”。这个映射可以用设计矩 阵表示。设计矩阵可以表示FRs和DPs、DPs和 PVs之间的关系。 {FRs}[A] {DPs}1 式中[A]是产品设计特征的设计矩阵,方程 为产品设计的设计方程,设计矩阵[A]为即功 能需求的数与参数需求的数相同 [A] A11A12A13 A21A22A23 A31A32A33 2 设计矩阵包含关于设计的大量信息,是公理化 设计应用的核心。 在设计过程中,设计目标经常要受到约束的限 制,约束提供了可接受设计方法的边界,功能需求 的差异会导致它们不一定独立。约束可分成几种类 型。① 关键临界性能指标,约束提供了对象最高层 次的特性或改变量。② 约束分界,系统必须接受的 输入或输出约束。③ 全局对象约束,具有潜在的约 束,在设计过程中影响所有设计参数或某些摩擦 力。④ 项目约束,允许设计或重新设计在资源开 发中的约束。⑤ 特性约束,在系统中指定选择明确 参数的约束。 约束对设计目标有着不同的影响,一些如全局 和项目约束,潜在地影响着整个设计和每一个DPs 的选择,而关键和边界约束仅仅影响下一层次的 DPs AD设计的第二个主要概念是层级,它代表了 设计的结构体系。在最高层的开始阶段,设计者通 过将最高层FRs分解为低一层的FRs来选择具体 的设计。在最高层的DPs确定之后这个步骤完成。 这种分解过程将继续进行,直到最终的设计方案能 够被执行。在这个分解过程中,设计者建立了 FRs、DPs和PVs的层级结构。 公理化设计的第三个概念是曲折映射,它用来 描述相邻域之间将设计分解为层级结构的映射过 程。如果我们选择不同的DP ,那么低一层的FRs 将完全不同。因此,设计者应遵循在“什么”和 “如何”域之间进行曲折映射向低一层分解的过程。 如果我们选择不同的DP ,那么低一层的FRs将完 全不同。因此,设计者应遵循在”什么”和”如 何”域之间进行曲折映射向低一层分解的过程。 两个设计公理为独立性公理和信息公理。 独立性公理是保持FRs的独立性。在一个可 接受的设计中, DPs和FRs之间的关系如下。具体 的DP可以调整来满足与其相对应的FR ,而没有 影响其他的FRs。不能满足独立性公理的设计是 04 阀 门 2008年第2期 耦合的设计,满足独立性公理的设计成为非耦合或 准耦合的设计。这两者之间的不同之处是,在非耦 合设计中, DP是完全独立的。而在准耦合设计中, 至少有一个DP影响了两个或更多的FRs。所以, 在准耦合设计中DPs顺序调整是非常重要的。 从矩阵角度分析,当设计矩阵是对角阵或是上 下三角阵也满足独立性公理,前者为uncoupled 设计,后者为decoupled设计,任何其他形式的设 计矩称为full矩阵,结果是coupled设计。 信息公理是在有多个方案可供选择的设计中, 在满足独立性公理的前提下,最好的设计方案是信 息量最小的方案,它表示设计成功的概率最大。 312 TRIZ理论 TRIZ理论提出,创新设计的核心是在概念设 计阶段产生新的有市场竞争力的概念或工作原理, “冲突”普遍存在于各种产品的设计之中。技术冲 突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果,也 可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或 几个子系统或系统变坏。技术冲突常表现为一个系 统中两个子系统之间的冲突。物理冲突是对于一个 给定的子系统应该有适合A来执行必需的功能, 非A或反A满足问题的冲突,物理冲突隐含着对 同样的技术系统和工艺过程中物理状态前后相矛盾 的需求。 解决物理冲突使用空间分离、时间分离、有条 件分离和整体及部分分离原理。在设计过程中,技 术冲突是主要的冲突。TRIZ理论提出用39个通 用工程参数描述技术冲突,用40条发明原理解决 冲突。 313 AD设计和TRIZ的结合 AD设计过程中,有两种情况下的小问题可能 找到,一种是从约束,另一种是从耦合设计。一些 约束能够充当过滤器,允许DP参数重新选择或必 要时放弃。在这个例子中, DP不满足Cs约束,有 小问题存在。同样,一些约束也能够充当子功能需 求的来源。在这个例子里,每一个约束都能够同一 些下一级功能需求直接相关。然后FRs同一些下 一级的DPs相联系,即约束能够在设计矩阵中表 现。根据独立性公理,如果设计矩阵不是对角阵或 三角阵,那么这个设计是全矩阵,是耦合设计,这 就会存在小问题。然后通过AD设计找到小问题, 然后转化为TRIZ理论中的冲突。如果是物理冲 突,使用四个分离原理解决。如果是技术冲突,采 用40个发明原理解决图 2 。 图2 AD设计和TRIZ结合流程 4 应用 411 找出小问题 采用AD设计模块,密闭阀门功能需求见表 3。 表3 功能需求 FR密闭阀DP风量 FR1阀门运动DP1运动轨迹 FR2阀门密封DP2压强 FR3阀门运动控制DP3能量 约束≤ 保持600s以上,平均漏气量进口侧为01360m3/ h ,出 口侧为01055m3 / h 。 