TRIZ創新理論在泥漿門密封改進設計中的應用

摘 要：文章采用TRIZ理論指導，對泥水盾構機的泥漿門密封系統進行了設計改進。首先對泥漿門密封進行了技術矛盾的描述和參數轉化，運用矛盾矩陣擇優選用創新原理，結合工程實際對不同方案進行比較分析，最后得到了較合理的問題解決方案。本次應用嘗試表明TRIZ理論在解決工程技術問題過程中具有較好的指導意義，可供技術創新方法研究提供一定參考。

關鍵詞：TRIZ；創新理論；泥漿門；密封

1 概述

“TRIZ”理論是當今世界上最先進的科學思維，是技術創新的現代化工具[1]。傳統創新方法采用知識學習和交流的方式，消耗大量時間，而利用TRIZ語言和思維方法定義創新問題，可使研發人員快速地理解和掌握問題實質[2]。許多公司都已成功地把TRIZ運用于生產和管理等方面，如福特、三星等[3]。目前，TRIZ已逐漸由當初擅長的工程技術領域，向自然科學、社會科學、管理科學、生物科學等多種領域滲透，嘗試解決更廣泛范圍內的問題[4]。

TRIZ理論引進中國時間并不長，目前國內也僅有極少數企業進行應用嘗試，具體實施方法、案例和經驗均較欠缺，部分企業的管理者和技術人員對TRIZ還持有一定懷疑態度和觀望心態[5]。積極在企業管理和研發過程中應用這一創新方法、積累更多的應用實例對促進TRIZ在我國企業中的推廣應用很有意義。本文運用TRIZ理論中解決技術矛盾的相關方法，對泥水盾構機的泥漿門密封進行改進設計，得到了較好的解決方案，可供運用TRIZ解決工程實際問題進行參考。

2 問題背景

泥漿門是泥水平衡盾構機（簡稱泥水盾構）上重要的安全裝置，如圖1所示，使用過程是：油缸將泥漿門下放直至門板將泥漿進口完全遮蓋，然后往密封氣囊里面充氣使密封圈膨脹，膨脹的密封圈外部密封面壓緊在泥漿進口周圍的隔板上，這樣位于泥漿門前面的泥水艙與后面的氣墊艙被隔離開來；隨后，排空氣墊艙內泥漿，工作人員在常壓下進入氣墊艙內作業，從而避免了高風險和高成本的潛水作業和氣壓作業。在實際工程中，由于泥漿門使用頻率低，常年浸泡在氣墊艙內的泥漿中，易受到泥漿中固體顆粒的磨蝕，密封圈經常失效損壞。另外，這種密封結構的密封效果也不穩定，有泥漿泄漏的風險，給艙內工作人員帶來很大危險。泥漿門密封的失效原因主要有：（1）密封圈容易磨損破壞；（2）密封面容易嵌入固體顆粒影響密封效果；（3）密封圈的充氣氣嘴容易漏氣。

3 問題分析

3.1 技術系統分析

根據TRIZ理論，一個技術系統包括兩種物質和一個場三部分，解決技術問題，首先應明確引起問題的技術系統。在這個問題中，引起問題的技術系統是泥水艙和氣墊艙內的泥漿、固體顆粒、充壓介質（壓縮空氣）。泥漿門密封這一技術系統的主要成分及對應功能如表1所示。

在該技術方案中，密封圈在充入壓縮空氣后膨脹，將唇形密封面壓緊在隔板上實現密封。密封面的接觸壓力可以通過調節空氣壓力來控制。增大充氣壓力有利于提高密封效果，但盾構機上常用空壓機額定壓力較小，調壓范圍有限；另外，由于充氣密封圈的結構特點，其壁厚不能太厚，否則同樣密封接觸壓力下將需要更大的充氣壓力。由于泥漿門使用頻率低，如配置高壓空壓機，將導致設備利用率低、盾構機管路系統整體成本增高。

3.2 陳述技術矛盾

在該實例中，需要改善的技術特性是密封圈的耐磨性、抵抗固體顆粒雜質的能力和氣嘴可靠性。綜合考慮密封圈材料、結構等方面的改善因素，又不至過多增加系統的復雜性，構建以下技術矛盾：

技術矛盾1：增加密封圈壁厚（可提高抵抗破壞性能），則需要提高充壓壓力。

技術矛盾2：提高充壓壓力（可提高密封性能和抵抗固體顆粒能力），則需增大空壓機的額定輸出壓力，這將要求全面提高整個供氣管路及其所有元器件的承壓能力，這將較大幅度增加供氣系統的成本和系統泄漏風險。

3.3 解決技術矛盾

3.3.1 技術矛盾1

對照TRIZ中的矛盾矩陣，尋找意義上與上述矛盾特性最接近的通用工程參數。與特性“增加密封圈壁厚”最接近的是“形狀”，與“需要的充壓能力”最接近的是“力”。在矛盾矩陣中對應的單元格數字是：10#、35#、37#、40#。對這些創新原理分析如下：

原理10#“預先作用原理”建議如下：A.預先對物體（全部或部分）施加必要的改變；B.預先安置物體，使其在最方便的位置，開始發揮作用而不浪費運送時間。

應用原理10#需要使密封圈預先承受一定的力（壓力或張緊力），在不使用泥漿門或密封圈不起作用期間，將密封圈置于一個安全的位置，該位置應有效避免實際使用環境對密封圈造成損傷進而影響其性能。這使我們想到：在泥漿門使用前可以將密封圈“封裝”保護在密封槽內，或者安裝時就使密封圈在預緊力作用下“收縮”在密封槽內。

