基于TRIZ理論的防松型鋼絲螺套設(shè)計(jì)*

劉遠(yuǎn)祥，李正峰，崔萬新

（1. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院,無錫 214153；2.無錫市務(wù)達(dá)五金制品有限公司,無錫 214174）

鋼絲螺套是一種由截面為菱形的不銹鋼絲加工而成的彈簧狀內(nèi)外螺紋同心體，是一種新型的螺紋緊固件，其外圈可作為外螺紋旋入基體的內(nèi)螺紋內(nèi)，由其內(nèi)圈代替基體的內(nèi)螺紋。鋼絲螺套一般嵌入鋁、鎂合金、鑄鐵、玻璃鋼、塑料等低強(qiáng)度的工程材料中，形成具有高連接強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋。另外鋼絲螺套還可用于修復(fù)失效的內(nèi)螺紋，實(shí)現(xiàn)基體零部件的再利用。目前，鋼絲螺套技術(shù)已廣泛用于航空航天、汽車制造、兵器、電器、儀表等多個行業(yè)中[1-2]。

目前，鋼絲螺套分為普通型和鎖緊型兩種。普通型鋼絲螺套鎖緊性能差，如圖1（a）所示，不適合用于振動場合。為解決這一問題，將普通型鋼絲螺套中間部位的若干圈圓形螺絲制成六邊形鎖緊圈，稱為鎖緊型鋼絲螺套，如圖1（b）所示。當(dāng)螺栓擰入鎖緊型鋼絲螺套螺孔一半時(shí)，螺栓頭部碰上鎖緊圈，這時(shí)需用工具加力擰入，螺栓漲開了鋼絲螺套的六邊形鎖緊圈。反過來，六邊形鎖緊圈卡住了螺栓的中徑部位，徑向夾持力起到了鎖緊作用，在振動狀態(tài)下螺栓不會松動。但是，這種鎖緊型鋼絲螺套加工工藝復(fù)雜、成本高，使用中還會出現(xiàn)如下問題：（1）螺栓旋入六邊形鎖緊圈時(shí)，受到徑向夾持力的作用，如變形控制不合適，螺套會隨螺栓一起旋轉(zhuǎn)；（2）螺栓旋出時(shí)，同樣由于受到鎖緊圈的夾持，有時(shí)鋼絲螺套會隨螺栓一起旋出[1]。鎖緊型鋼絲螺套由于存在制造和使用方面的問題，大大限制了其應(yīng)用范圍。

圖1 鋼絲螺套Fig.1 Helicoil screw insert

針對這一問題，本文應(yīng)用TRIZ理論設(shè)計(jì)了一種具有防松功能的鋼絲螺套，將其稱為防松型鋼絲螺套。

1 防松型鋼絲螺套的發(fā)明原理

1.1 TRIZ主要理論與方法

TRIZ一詞是俄文首字母的縮寫，中文翻譯為“發(fā)明問題解決理論”（Theory of Inventive Problem Solving，TIPS)。前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S Altshuller）及其團(tuán)隊(duì)對全世界幾百萬件的發(fā)明專利進(jìn)行了分析、歸納和提煉，并結(jié)合多學(xué)科的基本原理和技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有成果創(chuàng)建了TRIZ理論，正逐漸被世界上越來越多國家的技術(shù)人員所接納、學(xué)習(xí)和采用，是一套可利用通用的規(guī)則和流程來針對不同領(lǐng)域問題進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的理論和方法[3]。TRIZ理論主要包括9大部分，特別是由39個通用工程參數(shù)和40條發(fā)明原理組成的沖突解決矩陣是解決技術(shù)沖突的有效工具，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明問題解決模型如圖2所示。首先選擇特定的技術(shù)問題，然后利用39個通用工程參數(shù)將其抽象為一般問題,并描述技術(shù)沖突，通過沖突解決矩陣表給出的若干個發(fā)明原理，篩選出針對性強(qiáng)的發(fā)明原理,得到一般解；最后設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程原理和自己的經(jīng)驗(yàn)及靈感提出具體的工程解決方案[4-5]。

1.2 鋼絲螺套技術(shù)沖突分析

TRIZ理論認(rèn)為，當(dāng)產(chǎn)品的某一個特性或參數(shù)得到改善的同時(shí)，會導(dǎo)致另一個特性或參數(shù)發(fā)生惡化，從而產(chǎn)生技術(shù)沖突。在沖突解決矩陣中，將39個通用工程參數(shù)與40條創(chuàng)新原理建立對應(yīng)關(guān)系，矩陣的首行和首列都是按序號排列的 39 個通用工程參數(shù)，其中列代表改善的工程參數(shù)，行代表惡化的工程參數(shù)，在沖突解決矩陣中行列交叉位置的數(shù)字為解決該技術(shù)沖突所推薦的創(chuàng)新原理序號[3]。

