基于TRIZ理論的螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于TRIZ理論的螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于TRIZ理論的螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)The Study of Bolted- flange Connecting System Based on TRIZAbstract:Discusses the application status of bolted-flange connecting system.Mainly introduces the technology of TRIZ and the methods to solve the conflict theory.Discusses in detail the solution theor

2、y of bolt flange connection based on TRIZ.Keywords:Bolted-Flange Connecting System;TRIZ;Conflict1 引言 為了便于運(yùn)輸、安裝與檢修, 許多氣缸、壓力容器和壓力管道都必須設(shè)有適當(dāng)數(shù)量的可拆靜密封聯(lián)接結(jié)構(gòu)。目前,應(yīng)用最廣泛的可拆靜密封聯(lián)接結(jié)構(gòu)仍然是各種類(lèi)型的螺栓-法蘭-密封墊片接頭。螺栓法蘭聯(lián)接設(shè)計(jì)必須兼顧墊片、螺栓、法蘭三者的匹配關(guān)系, 合理的法蘭設(shè)計(jì)應(yīng)是: 選擇一個(gè)合適的墊片,配置一組適宜的螺栓, 確定滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的法蘭, 從而獲得一結(jié)構(gòu)緊湊、受力合理、密封可靠的螺栓法蘭聯(lián)接受力體系。但是,不斷提高

3、的環(huán)境保護(hù)意識(shí)和越來(lái)越嚴(yán)格的政府環(huán)保法規(guī)使得減少?gòu)墓I(yè)裝置中泄漏出來(lái)并排放到大氣中的各種有機(jī)氣體成為必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。這種泄漏主要是在設(shè)備和管線上的靜密封接頭處以及壓縮機(jī)、泵、閥中的動(dòng)密封裝置處產(chǎn)生的。這就使得對(duì)螺栓法蘭接頭和密封墊片的研究成為長(zhǎng)盛不衰的研究大課題。TRIZ理論是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問(wèn)題解決系統(tǒng)，是專(zhuān)門(mén)研究創(chuàng)造發(fā)明的理論。技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、39 個(gè)通用工程參數(shù)、40 條發(fā)明原理、39×39 沖突解決矩陣、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問(wèn)題解決算法( ARIZ)及工程知識(shí)效應(yīng)庫(kù)等構(gòu)成了 TRIZ的理論與方法體系。2 螺栓法蘭密封系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前對(duì)螺栓法蘭密封

4、系統(tǒng)主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行了研究: （1）改善密封墊片結(jié)構(gòu)以提高其密封性能。對(duì)墊片的力學(xué)性能和密封性能研究一直是螺栓法蘭接頭研究中的重點(diǎn)，尤其是對(duì)纏繞式密封墊片的研究。 (2) 研究法蘭結(jié)構(gòu)中螺栓-法蘭-密封墊片與所受載荷之間的相互關(guān)系, 以改進(jìn)這種靜密封接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝維護(hù) ,達(dá)到提高螺栓法蘭接頭整體密封性能的目的。人們一直關(guān)注在壓力容器中,為了防止發(fā)生爆裂和泄漏事故 ,在螺栓法蘭接頭中由密封墊片、螺栓和法蘭盤(pán)組成的系統(tǒng)中的預(yù)緊載荷、壓力載荷、熱載荷以及某些零部件的幾何不對(duì)稱(chēng)性等之間的相互關(guān)系。 （3）發(fā)展檢測(cè)密封墊片在各種工況下的密封性能或泄漏速率的理論技術(shù)。 3 TRIZ理論的技術(shù)沖

