刘训涛  吴卫东 张岩 王丽

（黑龙江科技学院机械学院 哈尔滨 150080）

摘 要：根据托辊密封的实际，对托辊密封问题进行技术抽象，找出托辊密封的技术矛盾，应用PRO/Innovator建立托辊密封模型，并从时间轴和因果轴对托辊密封问题进行分析，根据TRIZ理论的创新原理及PRO/I相关资源进行方案设计，并建立评价模型对方案进行评价，得到设计报告，进行托辊密封结构的设计。

关键词：TRIZ理论；PRO/Innovator；托辊；密封；磁流体

Abstract: This paper had a technical abstraction for sealing problem of idler basis on the sealing fact of idler , got the technical contradiction of the sealing of idler , built the sealing model of idler by the PRO/innovator, analyzed the sealing from the time axis and Causal axis , got the design Scheme of sealing construction base on the principle of innovation theory of TRIZ and the materials in pro/I , evaluated the design scheme by the expert evaluation model , generated the design report ,designed the sealing construction of idler.

Keywords: theory of TRIZ PRO/ Innovator idler seal  magnetic fluid

0 前言

托辊在带式输送机系统中占有相当重要的地位，是保证输送带垂度不超过限度值、运行平稳的重要部件，托辊沿输送机全长分布，数量很多，它的工作情况好坏直接影响输送机运行^[1]，而托辊的性能又取决于托辊的密封结构^[2]，托辊密封质量直接关系到托辊的旋转阻力、使用寿命、噪声污染和电机的能耗，托辊的密封研究已经成为制约带式输送机发展的一个重要因素，已经成为当前急需解决的问题。

1 TRIZ理论

TRIZ的俄文拼写为теории решения изобрет-ательских задач，俄语缩写“ТРИЗ”，翻译为“发明问题解决理论”，用英语标音可读为Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，缩写为TRIZ。英文翻译为：Theory of Inventive Problem Solving，缩写为TIPS，其意义为发明问题的解决理论。TRIZ理论认为发明问题的基本原理是客观存在的，发明问题具有可预见性。发明问题解决理论的核心是技术进化原理^[3]。其认为技术系统一直处于进化之中，解决矛盾是其进化的推动力。进化速度随技术系统一般矛盾的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次矛盾。Triz理论包括一系列基于各学科基础知识的发明创造模型，如：发明原理（Inventive Principles）、发明问题解决算法（ARIZ，Algorithm for Inventive Problem Solving）及标准解（TRIZ Standard Techniques）等。在利用TRIZ技术系统和最终理想解来解决问题的过程中，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题，然后利用发明原理、标准解等TRIZ中的工具，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解（Analogous solution），最后设计者再把该解转化为该领域的解或特解^[4]。TRIZ理论成功揭示创造发明的内在规律和原理，着力于认定和强调系统中存在的矛盾，而不是逃避矛盾，它的最终目标是完全地解决矛盾，获得最终理想解，而不是折中或妥协，是基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程^[5]。

2 基于PRO/innovator的设计过程

2.1 问题分析

项目描述：因为带式输送机工作在多尘、潮湿的恶劣工况下，为了保证带式输送机在高带速下具有稳定的运行性能，需要增加带式输送机托辊的密封性。问题抽象为：带式输送机托辊的密封性需要提高(如图1所示)。为了提高托辊的密封性，要增加密封圈的接触面积，势必增加托辊的运行阻力。抽象后描述为：动物面积需要增加。由问题分析及抽象后的描述可得到系统的技术矛盾即：当托辊密封性增强（动物面积增加）时托辊运行阻力增加（恶化）。

2.2 问题定义

托辊的阻力主要来源于轴承、润滑脂和密封圈以及各配合部件之间的接触所形成的转动摩擦力^[1]。首先依据TRIZ系统进化理论建立托辊密封模型，分别沿着时间轴和因果轴进行分析，并重点建立密封圈相应的系统、子系统和超系统，模型建完后，各系统会显示在左边的模型树中，同时模型树会给出对应系统在增大密封减小阻力的办法提示（如图2所示）。

图2  托辊密封模型                            图3 数据查找

其次依据模型树中的提示，利用PRO/I的功能查询、结构化查询、关键词查询三大工具，逐一查询PRO/I自身数据库和TRIZ的40个创新原理库，选择可利用的资源，选定资源后，播放预览窗口中相应资源的FLASH动画，深入了解相关资源，并查阅动画预览窗口下的相关创新原理的扩展，依据托辊密封模型实际，选择柔性化原理和相关的实例并将其添加到设计方案中，选定后的资源显示在模型树对应位置处（如图3所示）。