圖2 發(fā)明問題解決模型Fig.2 Model of problem-solving in invention

經(jīng)過分析，找出鋼絲螺套希望改進(jìn)的參數(shù)“物體穩(wěn)定性（防松性能）”和產(chǎn)生負(fù)面影響的參數(shù)“力（導(dǎo)致松動的動載荷）”、“形狀（不能防松的對稱三角螺紋牙型）”。根據(jù)沖突解決矩陣，構(gòu)建的鋼絲螺套技術(shù)沖突矩陣分析如表1所示。

表1 鋼絲螺套技術(shù)沖突矩陣分析表

并不是表1給出的所有發(fā)明原理都能用于解決本文問題，經(jīng)過分析，認(rèn)為不對稱原理（4）、預(yù)先作用原理（10）對解決本文問題有幫助。不對稱原理提出“將物體的形狀由對稱變?yōu)椴粚ΨQ”；預(yù)先作用原理則可通過“預(yù)先對物體（全部或部分）施加必要的改變”[6]來解決原有的不足，達(dá)到期望的性能改善。在創(chuàng)新原理的啟發(fā)下，本文通過改變鋼絲螺套的截面形狀來達(dá)到防松目的。

2 防松型鋼絲螺套的防松原理

在螺紋連接中，當(dāng)有橫向動載荷（振動、沖擊和變載荷）作用于螺母上時(shí)，會造成螺紋副的摩擦阻力急劇降低，甚至導(dǎo)致摩擦阻力瞬時(shí)消失，引起螺母回轉(zhuǎn)而松動。防松的目的在于阻止螺母的反向轉(zhuǎn)動。為此，美國發(fā)明了具有防松功能的施必牢螺母，國內(nèi)又叫30°楔形角防松螺母，其特點(diǎn)是在內(nèi)螺紋增加了30°的楔形斜面,加大了摩擦阻力，可以有效阻止螺母的反向轉(zhuǎn)動[7-8]。

而鋼絲螺套是內(nèi)外螺紋同心體，其外螺紋與基體連接，相當(dāng)于螺栓，內(nèi)螺紋與螺栓連接，相當(dāng)于螺母，于是設(shè)想將30°楔形角防松技術(shù)移植于鋼絲螺套的內(nèi)螺紋，即通過改變鋼絲螺套絲材的截面形狀，在不增加成本的前提下，就可實(shí)現(xiàn)鋼絲螺套內(nèi)螺紋和螺栓螺紋之間的防松。

圖3（a）為普通型鋼絲螺套絲材截面圖，內(nèi)外螺紋均為標(biāo)準(zhǔn)的三角形螺紋；圖3（b）為防松型鋼絲螺套絲材截面圖，其外螺紋為標(biāo)準(zhǔn)螺紋，內(nèi)螺紋一斜邊在接近牙底處呈楔形，其楔形角等于30°。鋼絲螺套自由狀態(tài)直徑大于旋入后直徑，當(dāng)用工具將鋼絲螺套旋入基體后，在彈力作用下，其外螺紋與基體緊密接觸，一般不會松動。

如圖4（a）所示，如果是普通的鋼絲螺套，當(dāng)螺栓擰入后，鋼絲螺套內(nèi)螺紋的前面兩個牙的螺紋面承受絕大部分的負(fù)荷，而后續(xù)螺紋面上的壓緊力急劇減少甚至為零[6]。因此在較大橫向動載荷作用下，很容易產(chǎn)生松動。

如圖4（b）所示，當(dāng)螺栓與防松型鋼絲螺套擰緊時(shí)，全部牙頂緊緊頂在內(nèi)螺紋30°楔形斜面上，而且螺旋線上每牙承受的載荷比較均勻，施加于楔形斜面上所產(chǎn)生的法向作用力與螺栓軸線成60°角，而不是普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋的30°角，這樣其徑向分力大于軸向分力，增強(qiáng)了抵抗橫向動載荷的能力，實(shí)現(xiàn)鋼絲螺套的有效防松[7-8]。

3 防松型鋼絲螺套的理想度評價(jià)

產(chǎn)品的主要目的是提供一定使用功能。TRIZ理論認(rèn)為，在不增加新的物理實(shí)體前提下，對現(xiàn)有物理實(shí)體進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化也能實(shí)現(xiàn)所需的新功能。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是增加和優(yōu)化有用功能，減少和消除負(fù)面因素。TRIZ理論采用如下公式對產(chǎn)品的理想度進(jìn)行評價(jià)：

圖3 普通型鋼絲螺套與防松型鋼絲螺套橫截面比較Fig.3 Cross section comparison between common type and anti loose type of helicoil screw insert

圖4 普通鋼絲螺套與防松型鋼絲螺套受力比較Fig.4 Stress comparison between common type and anti-loose type of helicoil screw insert