5、突及其解決方法TRIZ理論認(rèn)為 ,解決工程問(wèn)題最有效的途徑是克服沖突 ,技術(shù)沖突在改善技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)的同時(shí)負(fù)面影響了該技術(shù)系統(tǒng)的另一個(gè)參數(shù)。技術(shù)沖突的解決是改進(jìn)一技術(shù)參數(shù)的性能 ,而另一個(gè)技術(shù)參數(shù)的性能得到改進(jìn)或保持不變。運(yùn)用技術(shù)沖突解決問(wèn)題是以 39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)、40個(gè)啟發(fā)式原理及沖突矩陣為基礎(chǔ)。方法步驟如下：（1） 對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行功能分析 ,用技術(shù)特性描述子功能 ,若存在技術(shù)沖突 , 提出改進(jìn)的技術(shù)特性和惡化的技術(shù)特性 ,將改進(jìn)和惡化的技術(shù)特性泛化為 39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)其中的 2個(gè) 。 （2） 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù) ,應(yīng)用沖突矩陣尋找解決問(wèn)題的1 6個(gè)啟發(fā)式原理 。每一啟發(fā)式原理由原理的

6、應(yīng)用形式、若干個(gè)應(yīng)用實(shí)例、實(shí)例圖和實(shí)例說(shuō)明組成。（3） 將要解決的工程問(wèn)題與指定的幾個(gè)啟發(fā)式原理進(jìn)行對(duì)比分析 ,經(jīng)評(píng)價(jià)后,應(yīng)用相似原理可得到解決該問(wèn)題的創(chuàng)新解 ,技術(shù)沖突的解決過(guò)程如圖3-1所示。 圖3-1 解決技術(shù)沖突的過(guò)程流程圖4 螺栓法蘭聯(lián)接的解決方案對(duì)于大型螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)來(lái)說(shuō) ,在高溫高壓的工作條件下,要求各個(gè)氣缸間用法蘭連接的接合處具有高度的密封性能。目前通常采用折衷法解決問(wèn)題 ,即改進(jìn)了主要性能 ,而忽略了另一性能。對(duì)于該問(wèn)題,通常采用對(duì)稱(chēng)的法蘭結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。為了保證密封性,必須增加螺栓的數(shù)量,要想降低質(zhì)量減少螺栓數(shù)量 ,密封性又無(wú)法保證,即這一矛盾 (沖突)無(wú)法解決,不能

7、實(shí)現(xiàn)雙贏。圖4-1 傳統(tǒng)對(duì)稱(chēng)法蘭結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)使用TRIZ 理論解決這一問(wèn)題。該問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是既要密封性能好(大量螺栓 )又要質(zhì)量輕維修方便 (少量螺栓)。 在進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上 ,判別沖突的類(lèi)型(沖突有技術(shù)沖突和物理沖 突 ) ,若子系統(tǒng)法蘭結(jié)構(gòu)保持不變 ,要保持良好的密封性 ,需要較多螺栓的數(shù)目 ;為了維修方便 ,減輕質(zhì)量 ,使用較少螺栓 ,但法蘭結(jié)構(gòu)不變 ,則密封性能下降 。顯然 ,為了可靠的密封性和維修方便 , 子系統(tǒng)法蘭和螺栓之間存在沖突 ,屬于技術(shù)沖突。39個(gè)通用工程參數(shù)如表4-1所示,系統(tǒng)欲改善的技術(shù)特性是維修方便(少量螺栓) , 經(jīng)泛化后的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)是33(操作簡(jiǎn)單性 )；惡化的技

8、術(shù)特性為密封性下降 , 經(jīng)泛化的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)為13(系統(tǒng)的穩(wěn)定性 )和27(系統(tǒng)的可靠性) 。序號(hào)名稱(chēng)序號(hào)名稱(chēng)1運(yùn)動(dòng)物體的重量21功率2靜止物體的重量22能量損失3運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度23物質(zhì)損失4靜止物體的長(zhǎng)度24信息損失5運(yùn)動(dòng)物體的面積25時(shí)間損失6靜止物體的面積26物質(zhì)或事物的數(shù)量7運(yùn)動(dòng)物體的體積27可靠性8靜止物體的體積28測(cè)試精度9速度29制造精度10力30物體外部有害因素作用的敏感性11應(yīng)力或壓力31物體產(chǎn)生的有害因素12形狀32可制造性13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性33可操作性14強(qiáng)度34可維修性15運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間35適應(yīng)性及多用性16靜止物體作用時(shí)間36裝置的復(fù)雜性17溫度37監(jiān)控與測(cè)試的困難程

