孔羽姝 王 雷 罗添元 岳彩月 石昀杭

(中车长春轨道客车股份有限公司高速动车组制造中心，130062，长春//第一作者，工程师)

螺套是螺纹连接中最常用的零件之一，平均一列列车使用2 000多个螺套。但由于螺套的结构、材料性能以及受力状态等因素的影响，螺套在使用过程中存在锁紧力不足而容易脱落的问题。因此，研究增强螺套锁紧力的方法对于轨道客车制造企业具有重要的意义，并可带来巨大的经济效益。

TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Za-datch)是“发明问题解决理论”的拉丁文缩写，是1946年由苏联发明家G.S. Altshuller及其研究团队在大量发明专利、产品创新案例的分析与总结中提炼出的一种有效利用矛盾原理解决复杂技术问题的系统方法。TRIZ是由解决技术问题和实现创新应用的所有方法、算法构成的综合理论体系，是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学[1]。TRIZ揭示了事物的技术系统按照一定的规律在进化，该理论主要包括40个发明创造原理、39个工程技术参数特性、76个发明问题标准解法、矛盾矩阵、物场模型分析、发明问题解决程序(ARIZ)及工程效应知识库等[2]。TRIZ揭示了解决技术问题和发明创造的内在规律和原理，不仅提供了分析工程技术问题的方法，包括功能分析、因果分析、物场模型分析、资源分析，同时还提供了与之对应的问题求解工具和一些新的思维方法，如发明原理、分离原理、小人法、多屏幕法，使企业的科技发明变得有规律可循[3]。

本文运用TRIZ对增强螺套锁紧力的方法进行了研究。

1 螺套锁紧力不足问题

1.1 螺套安装过程

现有螺套连接系统的工作原理如图1所示。通过旋转安装工具带动螺套旋转，外螺纹将母材基体的底孔壁切削出与之配合的螺纹。当螺套全部旋进底孔后，利用两种材料间的摩擦力或其它结合力，保持螺套与母材基体的相对位置。螺套的内螺纹可与其它螺纹结构件配合实现连接的功能。

图1 现有的螺套安装原理

1.2 锁紧力不足问题

现有螺套连接系统锁紧的过程如图2所示。母材与螺套之间依靠摩擦力F来保持稳定。

图2 螺套锁紧过程简图

F=μN

式中：

N——母材与螺套间的正向压力;

μ——母材与螺套间的摩擦系数。

但母材的螺纹是由自攻螺套的外螺纹切削形成的，在螺套旋进过程中，外螺纹不断摩擦已切削形成的母材螺纹，导致母材与螺套间的接触面相对光滑，即μ减小，且随着物质的磨损，N亦逐渐减小，导致F减少，最终造成螺套锁紧力不足。在拆卸与螺套内螺纹连接的工件时，螺套受到与安装时方向相反的作用力，且此作用力大于螺套与母材的结合力时，造成螺套脱落的现象。

1.3 现有解决方案的缺点

通过对国内120个关于螺套与母材连接作用力的专利检索，发现目前主要是通过在螺套外螺纹上增加轴向的止转销，螺套旋转安装后将止转销打入母材基体以破坏母材基体上的螺纹，从而防止螺套的反向旋转，一定程度上避免了螺套脱落的现象发生。

但是在螺套外螺纹上增加轴向的止转销后，螺套的制造成本极大地增加；同时螺套的安装过程与之前相比较为繁琐，安装周期显著增加，不适合在轨道客车制造企业中应用和推广。

1.4 解决问题的约束条件

螺套锁紧力不足问题的解决方案中，无法改变的约束条件是螺纹连接。该约束的目的是限定增强螺套锁紧力的方案要基于螺纹连接技术系统，不能基于如焊接、铆接等其它技术系统。

2 基于TRIZ分析问题

TRIZ分析问题的方法包括功能分析、因果分析、冲突区域分析、最终理想解分析和可用资源分析等方法。

2.1 功能分析

在TRIZ中功能分析的形式是“组件+动作+组件+参数”，即由一个组件执行的改变或维护另一个组件的参数动作[4]。螺套在安装工具的作用下旋入母材基孔，在螺套向下旋进的过程中切削母材基孔产生铝屑；螺栓在扳手的作用下与螺套的内螺纹间摩擦，对螺套相对于母材基孔形成反作用力。

