基于TRIZ的齿轮泵轴套数控刮削机的设计

冯金冰 刘利宏

(淮安信息职业技术学院机电工程系 江苏淮安 223003)

基于TRIZ的齿轮泵轴套数控刮削机的设计

冯金冰 刘利宏

(淮安信息职业技术学院机电工程系 江苏淮安 223003)

齿轮泵是应用非常广泛的一种液压元器件，浮动轴套是齿轮泵解决泄漏问题中一个重要的元件。通过分析齿轮泵轴套的传统加工方法，结合TRIZ理论，分析新型齿轮泵设备设计中产生的冲突，通过创新原理来解决冲突，提出了齿轮泵轴套数控刮削机的整体设计方案，通过实践验证了设计方案的合理性，并在实际生产中产生了较好的经济效益。

齿轮泵； TRIZ； 数控刮削机

1 研究背景

齿轮泵是依靠泵体与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。泄露问题，是影响齿轮泵工作效率的最重要的因素，外啮合齿轮泵运转时泄漏途径有以下三点：①齿轮端面和前后端盖间的轴向间隙由于这种泄漏路线短，泄漏面积大，因而泄漏量约占总泄漏量的75%～80%，是齿轮泵的主要泄漏途径。②齿轮齿顶与泵体间的径向间隙由于齿轮旋转方向与泄漏方向相反，泄漏阻力较大，圆周泄漏路线较长，同时，由于安装齿轮上的轴上所用轴承有径向间隙，齿轮在高压油液作用下被压向吸液腔一侧，使此处的齿顶间隙几乎接近于零，所以径向间隙泄漏不大，一般只占总泄漏量的5%～20%。③齿轮轮齿啮合处齿面间隙由于啮合力使啮合齿面相互压紧，所以齿面间隙的泄漏很小，一般约占总泄漏量的4%～5%，它主要取决于齿轮的制造精度。解决这个问题的办法目前常用的就是采用静压平衡措施，在齿轮和盖板之间增加一个补偿零件，浮动轴套，如图1所示，该轴套在齿轮泵中的位置如图2所示。

轴套的生产是齿轮泵制造中最重要的一环，国内中小型企业为了节约资金大部分采用手工加工，手动刮削装置如图3所示。

图1 浮动轴套

图2 浮动轴套在泵中的安装位置

图3 手动刮削机构

采用手动刮削方式生产效率低、劳动强度大，产品的质量完全依赖工人的操作水平，不适应成批大规模生产。在这种现状下，本文提出设计一种经济型的数控刮削机，在设计过程中通过TRIZ理论解决设计中存在的矛盾问题。

2 TRIZ理论

TRIZ意译为发明问题的解决理论，它是由前苏联发明家阿奇舒勒带领的一个科研团队通过分析和研究世界250万件专利的基础上总结出发明解决问题的一般规律。TRIZ理论主要包括创新思维方法与问题分析方法、技术系统进化法则、创新问题标准解法、发明问题解决算法ARIZ、基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库等[1]。

3 齿轮泵轴套数控刮削机设计中冲突矩阵的建立

1)新型齿轮泵刮削机主要是针对传统手工刮削设备的缺点而设计的。在设计中，根据企业的实际需求，要求刮削机具备稳定可靠的性能、可操作性好、具有更高的精度和生产率等优势，而在这些功能优化的同时也有一些功能恶化。

TRIZ理论的核心是解决冲突，因此在齿轮泵刮削机设计时首先要确定设计中存在的矛盾，并把矛盾抽象化转化为TRIZ理论的冲突。

2)通过分析数控刮削机设计中存在的冲突，查找冲突矩阵，本矩阵所用到的工程参数分别为：参数35适应性、通用性和参数36系统复杂性，参数33操作流程的方便性和参数36系统复杂性，参数39生产率、参数35适应性及通用性，参数29制造精度和参数36系统复杂性。

3)在冲突矩阵中，表1的第一行和第一列所列的都是39个通用工程参数中的参数。不同的是，第一列所列的是系统需要改善的参数的名称；而第一行所列的是系统在改善那个参数的同时，导致恶化了的另一个参数的名称。行和列交叉的方格中的数字表示解决对应的技术矛盾时对人们最有用的那些创新原理的编号。通过查阅冲突矩阵表，可以查找对应的发明原理，对所得的发明原理进行初步分析，排除不适合机床设计领域的解以简化矩阵，如表2所示[3]。

表1 冲突矩阵表(部分)