9、度18光照度38自動(dòng)化程度19運(yùn)動(dòng)物體的能量39生產(chǎn)率20靜止物體的能量表4-1 39個(gè)通用工程參數(shù)表 則構(gòu)成2個(gè)技術(shù)沖突33-13, 33-27, 解決該問(wèn)題可以沿著原理17、20、 32、35、27、40思路考慮解決 。受原理 17和 20的啟發(fā)：原理 17 (維度變化 )：將一維物體變化為二維或三維物體,將物體傾斜或側(cè)向放置 ,可能解決的思路是將一個(gè)半法蘭盤(pán)結(jié)合面相對(duì)另一個(gè)半法蘭盤(pán)傾斜一定角度放置。原理 20 (可撓性膜片或薄膜 ,柔性物質(zhì)或結(jié)構(gòu))：使用可撓性膜片或薄膜替代原有的結(jié)構(gòu) ,使用可撓性膜片或薄膜將物體與環(huán)境隔離 ,由這一原理啟迪 ,可能解決的思路是將一個(gè)半法蘭盤(pán)用彈性材料制作

10、,在力的作用下可產(chǎn)生彈性變形。綜合這兩種解決問(wèn)題的思路 ,將法蘭盤(pán)結(jié)合面相對(duì)傾斜一個(gè)角度 ,用數(shù)量較少的螺栓聯(lián)接 ,在力作用下 ,其中一個(gè)半法蘭盤(pán)產(chǎn)生彈性變形并被壓平 (另一個(gè)半法蘭盤(pán)較厚 ,視為剛體 ) ,從而也保證了密封性。可設(shè)計(jì)出新穎的螺栓法蘭聯(lián)接裝置如圖4-2所示。圖4-2 螺栓法蘭聯(lián)接新方案5 結(jié)論與展望本文針對(duì)螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 ,以及遇到的既要求密封性能好又要求質(zhì)量輕維修方便，依據(jù)TRIZ理論解決技術(shù)沖突的方法 , 給出了螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方案。TRIZ理論將創(chuàng)新思想進(jìn)行了科學(xué)化的整理與提煉 , 是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效開(kāi)發(fā)工具 。利用 TRIZ理論可以大大縮短新產(chǎn)品設(shè)

11、計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間，全面地解決矛盾和問(wèn)題 。但并不意味著有了TRIZ理論就有了一把萬(wàn)能的鑰匙。應(yīng)用 TRIZ理論時(shí) , 應(yīng)根據(jù)具體的問(wèn)題進(jìn)行具體研究和分析 , 在TRIZ理論給出的一般解的基礎(chǔ)上 , 利用特定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)去發(fā)掘需要的解決方案。6 致謝 在此，我想由衷的感謝老師這學(xué)期的教學(xué)指導(dǎo)。課堂上，老師通過(guò)很多實(shí)際案例，教授了我們很多關(guān)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的知識(shí)，帶我入門(mén)Fluent流體仿真和MATLAB 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并讓我們懂得怎樣把理論知識(shí)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題中去。同時(shí)，我也從老師身上學(xué)到很多為人處世的道理。 參考文獻(xiàn)1 潘仁度.從分子密封學(xué)角度分析法蘭-墊片系統(tǒng)的密封及其改進(jìn) J .潤(rùn)滑與密封,2004(2):104.2陳慶 ,由立臣,趙明炬. 法蘭連接系統(tǒng)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究J .潤(rùn)滑與密封, 2004 (2):40-41.Chen Qing, You Lichen, Zhao Ming ju. Theory Analysis and Test Study on Bolted- flange Connectin