由图3所示的螺套锁紧过程功能模型可以看出，现有螺套连接系统中存在“有害作用”和“不足作用”。螺套切削、磨损母材基孔是“有害作用”，母材基孔锁紧螺套是“不足作用”。

图3 螺套锁紧过程功能模型

2.2 因果分析

复杂的技术问题往往牵扯的因素众多，分析的关键是理顺问题产生的原因，充分挖掘技术系统内的外部资源，以找到最有效的解决问题的方案。常见的因果分析方法有5个“为什么”、故障树分析技术、鱼骨图分析法、因果链分析法等。

提高螺套锁紧力主要是增大螺套与母材之间的摩擦力和结合力，进一步应用因果链分析法确定问题产生的深层原因。从螺套与母材间的装配间隙和锁紧力角度研究对螺套锁紧力影响的因果分析过程(见图4)可以看出，母材安装磨损、装配间隙过大、螺套与母材无黏附力及缺乏锁紧装置是螺套锁紧力不足的根本原因。运用TRIZ从上述4个问题关键点入手分析可以提高问题的解决效率，同时节约经济成本。

图4 螺套锁紧力不足问题因果分析

2.3 最终理想解分析

设计人员不需要额外的花费就能够实现产品的创新设计，这种情况称为IFR(最终理想解)。在IFR实现的过程中，系统自身能够实现需要的动作，并且不存在有害作用的参数。通常IFR的表述中包含以下两个基本点：①通过系统自身实现了所需的功能；②未利用额外的资源即可实现所需的功能。

在螺套连接技术系统中，IFR是不需要安装螺套就能实现零部件的连接；次理想解是安装的螺套能够牢固地与母材结合而不脱落。

2.4 资源分析

资源分析是从系统的高度研究分析资源，挖掘系统的隐性资源，关注系统资源间的有机联系，合理地组合、配置、优化资源结构，提升系统资源的应用价值或理想度[5]。资源分析的步骤分为发现及寻找资源、挖掘及探究资源、整理及组合资源、评价及配置资源等4个部分。

针对螺套锁紧力不足问题对技术系统内部资源和分布资源进行了分析，结果如表1～2所示。

表1 系统内部资源

表2 系统外部资源

3 基于TRIZ解决问题

运用TRIZ中的冲突矩阵、物质-场模型、效应知识库、小人法和专利检索等工具解决螺套锁紧力不足问题。

3.1 “装配间隙过大”问题解决方法

3.1.1 冲突矩阵

为了提高螺套系统的锁紧力，需要装配间隙小；但为了安装方便，又需要装配间隙大。转换成TRIZ中的冲突矩阵，改善的参数是力，恶化的参数是可操作性。

运用冲突矩阵原理中的序号3——“局部质量发明原理”得到的方法1是：在螺套基体上加工出具有方向性的弹性“倒钩”，安装螺套时这种“倒钩”可以保证螺套顺利进行正向旋转，通过锤击母材，使母材发生形变，从而使“倒钩”进入到母材金属中，进而阻止这种反向旋转，达到锁紧目的。

攻丝要求装配间隙大，连接要求装配间隙小；考虑到装配间隙在不同的条件下具有不同的特性，因此该冲突可以从条件上进行分离。运用冲突矩阵原理中序号14——“曲面化原理”得到的方法2是：将螺套的螺距设计成由螺套顶部到根部逐渐变窄的复杂螺旋结构，牙宽不变，在螺套旋进过程中，两相邻螺纹间的母材会受到挤压，摩擦力增大，如图5所示。