FR1 FR2 FR3 100 110 111 DP1 DP2 DP3 3 设计矩阵是下三角阵,满足独立性原理。压强 作为子系统的整体约束,与密封有直接的关系,产 品由于不能满足密封性能,所以存在小问题。密封 性能的提高会满足使用要求,增加竞争力和市场份 额。但密封性能的改变会直接影响到每一个DP。 412 解决问题 1问题描述 手动密闭阀门密封主要是靠耐 油橡胶圈受力产生弹性变形实现密封,耐油橡胶是 直接硫化成橡胶圈粘接在阀体上,粘接时须清除阀 体与耐油橡胶圈结合面上的污物等。粘接时,橡胶 圈的摆放位置需多次调整,调整时可能会导致某处 粘接效果差,对批量生产来说,难度会更大,费时 且不易保证质量。由于橡胶圈呈柔性,粘接的圆度 会产生误差,使蝶板在翻转时与突出内孔的橡胶圈 142008年第2期 阀 门 产生干涉,有时会将橡胶圈粘接处损坏,导致泄漏 发生。耐油橡胶圈与阀体的结合面应尽可能大,使 橡胶圈粘接后的状态不易改变,不会产生歪斜,否 则,会对密封性能产生影响。耐油橡胶圈与蝶板的 压紧面如为线接触,则密封效果更好。橡胶圈压紧 后的变形会影响密封性。从压紧力分析,几何尺寸 如轴相对阀体中心的偏心距、翻板架销孔与轴孔的 中心距、蝶板销孔与蝶板与密封结合面之间距离以 及这些尺寸的加工误差都会影响到压紧力。同时锁 紧机构的锁紧力也会影响到压紧力。但压紧力也不 宜过大,否则会影响材料的使用寿命。 2问题处理 运用TRIZ理论中的预先作 用、增加不对称性、物理或化学参数变化、中介 物、反向作用、抽取和合并原理,经过综合分析, 将耐油密封橡胶圈硫化在蝶板上,同时调整轴相对 阀体的偏心距和翻板架轴孔与圆柱销孔的距离,提 高了阀门的密封性能。经检测,在规定的条件下, 蝶板进口侧平均漏气量为01009m3/ h ,出口侧平均 漏气量为010002m3/ h ,其要求标准为平均漏气量 为01360m3/ h ,出口侧平均漏气量为01055m3/ h , 所以密封性能完全满足使用要求。 5 结论 提高阀门的密封性可减少能量损耗,避免事故 的发生。本文中采用的设计方法可以提高阀门的设 计水平,首先用AD理论找出小问题,将小问题转 化成TRIZ理论中的冲突,用冲突矩阵中推荐的 TRIZ原理或4个分离原理获得解决问题的指导方 法。根据这些方法,设计者可进行阀门的详细结构 设计。 参考文献 〔1〕 李春,马玉山.蝶阀参数化建模的理论及应用 〔J〕.机械制 造, 2007 , 7 . 〔2〕 吴健.三偏心蝶阀的结构分析与动力学的研究 〔D〕.兰州 甘肃工业大学, 2003. 〔3〕 Tan Runhua. CASE STUDY IN AD AND TRIZ A PAPER MACHINE〔DB/ OL〕.http / / www.triz - , 2004. 〔4〕 Tate Derrick , 1999 , A Roadmap for Decomposition Activi2 ties , Theories , and Toolsfor System Design.Ph. D.Thesis , Department of mechanical Engineering , MIT. 〔5〕 Domb Ellen.The 39 Features of Alsuuller’s Contradictiong Matrix〔DB/ OL〕.http / / www.triz- , 1998. 收稿日期 20071111 15 欢迎订阅阀门杂志 阀门杂志1972年创刊,国内外公开发行。国内刊号为 CN 21 - 1131/ TH ,国际刊号为 ISSN 1002 - 5855 ,国内邮发代号为 8 - 80 ,国外邮发代号为 BM 1685。 阀门杂志是我国阀门行业唯一一份公开发行的技术期刊,面向石油、化工、电站、矿山、煤气及 热力管网、给排水管网和冶金等与阀门有关的行业。 阀门杂志是从事阀门技术工作人员的良师益友,发布技术论文的园地,交流技术和信息的窗口, 沟通产销渠道和开拓市场的桥梁。 阀门杂志主要栏目有设计计算、试验研究、制造工艺、综述、专利技术、计算机应用、经验交流、 国内外信息和标准等。 阀门杂志欢迎广大科技人员、高校师生及有关工作人员撰写具有实用性和先进性的科技论文。在 本刊发表论文不收发表费。 阀门杂志为双月刊,每逢双月25日出版,欢迎广大读者朋友订阅。 如果您错过了订阅时间,请随时汇款到我社订阅。每期定价10100元,全年60100元含邮资。 地址辽宁省沈阳市沈阳经济技术开发区开发大路15号 阀门杂志社 邮编 110142 收款人李春华 电话 024 25653780、89303327 传真 25653780 欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊登广告 24 阀 门 2008年第2期