基于TRIZ的水冷系统三通阀设计.pdf

研 里 发 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 4 基于 T R I Z的水冷系统三通阀设计 杨剑伟 ，陈文戈 ，周金平 ，文玉良 1 ． 广东工业大学机电工程学院／ ／ 广东省计算机集成制造重点实验室， 广东广州 5 1 0 0 0 6 ； 2 ． 广州高澜节能技术股份有限公司， 广东广州 5 1 0 6 6 3 摘 要 针对 目前 水冷系统三通 阀泄漏 的问题 ，应用创新方法 T R I Z对其 系统进行原 理分析和因果分析 ，找到 系统存 在的技 术冲 突矛盾，对系统自身的资源、结构进行挖掘，最后依据矛盾矩阵对应的发明原理提出了针对三通阀泄漏问题的解决方案。在问 题解决的过程中， 探索使用T R I Z 方法解决创新问题的途径。 关键词 三通 阀；T R I Z；创新设计 中图分类号T H1 2 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 5O 90 0 1 4 0 4 W a t e r Co o l i n g S y s t e m W i t h Th r e e - W a y Va l v e I n n o v a t i o n De s i g n Ba s e d o n TRI Z YANG J i a n - w e i ，C HE N We n - g e ，Z HOU J i n p i n g ， WEN Yu l i a n g 1 ． G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，S c h o o l o f E l e c t r o me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，K e y L a b o r a t o r y o f c o m p u t e r i n t e g r a t e d ma n u f a c t u r i n g o f Gu a n g d o n g P r o v i n c i a l ， Gu a n g z h o u 5 l 0 0 0 6 ， Ch i n a ； 2 ． G u a n g z h o u Go a l a n d En e r g y C o n s e r v a t i o n T e c h ． C o ． ，L t d ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 6 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r e s e n t p r o b l e m t h a t t h e c o o l i n g s y s t e m o f t h r e e wa y v a l v e l e a k a g e， T h e i n n o v a t i o n o f T RI Z i s a p p l i e d t o p r i n c i p l e a n a l y s i s a n d c a u s al a n a l y s i s t h a t j u s t t o fi n d t e c h n i c al c o n fl i c t s y s t e m a n d w e c a n mi n i n g i t s s t r u c t u r e a n d r e s o u r c e s t o s o l u t e t h e p r o b l e m o f l e a k a g e o f t h e t h r e e -wa y v a l v e a c c o r d i n g t o t h e c r e a t i v e i n v e n t i o n i “ p r i n c i p l e c o n t r a d i c t i o n ma t r i x ．I n t h e p r o c e s s o f t h e p r o b l e m s o l v i n g， t h e p r o c e s s a n d me t ho d o f T RI Z i s e x p l o r e d ． Ke y wo r d s t h e t h r e e wa y v a l v e； T RI Z； i n n o v a t i o n d e s i g n 0引言 三通 阀在液压 系统 、水 冷系统 中普 遍使用 ， 使用过程 中经常出现泄漏 的故障 ，给设计 、使用 人员带来很大的麻烦。针对这些问题杜培德、徐 崇华等人提 出了一些解决方案n ，一般的解决方 案没有一套科学规范的流程， 效率不高， 还需要花 费设计人员大量的人力脑力 。