式中，Ideality為理想度，Benefits為效益，Costs為代價(jià)，Harms為危害。代價(jià)包括生產(chǎn)成本、空間占用、能量消耗等；危害包括產(chǎn)生的廢棄物及對環(huán)境的污染等。產(chǎn)品的理想度與其效益之和成正比，與所有代價(jià)及所有危害之和成反比[9-10]。據(jù)此對防松型鋼絲螺套進(jìn)行理想度分析可以看到，防松型鋼絲螺套與普通螺套在制造中的區(qū)別只是模具不同，其他制造工藝不需改變，即分母部分幾乎沒變，而分子部分增加了防松功能，無疑這是朝著理想化方向發(fā)展的最佳途徑。另外這也符合TRIZ理論所推薦的優(yōu)先利用內(nèi)部資源的原則。

4 結(jié)束語

防松型鋼絲螺套的設(shè)計(jì)和研制被列為2012年江蘇省普通高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目，無錫市務(wù)達(dá)五金制品有限公司承擔(dān)了試制任務(wù)，小批量生產(chǎn)了M8、M10、M12等3種規(guī)格的鋼絲螺套，通過觀察和試驗(yàn)，M8以下規(guī)格的鋼絲螺套由于不能形成明顯的30°楔形斜面，防松效果不明顯，而M10、M12兩種規(guī)格的鋼絲螺套具有可靠的抗振、防松性能。由此可知，這種防松技術(shù)適用于M10以上規(guī)格的鋼絲螺套。由于具備成本優(yōu)勢，可部分替代鎖緊型鋼絲螺套，更主要的是安裝和拆卸更加容易，節(jié)省操作時(shí)間，提高工作效率。

[1]崔萬新，李正峰.防松型鋼絲螺套: CN201220096139.7[P].2012-10-24.CUI Wanxin, LI Zhengfeng. Anti-loose helicoil screw insert:CN201220096139.7[P]. 2012-10-24.

[2]常仕軍，肖紅，侯兆珂，等.飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配連接技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2010(4):72-75.CHANG Shijun, XIAO Hong, HOU Zhaoke, et al. Assembly and fastening for composite structure in aircraft[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(4):72-75.

[3]劉適，崔雅文，曾濤,等.基于TRIZ理論的飛機(jī)零件數(shù)控加工防錯工具分析與改進(jìn)[J].航空制造技術(shù), 2014(8):72-75.LIU Shi, CUI Yawen, ZENG Tao, et al. Analysis and improvement of the aircraft parts NC machining error proofing tool based on TRIZ theory[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(8):72-75.

[4]趙燕江，張永德，鄒赫莉.基于TRIZ理論的抽油煙機(jī)葉片清理機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)， 2010, 27(2):70-73.ZHAO Yanjiang, ZHANG Yongde, ZUO Heli. Design on vane cleaning machine for soot absorber based on TRIZ theory[J]. Journal of Machine Design， 2010, 27(2):70-73.

[5]于峰海，任工昌，魯麒,等.再制造產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中TRIZ理論分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2013(12):11-13.YU Fenghai, REN Gongchang, LU Qi, et al. TRIZ theory analysis of the innovative design of remanufactured products[J]. Machinery Design &Manufacture, 2013(12):11-13.

[6]李正桐.預(yù)先作用原理—TRIZ試解[J].家電科技，2012(8):34-34.LI Zhengtong. Principle of pre-effect - TRIZ test solution[J].Household Appliance Technology, 2012(8):34-34.

[7]朱述寬，劉自富.美國施必牢防松螺母在煤礦井筒裝備上的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械， 2006,27(1):161-162.ZHU Shukuan, LIU Zifu. Application of spiralock nuts to well equipment in coal mine[J]. Coal Mine Machinery， 2006,27(1):161-162.

[8]曹亦清，羅雁云，陸正剛,等. ST2型防松螺母的試驗(yàn)與應(yīng)用研究[J].鐵道車輛，1996,34(6):15-19.CAO Yiqing, LUO Yanyun, LU Zhenggang, et al. Study on the test and application of lock nut type ST2[J]. Rolling Stock, 1996,34(6):15-19.

[9]張敏，徐江華，楊明朗. TRIZ中的理想化對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程, 2006,27(3):162-164.ZHANG Min, XU Jianghua, YANG Minglang. Study of the influence of idealization in TRIZ to the product innovation design[J]. Packaging Engineering, 2006,27(3):162-164.

[10]冷崇杰,項(xiàng)輝宇,閆曉玲.基于TRIZ理論的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化, 2010,32(8):27-30.LENG Chongjie, XIANG Huiyu, YAN Xiaoling. Creative design of product structure based on TRIZ theory[J]. Manufacturing Automation,2010,32(8):27-30.