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)意識和越來越嚴(yán)格的政府環(huán)保法規(guī)使得減少從工業(yè)裝置中泄漏出來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。這就使得對螺栓法蘭接頭和密封墊片的研究成為長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)上的問題解決系統(tǒng)，是專門研究創(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)明問題解決算法( ARIZ)及工程知識效應(yīng)庫等構(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稱性等之間的相互關(guān)系。 （3）發(fā)展檢測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） 對設(shè)計(jì)問題進(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） 通過標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù) ,應(yīng)用沖突矩陣尋找解決問題的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)例說明組成。（3） 將要解決的工程問題與指定的幾個(gè)啟發(fā)式原理進(jìn)行對比分析 ,經(jīng)評價(jià)后,應(yīng)用相似原理可得到解決該問題的創(chuàng)新解 ,技術(shù)沖突的解決過程如圖3-1所示。 圖3-1 解決技術(shù)沖突的過程流程圖4 螺栓法蘭聯(lián)接的解決方案對于大型螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)來說 ,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題 ,即改進(jìn)了主要性能 ,而忽略了另一性能。對于該問題,通常采用對稱的法蘭結(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 ,密封性又無法保證,即這一矛盾 (沖突)無法解決,不能

7、實(shí)現(xiàn)雙贏。圖4-1 傳統(tǒng)對稱法蘭結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)使用TRIZ 理論解決這一問題。該問題的實(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) 。序號名稱序號名稱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)物體的長度23物質(zhì)損失4靜止物體的長度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)半法蘭盤結(jié)合面相對另一個(gè)半法蘭盤傾斜一定角度放置。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。綜合這兩種解決問題的思路 ,將法蘭盤結(jié)合面相對傾斜一個(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)半法蘭盤產(chǎn)生彈性變形并被壓平 (另一個(gè)半法蘭盤較厚 ,視為剛體 ) ,從而也保證了密封性?？稍O(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)開發(fā)的時(shí)間，全面地解決矛盾和問題 。但并不意味著有了TRIZ理論就有了一把萬能的鑰匙。應(yīng)用 TRIZ理論時(shí) , 應(yīng)根據(jù)具體的問題進(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，帶我入門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用于解決實(shí)際工程問題中去。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 .潤滑與密封, 2004 (2):40-41.Chen Qing, You Lichen, Zhao Ming ju. Theory Analysis and Test Study on Bolted- flange Connectin