表2 冲突矩阵及解

4)所用创新原理的具体应用方法。

①分割原理的具体方法。a.把一个物体分成几个相互独立的部分。b.把物体分成容易拆卸和组装的部分。c.提高物体的可分性。

②动态性原理的具体方法。a.调整物体或环境的性能，使其在工作的各阶段达到最优状态。b．分割物体，使其各部分可以改变相对位置。c．如果一个物体整体是静止的，使之移动或可动。

③维数变化原理的具体方法。a．将物体一维运动变为二维运动，以克服一维直线运动或定位的困难；或过渡到三维空间运动以消除物体在二维平面或定位的问题。b．将物体倾斜或侧向放置。c．利用给定表面的背面。d．利用照射到邻近表面或物体背面的光线。

④抽取原理的具体方法。a.将物体中抽出产生负面影响的部分或属性。b.仅抽出物体中必要的部分或属性。

4 技术冲突的解决

根据TRIZ理论，利用冲突矩阵可以求得发明问题的解，所得解对应于40条发明创新原理，通过分析解对应的创新原理来找出解决冲突的方法，归纳设计方案。

根据冲突矩阵解创新原理1，把主轴部分和进给部分机械结构分割成独立可以拆装的部分。

根据冲突矩阵解创新原理15动态化，把托盘设计成可拆卸更换适应不同尺寸齿轮泵轴套的结构。

根据冲突矩阵解创新原理17维数变化，把刀架设计成多工位刀架，可以安装多把刀具。

根据冲突矩阵解创新原理2分离原理，把托盘分离出来[2]。

5 创新方案的设计

根据上述冲突解决的方法，结合工程实际，归纳总结出总体设计方案，总体结构框图如图4所示。

如图4所示为齿轮泵轴套数控刮削机的方案简图。齿轮泵轴套主要加工内容是圆弧部分的切削，从图4中可以看出，齿轮泵轴套的加工运动由主轴的旋转运动和刀架的进给运动组成。在工作时，轴套固定在托盘上，主轴带动托盘旋转，托盘为可拆卸结构，进给电机通过丝杠带动刀架进给，实现刀具与轴套之间的相对运动，从而完成切削动作[4-5]。

1.Z轴步进电机；2.联轴器；3.减速器小齿轮；4.减速器大齿轮；5.旋转工作台；6.螺栓；7.定位孔；8.托盘；9.定位销；10.螺栓；11.轴承；12.刮刀；13刀架；14螺栓；15移动工作台；16.X轴步进电机；17.联轴器；18.滚珠丝杠；19.滚动轴承；20.螺母； 21.联轴器

图4 齿轮泵轴套数控刮削机方案简图

6 结束语

TRIZ理论是一种非常实用的创新理论。通过该理论在齿轮泵轴套刮削机中的应用，较好地解决了设计中存在的矛盾，大大提高了生产率。通过该机器在合作企业中初步试用，日产量能达到900套，比手动刮削每天多400套，产值增加接近一倍，年效益将增加12万元，获得了较好的经济效益。

[1] 袁峰，杨清涛.基于TRIZ的压弧设备设计方案研究与改进[J].制造技术与机床，2015(5)：17.

[2] 吴贵军，国秀丽.基于TRIZ理论的组合机床镗刀系统结构改进[J].制造技术与机床，2015(9)：124.

[3] 沈萌红.TRIZ理论及机械创新实践[M].北京：机械工业出版社，2012：37.

[4] 张秀艳，李菊焕.型柴油机气缸体钻定位孔组合机床设计[J].制造业自动化，2013(10)：135-137.

[5] 朱华炳，余先照，胡孔元，等.双工位数控焊接机床设计[J].制造技术与机床，2012(12)：220-223.

[责任编辑：李娟]

Design of Gear Pump Collar CNC Skiving Machine Based on Theory of TRIZ

FENG Jinbing LIU Lihong

(Mechatronics Engineering Department, Huaian Vocational College of Information Technology, Huai'an 223003, China)

Gear pump is a kind of widely used hydraulic component. Floating bushing is an important component in the problem of gear pump leakage. Through the analysis on the traditional machining method of gear pump bushings, combining Theory of Inventive Problem Solving, this paper analyzes the conflicts in the design of new type of gear pump equipment. Through the principle of innovation, this paper puts forward the overall design scheme of gear pump collar CNC skiving machine. And the rationality of the design scheme is verified by practice and can produce good economic benefit in practical production.

gear pump; TRIZ; CNC skiving machine

2016-07-08

淮安市科技计划指导性项目(KA140204)

冯金冰(1980-)，男，讲师，硕士，主要研究方向：数控加工技术、数控机床故障诊断与维修

TH 325

B

1672-2434(2016)06-0020-03