原理35#“物理或化學參數改變原理”建議如下：A.改變物體的物理狀態；B.改變物體的濃度或密度；C.改變物體的柔性；D.改變溫度或體積。

應用原理35#建議改變系統的物理性能，可以考慮改變密封圈安裝座、密封圈或充壓介質的物理性能。安裝座由于尺寸較大，目前采用普通鋼材，使用期間并無不合適之處；密封圈目前使用的是具有較好耐磨性和耐腐蝕特性的橡膠材料，其使用中的破壞并非來自材料自身；根據該處的使用要求和環境特性，應使用一種耐腐蝕的、具有一定彈性和耐磨性的材料。因此，目前采用的橡膠材料是合適的，但是可以考慮改變密封圈的局部性能（如密封接觸面的硬度），也可考慮改變密封圈斷面的形狀或尺寸；改變充壓介質的物理特性則可以考慮將當前的充壓介質由氣態改為液態，即使用液壓或水壓來加壓，此時，充壓介質的壓力將不再是問題（特別是液壓，不但調壓范圍大，而且取壓方便），但液體的質量和黏性遠大于氣體，這又要求密封圈回彈性能和強度要相應增強，充壓系統的結構性能需要改善以彌補上述缺陷。

原理37#“熱膨脹原理”建議如下：A.利用材料的熱膨脹或熱收縮；B.組合使用不同熱膨脹系數的幾種材料。

根據原理37#A，可考慮在密封圈充氣腔內加設電加熱裝置或對密封安裝槽加熱（不實用），在需要高的密封氣壓時可以對腔內氣體加熱使其進一步膨脹而獲得更大壓力。原理37#B需要使用幾種材料，這直接增加了結構的復雜性，不適合該處較惡劣的使用工況。

原理40#“復合材料原理”建議如下：用復合材料代替均質材料。

經分析和比選，在目前工程上使用的密封材料中，“橡膠”具有更經濟、通用的優點。

3.3.2 技術矛盾2

與特性“增大充壓能力”最接近的是“力”，與“供氣系統的適應性變差且導致整個供氣網絡復雜化”最接近的是“系統的復雜性”。在矛盾矩陣中對應的單元格數字是：10#、18#、26、35#。對這些創新原理分析如下：

原理10#“預先作用原理”建議如下：A.預先對物體（全部或部分）施加必要的改變；B.預先安置物體，使其在最方便的位置，開始發揮作用而不浪費運送時間。

根據原理10#A，可在泥漿門上下提升動作和密封貼緊動作之前或過程中，對泥漿門周圍的環境進行改善處理，如人工清理泥漿進口周圍的大顆粒固體，對密封面進行必要沖刷等，創造一個良好的系統運行環境有利于密封系統的后續功能實現。

原理18#“機械振動原理”建議如下：A.使物體處于振動狀態；B.如果已經處于振動狀態的物體，提高其振動頻率；C.利用共振現象；D.用壓電振動代替機械振動；E.超聲波振動和電磁場耦合。

根據原理18#建議，可以利用機械振動預先對泥漿門密封區域進行“清洗”以便為后續的密封作用實現創造一個更好的接觸面條件。但綜合考慮泥漿門系統中諸如提升油缸、傳感器等必要組成部件，機械振動對整體系統是有害的，會帶來新的問題。

原理26#“復制原理”建議如下：A.用經過簡化的廉價復制品，代替不易獲得的、復雜的、昂貴的、不方便的或易碎的物體；B.用光學復制品（圖像）代替實物系統；C.如果已使用了可見光拷貝，用紅外或紫外線代替。

根據使用環境，本條建議不具有實用價值，不適用。

原理35#“物理或化學參數改變原理”再次出現，分析見上述說明。

4 最終方案

將原理10#和原理35#結合起來，提出一個簡單的解決方案：采用液壓作為充壓介質（35#A）提高加壓能力，加大密封圈厚度，特別是密封面方向的厚度尺寸（35#D）以提高耐機械磨損性能和回彈性（10#），在泥漿門底部加設一道刮擦裝置（10#）以便在泥漿門下移過程中提前刮除密封面上可能粘附的固體顆粒。該方案并不增加當前系統復雜性，可明顯提高密封的使用壽命和承壓性能。改進方案經工廠驗證，達到了預期效果。

5 結束語

創新是推動技術進步關鍵，任何有助于提高我們創新能力的物質、方法理論均應大力提倡和推廣，TRIZ創新理論更應如此。本次應用嘗試表明，在應用TRIZ指導創新和解決實際問題過程中，除了正確理解該理論的原理和各種方法內涵外，還需應用者具備一定的知識和經驗，寬廣的知識面和豐富的實踐經驗輔以正確的創新方法指導，能夠更有利于產生高質量的創新火花。

參考文獻

[1]謝東鋼，王建國，楊拉道，等.“TRIZ”理論是科技創新的現代化工具[J].重型機械，2010（1）：1-9.

[2]王珊珊，王宏起.產業聯盟應用“TRIZ”加速創新的機理與方法研究[J].情報雜志，2012，31（5）：192-197.

[3]徐峰.國外企業應用創新方法的經驗與啟示[J].中國科技論壇，2009，8（8）：140-144.

[4]趙敏，史曉凌，段海波.TRIZ入門及實踐[M].科學出版社，2013，2.

[5]吳永志，曹俊強，李乃川，等.TRIZ技術創新方法在企業中推廣模式研究[J].黑龍江科學，2013，3（1）：43-46.

作者簡介：唐崇茂（1982-），男，工程師，從事隧道掘進裝備研究和設計。