基于TRIZ的定位器噴嘴擋板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘 要：針對現(xiàn)存定位器噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的漏氣及污垢堵塞等問題，應(yīng)用TRIZ理論，分析了定位器噴嘴擋板機(jī)構(gòu)中存在的技術(shù)沖突和物理沖突，分別運(yùn)用維數(shù)變化原理和預(yù)先作用原理，對噴嘴擋板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，增強(qiáng)了閥門閉合時(shí)的氣密性與穩(wěn)定性，延長了定位器噴嘴擋板的使用壽命。

關(guān)鍵詞：TRIZ ； 閥門定位器 ；噴嘴擋板 ；發(fā)明原理

一、引言

閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的核心配套儀表，其對調(diào)節(jié)閥的作用至關(guān)重要。噴嘴擋板是閥門定位器的重要組成部分，其作用是調(diào)節(jié)腔體的壓強(qiáng)，目前噴嘴擋板機(jī)構(gòu)存在漏氣及污垢堵塞等問題，影響其功能[1-3]。

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）是一種尋求創(chuàng)新問題解決方案的方法，其能幫助人們從不同角度尋找新的創(chuàng)新點(diǎn)，以更加合理有效的方式進(jìn)行創(chuàng)新。TRIZ包括分離原理、40個發(fā)明原理等九大體系，在創(chuàng)新解決問題的過程中被廣泛應(yīng)用，本文應(yīng)用TRIZ理論對定位器噴嘴擋板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[4]。

二、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)漏氣問題的改進(jìn)設(shè)計(jì)

TRIZ理論將技術(shù)系統(tǒng)中相互作用又相互聯(lián)系的因素總結(jié)成為39個通用工程參數(shù)，倘若同一技術(shù)系統(tǒng)中兩個工程參數(shù)之間產(chǎn)生沖突，改善其中一個元素的參數(shù)，卻引起系統(tǒng)中另一個參數(shù)的惡化，就稱為技術(shù)沖突。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的技術(shù)沖突通常使用發(fā)明原理進(jìn)行解決。[5-6]

通過對定位器噴嘴擋板分析可知，當(dāng)前存在的問題是噴嘴模塊與擋板模塊貼合時(shí)會產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。通過在擋板上設(shè)置密封膠圈，可增加擋板與噴嘴貼合時(shí)的接觸面積，減小縫隙解決漏氣問題，但是在增加密封膠圈后會增加擋板重量，增加擋板運(yùn)動的能量消耗。即在改善噴嘴模塊與擋板模塊之間接觸面積的同時(shí)，惡化了能量消耗量的參數(shù)。其技術(shù)沖突可描述為：（1）改善的參數(shù)：靜止物體的面積；（2）惡化的參數(shù)：能量損失。通過沖突矩陣可查找到以下發(fā)明原理：

（1）7號原理（嵌套）：在噴嘴擋板上加裝密封膠圈，雖然增加了擋板與噴嘴貼合時(shí)的接觸面積，減小了縫隙，但是會增加擋板重量和擋板運(yùn)動的能量消耗。故不予考慮。

（2）30號原理（柔性殼體或薄膜）：柔性殼體或薄膜原理主要包括兩個方面： 使用柔性殼體或薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及使用柔性殼體或薄膜將物體與環(huán)境隔離。 與本問題相關(guān)性不大，故不予考慮

（3）17號原理（維數(shù)變化）：在擋板的二維平面上開設(shè)三維密封槽，讓噴嘴與擋板接觸時(shí)的接觸面積增大，使其密封效果更好，同時(shí)減少了擋板自重對運(yùn)動過程中能量的消耗。

依據(jù)上述分析，噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的改進(jìn)采用17號原理（維數(shù)變化）：在擋板的二維平面上開設(shè)三維密封槽（如圖1與圖2所示），通過改變維數(shù)增加噴嘴擋板的氣密性。

三、噴嘴擋板機(jī)構(gòu)污垢積存問題的改進(jìn)設(shè)計(jì)

最終理想解（IFR）是TRIZ中解決問題的重要方法，很多問題的IFR被正確理解并描述出來，從而問題得到解決。[7]

對定位器噴嘴擋板機(jī)構(gòu)進(jìn)行最終理想解的分析：

（1） 設(shè)計(jì)的最終目的是什么：噴嘴擋板不會堵塞 。

（2） 理想解是什么：通過噴嘴擋板的流體中沒有污垢 。

（3） 達(dá)到理想的障礙是什么：市面大多數(shù)類型的閥門定位器對于氣源的要求較低，污垢無法避免 。

（4） 可以利用的資源有哪些：擋板模塊的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn) 。

（5） 最終理想解是什么：噴嘴擋板能夠自動清理污垢。

IFR 定義為：噴嘴擋板機(jī)構(gòu)能夠自動清理污垢。此理想解在現(xiàn)實(shí)情況下暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)現(xiàn)二者安裝一體化的基礎(chǔ)上，得出的次IFR為：噴嘴擋板機(jī)構(gòu)能夠避免污垢積存。通過以上分析，瀏覽TRIZ理論的 40 個發(fā)明原理，采用預(yù)先作用原理對該問題進(jìn)行改進(jìn)。

預(yù)先作用原理是指預(yù)先對物體的全部或者部分施加必要的改變，依據(jù)該原理得到如下方案：在擋板上加設(shè)一個圓錐突起，達(dá)到減少污垢沉積的效果。在此基礎(chǔ)上，在突起上增加螺旋導(dǎo)流槽（如圖3所示），噴嘴模塊噴出的氣流沖擊在擋板后隨突起上的導(dǎo)流槽流動，在抑制低流速區(qū)產(chǎn)生的同時(shí)提高氣流的流動速度，使氣流中的固體顆粒能夠隨低速氣流流動，不堆積在擋板上，從而避免了污垢積存。

四、結(jié)論

本文應(yīng)用TRIZ理論對定位器噴嘴擋板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)擋板結(jié)構(gòu)，延長了噴嘴擋板組件的使用壽命，提高了閥門定位器的控制精度。應(yīng)用維數(shù)變化原理，通過在擋板的二維平面上開設(shè)三維密封槽，有效改善了噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的漏氣問題。利用IFR和預(yù)先作用原理，解決了定位器噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的污垢積存問題。本研究面向遠(yuǎn)距精確打擊的軍事需求，以武器裝備提升性能、降低成本、快速研發(fā)的發(fā)展趨勢為導(dǎo)向，基于TRIZ創(chuàng)新理論，探索空射巡航導(dǎo)彈低成本增程化改進(jìn)設(shè)計(jì)的技術(shù)途徑，為未來武器裝備的高質(zhì)量低成本持續(xù)發(fā)展提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳曉. 基于 TRIZ 的閥門定位器創(chuàng)新設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2022.

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[3] 思皓天. 智能閥門定位器控制設(shè)計(jì)[D].西安：西安石油大學(xué)，2019.

[4] 張明勤，范存禮，王日君，等.TRIZ入門100問——TRIZ創(chuàng)新工具導(dǎo)引[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[5] KIM J， KIM J， LEE Y， et al. Application of TRIZ creativity intensification approach to chemical process safety[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2009，22（6）： 1039-1043.

[6] SHEU D D， CHIU M， CAYARD D. The 7 pillars of TRIZ philosophies[J]. Computers & Industrial Engineering. 2020， 146： 106572.

[7] BORGIANNI Y， att D T. Applications of TRIZ and Axiomatic Design： A Comparison to Deduce Best Practices in Industry[J]. Procedia CIRP. 2016， 39： 91-96.

責(zé)編 / 馬銘陽