基于TRIZ和AD方法的密闭阀门性能研究

文章编号:100225855(2008)022*******

作者简介:杨竹卿(1967-),男,山西太原人,高级工程师,从事产品开发及工艺工作。

基于TRIZ 和AD 方法的密闭阀门性能研究

杨竹卿

(中北大学机械工程与自动化学院,山西太原030051)

摘要　以系统的公理化理论为基础,找出密闭阀门密封中存在的问题,并用发明理论使问题得到解决。

关键词　密闭阀门;TRIZ;AD 中图分类号:TH 134 文献标识码:A

The performance research of airtight valves based

on the method of TRIZ and AD

YAN G Zhu 2qing

(College of Mechanical Engineering and Automation ,North University of China ,Taiyuan 030051,China )

Abstract :The article utilize AD theory as a basis to identify confined and TRIZ theory to be resolved.K ey w ords :the airtight valves ;TRIZ;AD 1　概述

在工程设计中会遇到许多的问题,这些问题可以划分为大问题和小问题两类。一个产品是一个系统,它可能包含许多子系统。大问题影响到整个系统的变化,小问题影响到子系统的变化。据不完全调查,在工程领域里,75%的问题属于小问题,这种问题依靠现代技术能够解决。对于一个企业解决小问题和使产品保持领先地位都是至关重要的。本文以用于人防工程通风和排风系统的密闭蝶阀为例,介绍由系统的公理化理论(Axiomatic Design ———AD )提供找出小问题的方法,由发明理论(俄文Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch ———TRIZ )提供解决小问题的方法。2　蝶阀性能

蝶阀具有结构简单、体积小、质量轻、材料耗用省、安装尺寸小、驱动力矩小、操作简便和执行迅速等优点,还具有良好的流量调节功能和关闭密封特性。本文介绍的手动密闭蝶阀如图1所示。

阀门开启时,先松开锁紧装置,蝶板弹起,轴逆时针转动,同时带动翻板架和蝶板运动,蝶板离开耐油橡胶密封垫,用扳手旋转到开启最大状态。阀门关闭时,轴顺时针转动,同时带动翻板架和蝶板运动,由蝶板压紧耐油橡胶密封圈使其产生变形

达到密封效果,为防止轴倒转,采用了锁紧装置来

保证密封效果的持续。在轴孔前端采用两O 形圈密封。与阀体接合处,采用铅油和石棉板通过螺栓压紧密封。但在实际生产中,通过水压试验,常常会在耐油橡胶密封处发生渗透等现象,产品性能不稳定,达不到技术要求。3　理论应用311　AD 设计理论

设计人员在设计产品的时候,一般遵循用户需求、定义为满足这些需求所需要解决的问题、建立和选择设计方案、分析选择的方案和根据用户需求检测设计结果等步骤,AD 设计过程指导设计者遵循这些步骤,使用现有的设计工具和软件,高效地完成创新设计,或者诊断并纠正现存设计中的不足。 AD 设计的基本概念主要是由一些域组成,每一个域代表着一种设计活动。设计活动可以分成4个主模型,即客户模型、功能模型、物理模型和工艺模型。每一个模型相对应的是顾客需求(CNs )、功能需求(Functional Requirements ———FRs )、设计参数(Design Parameters ———DPs )和工艺变量(Process Variables ———PVs ),对每一对邻近的域来说,左边的域代表“我们设计什么”,右边的域代

w w

w .b z

f x w .c o m

表“我们是如何完成设计的”(表1)

。

11蝶板　21弹簧　31阀杆销　41翻板架　51轴

61密封圈　71阀体

图1　改进前DN400密闭阀门关闭状态

表1　每个域的内容

用户域　用户追求的利益(如用户需要通过阀门进行风量调节)

功能域　设计方案的功能要求(有几种不同的方法来满足这个

要求,如活塞式、盖板式或旋塞式等)

实体域　设计方案的设计参数(确定流量、抗冲击性、密封性和

开启关闭的时间等)

工艺域　工艺变量(确定阀门的工艺变量,如阀门的通径及材料

的选用等)

在AD 设计中,与域的定义相关的概念有功能要求、约束、设计参数和工艺变量等(表2)。

表2　与域的定义相关的概念

功能要求

　在功能域中完全能够表征设计方案功能需求的最少的、独立的要求集

约束约束(Constraints ,Cs )是可接受设计方案的边界设计参数

　在实体域中被选择来满足所要求的功能要求的设计方案的元素

工艺变量工艺域中用来表征满足特定设计参数的工艺元素

一个域中的决策被映射到左侧的域中。以用户域中调节风量需求被映射到功能域中的盖板式,然后,这个功能要求在实体域中被概念化为蝶阀。这个过程表明了左侧域中的“什么(what )”是如何被映射到右侧域中的“如何(how )”,调节风量(“什么”)映射为盖板式(“如何”),盖板式(“什么”

)映射为蝶阀(“如何”),蝶阀(“什么”)映射为制造工艺(“如何”

)。这个映射可以用设计矩阵表示。设计矩阵可以表示FRs 和DPs 、DPs 和PVs 之间的关系。

{FRs}=[A ]{DPs}

(1)

式中[A ]是产品设计特征的设计矩阵,方程

为产品设计的设计方程,设计矩阵[A ]为(即功能需求的数与参数需求的数相同)

[A ]=A 11

A 12A 13A 21A 22A 23A 31

A 32

A 33

(2)

设计矩阵包含关于设计的大量信息,是公理化设计应用的核心。

在设计过程中,设计目标经常要受到约束的限制,约束提供了可接受设计方法的边界,功能需求的差异会导致它们不一定独立。约束可分成几种类型。①关键临界性能指标,约束提供了对象最高层次的特性或改变量。②约束分界,系统必须接受的输入或输出约束。③全局对象约束,具有潜在的约束,在设计过程中影响所有设计参数(或某些摩擦力)。④项目约束,允许设计或重新设计在资源开

发中的约束。⑤特性约束,在系统中指定选择明确参数的约束。

约束对设计目标有着不同的影响,一些如全局和项目约束,潜在地影响着整个设计和每一个DPs 的选择,而关键和边界约束仅仅影响下一层次的DPs

AD 设计的第二个主要概念是层级,它代表了设计的结构体系。在最高层的开始阶段,设计者通过将最高层FRs 分解为低一层的FRs 来选择具体的设计。在最高层的DPs 确定之后这个步骤完成。这种分解过程将继续进行,直到最终的设计方案能够被执行。在这个分解过程中,设计者建立了FRs 、DPs 和PVs 的层级结构。

公理化设计的第三个概念是曲折映射,它用来

描述相邻域之间将设计分解为层级结构的映射过程。如果我们选择不同的DP ,那么低一层的FRs 将完全不同。因此,设计者应遵循在“什么”和“如何”域之间进行曲折映射向低一层分解的过程。如果我们选择不同的DP ,那么低一层的FRs 将完全不同。因此,设计者应遵循在”什么”和”如何”域之间进行曲折映射向低一层分解的过程。

两个设计公理为独立性公理和信息公理。独立性公理是保持FRs 的独立性。在一个可接受的设计中,DPs 和FRs 之间的关系如下。具体的DP 可以调整来满足与其相对应的FR ,而没有影响其他的FRs 。不能满足独立性公理的设计是

w w

w .

b z

f x

w .c o m