图5 螺套螺旋结构示意图

3.1.2 物质-场模型

运用TRIZ中的“物质-场分析及76个标准解”工具，根据图3的螺套锁紧过程功能模型图建立如图6所示的物质-场模型。根据物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解No.2.2.6——“将均匀的物质空间结构变成不均匀的物质。”

图6 物质-场模型示意图

由该模型得到的方法3是：在螺套外表面开设储屑槽，将螺套产生的铝屑进行收集，用以填充装配间隙，达到缩小装配间隙、增加摩擦力的目的。

3.1.3 小人法

在螺套安装后存在装配间隙时，因螺套锁紧力不足，螺套“黑色小人”无法牢固可靠地锁住母材螺纹“红色小人”，螺栓“蓝色小人”将带动螺套“黑色小人”一起旋转，即红色小人可以相对黑色小人随意转动。

运用小人法研究得到方法4，即选择一种材料在螺套攻丝螺纹上进行表面处理。螺套安装时，该材料因摩擦能自发膨胀填充满组对间隙，并且具有足够的强度，能够牢固地与母材和螺套相连。

3.2 “螺套与母材无粘附力”问题解决方法

3.2.1 物质-场模型

运用TRIZ中的“物质-场分析及76个标准解”工具，根据图3的螺套锁紧过程功能模型图建立如图7所示的物质-场模型。根据物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解No.2.2.1——“使用更可控的场”。

图7 物质-场模型示意图

由该模型得到的方法5是：螺套攻丝安装后，对螺套和母材施加一个瞬间高压电场，由于螺套与母材螺纹间接触面积较小，在接触面能够形成一个较大电阻，依靠电阻产生的热量熔化、破坏掉母材表面上的部分螺纹，达到螺套锁紧的目的。

运用TRIZ中的“物质-场分析及76个标准解”工具，根据图3的螺套锁紧过程功能模型图建立如图8所示的物质-场模型。根据物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解No.2.1.1——“链式物场模型”。

图8 物质-场模型示意图

由该模型得到的方法6是：在螺套安装时涂抹一种紧固胶，这种胶在未固化前呈液态，能起到润滑作用，以方便螺套的安装。固化后，这种胶变为有一定强度的固体，可以分别与螺套和母材相粘附，从而增强螺套的锁紧力。

3.2.2 效应知识库

查找效应知识库，得到可用的效应为“热膨胀”，即当温度上升时，粒子的振动幅度加大，使物体膨胀。依据该效应得到的方法7是：在液氮中浸泡螺套，螺套在低温环境中体积会收缩，即螺套外径变小，配合正常的组对间隙进行安装，安装后恢复室温，螺套体积恢复变大，其与母材之间的接触更为紧密，使得摩擦力增加，进而螺套的锁紧力增强。

3.3 “锁紧装置缺乏”问题解决方法

运用专利检索工具得到的方法8是：将螺套基体上加工出凹槽或平面，同时在安装螺套的附近开1个小孔，用以安装过盈的销子，销子使螺套安装后的基体螺纹破坏，从而达到锁紧的目的。

对上述方法进行试验和评估，综合考虑生产实施过程的可行性和结果的稳定性，最终确定最优解为方法3：在螺套外表面开设储屑槽，将自螺纹旋进过程中产生的铝屑进行收集，用于填充装配间隙。

4 结语

本文运用TRIZ解决螺套锁紧力不足问题。首先，通过功能分析、因果分析、冲突区域分析等方法找到技术系统中存在的矛盾，进而找到问题产生的根本原因，即母材安装磨损、装配间隙过大、螺套与母材无黏附力和缺乏锁紧装置。在此基础上确定最终理想解，同时分析可以利用的资源。然后，通过冲突矩阵、物质-场模型、效应知识库、小人法和专利检索等工具找到8种螺套锁紧力不足问题的解决办法。最后，对所有方法进行现场实施验证和评估，确定了生产实际中能够应用的最优方法。