T R I Z 解决问题是通 过系统化地应用已有知识， 在解决设计冲突的过程 中逐步获得创新解 ，本文就是基于T R I Z 新方法 中的因果分析、技术矛盾等原理对三通阀进行创新 设计，保证其在不泄露的情况下实现应有的功能。 1 T R I Z的简介及解决问题过程 1 ． 1 T R 亿简介 T R I Z理论是前 苏联 G ． S ． A h s h u l e r 及一批研究 人员 ，自1 9 4 6 年开始 ，花费 1 5 0 0 人年的时间，在 分析研究世界各国2 5 0 万件专利的基础上所提出的 发 明问题解决理论 ，其解决过程是一个系统化 的、能方便应用 已有知识 的过程 。T R I Z 理论研究 人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的 科 学原理和法则 ，并将这些原理和法则用于解决 实际设计工作中所遇到的新问题 ～ 1 。经过 6 0 多年 来 的发展 ，T R I Z 理论被得到了学术界 的认可 ，成 功的解决了产品开发 、维护过程 中的技术难题。 1 ． 2 T RI Z理论解决问题的一般流程 T R I Z 理论解决 问题 的一般流程一般有四个步 骤如图 1 嘲 。 1 描述问题 分析是 T R I Z的工具之一 ，是解决问题的一个 广东省数控一代机械产品创新应用示范工程专项资金项 目 编号2 0 1 3 B 0 1 1 3 0 4 0 0 6 收 稿 日 期 2 0 1 5 0 3 0 9 一 1 1 4【 l 1 1 杨剑伟 等基于T R I Z 的水冷系统三通阀 设计 研赛与 重要阶段 ；理 想 解 是 物 体 自 我 实 现 功 能 、 自 我 完 善 的 解 ，设 计 过 程 中从 一 起 点 向 理 想 解 过 渡 的 过 程 称 为 理 想 化 过 程 ；可 用 资源分析是要 确 定 可 用 物 资 、能源 、信 息 、 功 能 等 ； 冲 突 区域 的确 定 是 要 理解 出 现冲突的原因。 2 冲突 冲 突 理 论 图1 T R I z 解决问题的一般流程 是 A h s h u l l e r发 明 的 工 具 之 一 。应用这种工具 ，可使设计人员对 任何给定的 冲突找 出多个解 。冲突是通 过冲突参数体现 的 ， 冲突矩阵的行和列分别是在大量专利分析基础上 总结出来 的 3 9个通用技术参数 ，用这 3 9个通用 技 术参 数 中的两个 分别表 示 冲突体 中 的两个 方 面 ，也就是使系统性能改善的参数和导致 系统性 能恶化的参数 。 3 原理 经典 T R I Z包含有 4 0 个发 明原 理 ，是解决 冲 突的主要工具和方法 ，在 3 9 个参数矩阵中，两个 技术参数所在行列的交叉点就对应着实践证明最 为有效的创新原理 ，基于这些创新原理 的启发我 们就可以寻求具体解决的方案 1 。 4 评价厂 评价将所求出的解决方案在经 l振 动 } 济、 可行性等方面进行评估， 与理 I 苎 l 想解进行比较 ，观察所做 的改进是 否满足要求 ，是否得到了创新。 2应用 实例 2 ． 1描述 问题 2 ． 1 ． 1 功能及理想解分析 三通阀应用于组件的连接 ，要 求在压力的作用下具有良好的密封性和可靠性， 其 内部密封是依靠 阀芯和阀体之间的加工精度实 现配合密封 ，以及在 阀芯 的密封槽上装上 0型密 封圈 ，在装配时压缩弹性变形从而实现 自密封连 接的效果。其要求能够适应高低温度的环境，保 证稳定密封的性能。实物如 图2 所示 。 与开发 通过对三通 阀因果分析可 以发现造成渗漏 的 主要原因是阀芯密封面积不足 ，机体装配不精 确，密封面压紧力不足，密封面硬度过度，机体 振动等原因。 2 ． 2 TR I Z 解决矛盾问题 1 技术矛盾 1 。根据 因果分析 ，阀芯密封 不足 的原因是密封面积不足。如果我们直接增加 密封面积，将导致零件尺寸增加从而导致重量增 加 。技术 矛盾 1 改善 的参数 静止物体 的面积 ， 恶化的参数 静止物体 的重量。 从冲突矩阵表可知有四种原理，如表 1 。 表 1 原理 1 原理 原理解析 3 0 柔性壳体或 a ．利用软 壳和 薄膜代替一般的结构； 薄膜原理 b ．用软壳和薄膜使物体同 外部介质隔 离。 z 抽取原理 从物 的 部分或属性 a．将直线、 平面变成弯曲的形状， 将立方体变 1 4 曲 面化原理 成椭圆 体；b ． 使用滚筒及球状、 螺旋状的物体； c ． 改直 线运动为回 转运动， 使用离心力。 - s 机械振动原理 ．利 譬 备选方案 1 通 过技术矛盾的 1 4曲面化创新 原理给我们 的提示是采用锯齿形 内表面 的阀芯 ， 通过阀芯与阀体挤压下产生塑性变形，使两者贴 合面紧密贴合 ，如图4 中红色椭圆圈所示。直接 优点 增加密封部位的接触面积 ；间接优点 通 过旋进的方式装配，降低装配的难度。 图4锯齿形接触面 备选方案2 从3 0 柔性壳体或薄膜原理的提 示在里面增加一个柔性垫圈 ，增加其密封性。优 点是增强其密封性 ，缺点是填加系统组件 ，增加 系统的复杂性 。 2 技术矛盾 2 。根据 因果分析 ，产生密封 面积不足的原 因是密封面压紧力不足 ，除 了通过 改换弹性好的密封圈以外还可以增加密封圈的长 度 ，显然会增加其摩擦力 ，增加其装 配的难 度 ， 技术矛盾 2 改善物质 的量 ，恶化 的参 数 操作 流程的方便性。 