然后应用TRIZ原理，根据抽象的技术矛盾，编辑系统的技术矛盾，从PRO/I提供的39×39矛盾矩阵表中查找标准解，如表一所示，表中第一行第二列为恶化的参数，表中第二行第一列为改善的参数，表中第二行第二列为标准解，可以利用的标准解得到相关的技术方案。对于托辊密封模型的密封性与运行阻力这对技术矛盾，可以得到创新原理19、30、35、2。根据TRIZ创新原理可知，19号创新原理为周期作用的原理，30号创新原理为柔性壳体或薄膜原理，35创新原理为物理或化学参数改变原理，2创新原理为抽取原理，）。我们选择30号创新原理——柔性壳体或薄膜原理；35号创新原理——物理或化学参数改变原理和2号创新原理——抽取原理及实例添加到设计中。

表1 托辊阻力技术矛盾索引表

为了增加设计方案的信息量，利用PRO/I查找欧美、日本的专利库及PRO/I授权的中文专利库进行专利查询，并将查找到的可利用的专利和资料添加到设计中（如图4所示）。

            图4  专利查询                 图5 方案评价

资源收集结束后，依据设计实际建立系统的评价模型，添加合理的评价参数和权重，建立评价专家，逐一对设计资料和方案进行科学评价，为方案设计打下基础（如图5所示）。设计方案完成后生成设计报告如图6所示。

 图6 研究报告生成

 3 托辊密封结构的设计

依据设计报告及相关分析，应用TRIZ理论中的30号原理——柔性壳体或薄膜原理，将迷宫式密封改成非刚性接触。为了减小摩擦力，提高托辊的运动性能，参照钢丝线中不均匀磁场的磁变化的实例，采用磁流体密封。因为矿井的恶劣工作条件，空气中存在着大量的煤尘颗粒，这些煤尘颗粒容易进入密封圈和轴承，使其失效，参照塑料托辊密封装置选用尼龙尘封。磁流体密封托辊的结构如图7所示，磁流体密封托辊由轴承套杯10、前后尼龙尘封4、12、托辊轴1、永磁环7、托辊筒体5组成，为了使磁力线垂直于磁流体8并增加磁场梯度，参照35号创新原理——物理或化学参数改变原理，在磁环两侧增加极性靴，在极性靴上开有尖型槽。永磁环通过极性靴、磁流体、托辊轴组成磁回路，在环形极性靴的内圈和托辊轴外径之间的间隙内注入磁性液体。永磁环产生的磁通，经过其两侧的极性靴形成磁场作用于磁性液体，使磁性液体被牢牢地吸在间隙内，形成一磁性液体“O” 形环，将间隙密封。

磁流体密封托辊密封性能好，磁性液体密封的密封能力不依靠密封圈和托辊轴间的压紧力，密封面之间相对运动时，没有固体间的接触摩擦，故摩擦力极小，仅表现为铁磁流体内部的剪切应力，摩擦功耗、发热问题可以不予考虑，密封寿命长，对托辊轴的跳动、偏心和表面粗糙度等要求都不高，允许有较大的尺寸公差，同时磁流体密封在密封的同时又有润滑作用，不需外润滑，且没有方向性；托辊轴在静止或低速、高速旋转时都具有相同的密封效果，适合高速带式输送机的高速运转工作环境。可以提高带式输送机的运输速度，减小运行阻力。

4 结论

（1）TRIZ的技术进化理论和最终理想解为磁流体密封托辊的设计指明方向，设计过程中首先将托辊密封的物理矛盾转化TRIZ的技术矛盾，并利用发明原理、标准解等TRIZ中的工具，求出托辊密封TRIZ问题的普适解或称模拟解，最后将该解转化为托辊密封设计实际应用特解，TRIZ理论为托辊密封设计提供了新思路，加快了设计的过程；

（2）磁流体密封托辊降低了托辊的运行阻力，增强了托辊的密封性能，降低了带式输送机运行噪声。
   （3）磁流体密封托辊增加了托辊的运行速度，为高速带式输送机的发展提供了托辊的支持，降低了托辊运行的故障率，提高了托辊轴承的使用寿命，值得大力推广。

 参考文献

[1]于学谦.矿山运输机械[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004.

[2]周文生.托辊密封结构的改进[J]. 起重运输机械2O04(6)：46-47.

[3]杨廷双．TRIZ理论入门导读[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,2007.

[4]B.·Д·贝尔多诺索夫．黑龙江省技术创新方法培训教材[M].哈尔滨,2007

[5]檀润华．创新设计—TRIZ：发明问题解决理论[M].北京:机械工业出版社, 2002

[6]Martin G. Moehrle. What is TRIZ? from conceptual basics to a framework for research[J]. creativity and innovation management,vol.14 (3), 2005 , p: 3-13