从冲突矩阵表可知有 四种原理 ，如表 2 。 表 2 原理 2 原理 原理解析 3 5 变化物理或化学状态 a ． 改变 物体或系统中 的性质， 以产生系统 好处。 2 9 运 用气压或水力， a ． 使用 气体或液压取代系统的元件或功能。 1 0 预先动作原理， a ． 在事 件发生之前， 预先行动。 2 5 理。 功能 脏 要功能或操 执行相关的 备选方案 3 根据 自助原理提示 ，要加强密 封面压紧力不足可以采用弹簧，所以在螺盖内增 加弹簧如图 5 弹簧挡板 。优点是增 大密封面压紧 力 ，更好实现密封效果 ，缺点是增加制造的难度。 图5弹簧挡板 3 技术 矛盾 3 。根据 因果分析 ，产 生密封 面压 紧力不 足的原 因是硬度 过度 。通 过改 变材 料、热处理等措施可以降低硬度，但会造成整个 管子 的加 工难 度增加 ，技术矛盾 3 改善 的参数 强度 ，恶化 的参数 可制造性。 从冲突矩阵表可知有四种原理 ，如表 3 。 备选方 案 4 通过查找创新原理 ，选择适用 于本项 目的3 号原理局部质量原理 。让物体的 不同部分各具不 同功能 ，可采用局部更换材料的 方法 ，把接触部分的局部更换成耐压 、耐磨的工 杨剑 伟 等 基寸T R I Z的水冷 系统三通阀设计 研究与 表 3 原 理3 原理 原理解析 1 1 预先防范原理 3 局部改变原理 1 O 预先作用原理 a ． 通过事先预防对策， 补足物体的低可靠性。 a ． 将物体的 均一构成或 外部环境及作用改为不均 一； b ．让物体的不同部分各具不同功能c 让物体的各 部分处于各自 动作最佳状态。 a ． 预置必要的动作、机能； b ．在适当时机、 方便 的 位置加 入所需动 作、 机能。 a _ 改变物体的 及周围的颜色； b ． 改变难以 看清物 3 2 改变 颜色原理体或过程的透明度， 在难以看清物体或过程中 使用 有色添加剂。 作温度在一 5 5 。 一1 3 5 。 的氢化丁晴橡胶 ，如图6 。 优点增加材料的弹性 ，提高接触面积的密封 性 ；缺点 难加工 、恶化制作性 ；成本提高。 图6 橡胶圈 2 ． 3评价 通过对系统的原理分析和因果分析，找到很 多影响渗漏出现问题的因素。经过仔细的查找和分 析 ，定义 了3 个技术矛盾 ，并分别通过矛盾矩阵和 创新原理找到了4 个备选方案 ，这四个方案在经 济、制造和可行性方面上都能满足要求。评价过程 的 目的是帮助确定哪个备选方案能为所考虑的问题 提供最佳的解决方法， 对备选方案进行评价后，可 得出最佳的综合方案。所以设计结果如图7 3结论 该三通阀经过高低温反复试验发现密封性得 到很好的改善，不会出现泄漏的现象。三通阀作 为连接 、接头各组件的重要零部件 ，在水冷系统 中使用，在液压系统、气压系统等方面都得到了 广泛 的应用 ，然而在广泛应用 中泄漏问题是经常 出现的可靠性问题。目 前在改善三通阀的泄漏问 1 阀 芯2 ． 凹槽3 ． 挡板4 ． 螺盖5 ． 弹簧 图7 三通阀连接剖视图 题 中经常使用加密封圈、换材料等这种常规方法 上 ，本文利用 T R I Z创新方法对水冷系统的三通阀 密封性进行分析，提出多种解决问题的备选方 案 ，最终实现产品更新设计，提高三通阀的可靠 性。由此可以看出T R I Z 创新方法在提高可靠性设 计上可 以得到多种解决问题 的对策 ，不仅满足设 计者功能需求 ，还能根据 自己具体情况选择合适 的备选 方案 。随着创新方法 的更加广泛的应用 ， 可靠性方面也将会得到更大的提高。 参考文献 [ 1 ]杜培德 ，孙守樟 ，杨洪顺． 转化 炉油枪三通 阀的密 封 改造 [ J ]． 青 岛化 工学 院学报 自然科 学版 ， 2 0 0 1 0 2 1 8 6 1 8 8 ． [ 2 ]徐 崇华 ，徐世国，刘松彬． 黄岛电厂 K 一 2 2 5 1 3 0 一I 型机组高加入 口三通阀改造 [ J ]． 山东电力技 术， 2 0 0 6 O 1 5 8 6 0 ，1 6 ． [ 3 ]沈萌红． 创新的方法一T R I Z理论概述 [ M]． 北京北 京大学出版社，2 0 1 1 ． 1 4 j G S A h s h u l l e r ．A n d S u d d e n l y t h e I n v e n t o r A p p e a r e d l M]． T e c h n i c a l I n n o v a t i o n C e n t e r ， I N C ， Wo r c e s t e r ， 1 9 9 6 ． 1 5 』G S A h s h u l l e r ． T h e I n n o v a t i o n A l g o r i t h m [ M]． T e c h n i c a l I n n o v a t i o n C e n t e r ，I NC， W o r c e s t e r ， 1 9 9 9 ． [ 6 ]沈萌红． T R I Z 论及机械创新实践 [ M]． 北京机械 ．x - 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