基于TRIZ的减速器高速轴漏油分析与解决*

2018-07-11张亚琴

机械研究与应用 2018年3期

张亚琴

(太重煤机有限公司，山西太原　030032)

0　引　言

TRIZ，直译是“发明问题解决理论”，国内也形象的翻译为“萃智”或“萃思”，取其“萃取智慧”或“萃取思考”之义。TRIZ是由前苏联发明家、教育家G.S.Altshuller(根里奇·阿奇舒勒)和他的研究团队，通过分析大量专利和创新案例总结出来的[1]。TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终理想解。TRIZ拥有多种解题思路和标准解，可非常快捷的解决工程实际问题[2]。太重煤机有限公司致力于学习应用及推广TRIZ已有近十年历史，在实际中也解决了很多难题，笔者以矿用减速器中常见的漏油问题为解题目标，应用TRIZ工具进行解题。

1　项目背景

密封失效导致漏油是这类减速器的常见问题，也是行业难题。漏油多发生在高速轴密封处，润滑油渗漏不但污染环境、浪费资源还可能导致轴承损坏，齿轮打齿等严重故障。由于使用工况的特殊性，这类设备维修难度非常大。据太重煤机有限公司2016年质量统计分析，漏油问题故障率达30%。所以，不管是从企业还是从行业角度考虑都亟需解决。

2　当前使用结构及存在问题

(1) 输入轴采用骨架式油封，转速较高，达到1 480 r/min，密封机构如图1所示。骨架油封与旋转轴之间保持高速相对旋转，容易磨损高价值的旋转轴，如图2所示为磨损后的旋转轴，可以看出旋转轴被油封唇口磨出两道沟槽[3]。

图1　目前密封结构　　　图2　磨损后的旋转轴

(2) 减速器的使用环境恶劣，矿井中漂浮着煤粉、矿石粉等颗粒物，随着空气流动，这些颗粒性物质必然会进入外露的油封唇口与旋转轴的接触面。

(3) 减速器使用操作不规范，在加注润滑油的过程中总会带入煤渣等颗粒性物质，导致润滑油中存在大量杂质，随着润滑油在箱体内腔流动，润滑油中的杂质会进入油封唇口与旋转轴的接触面。

(4) 维护、更换零件难度大。因减速器输入轴联接部分位于罩筒之中，输出轴与滚筒或链轮轴联接，依靠主机架进行固定，再加上井下环境的特殊性，一旦减速器发生漏油现象，短期内无法及时发现。漏油现象发生后，如没能及时补充，易造成减速器内部轴承因缺油而无法在滚动体、内、外圈间形成油膜，从而导致轴承损坏，这种情况在高速轴表现更为明显。减速器轴承损坏后必然导致齿轴等零件失去支撑进而发生打齿现象，致使停产。此外，漏油还会污染环境[4]。

3　借用TRIZ理论工具进行分析

因果树分析是TRIZ的一项解题工具，可以帮助找到导致问题的根本原因。如图3所示为分析导致减速器漏油的因果树。

图3　减速器漏油问题因果树

根据图3所示的因果树可知，减速器漏油主要分为两类：减速器出轴处漏油和减速器其他部位漏油，由于减速器其他部位漏油发生的概率极低，所以主要考虑减速器出轴处漏油。导致减速器出轴处漏油的原因可以归结为四点：工作环境中的颗粒性物质进入接触面损伤油封唇口；润滑油中的杂质进入接触面损伤油封唇口；轴表面加工精度低；轴表面硬度低。这一问题借助TRIZ理论的物场模型来解决[5]。

(1) 物场模型一由于工作环境中的颗粒性物质会随着空气流动进入骨架油封唇口与旋转轴之间的接触面，损伤油封唇口，导致漏油。可以利用TRIZ理论中的物场模型进行求解，如图4所示。

图4　物场模型

根据物场模型标准解系统，可以利用破坏场场模型中的引入S3来消除有害作用的方法解决问题，即通过引入S3(密封结构)来解决S1(工作环境中的颗粒性物质)对S2(骨架油封唇口与旋转轴之间的接触面)的有害作用。

(2) 物场模型二由于润滑油中的杂质会随着润滑油的流动进入骨架油封唇口与旋转轴之间的接触面，损伤油封唇口，导致漏油。可以利用TRIZ理论中的物场模型进行求解，如图5所示。

图5　物场模型

根据物场模型标准解系统，可以利用破坏场场模型中的引入S3来消除有害作用的方法解决问题，即通过引入S3(密封结构)来解决S1(润滑油中的杂质)对S2(骨架油封唇口与旋转轴之间的接触面)的有害作用。

(3) 轴表面加工精度和硬度低从减速器漏油的因果分析树可知，导致减速器漏油还有两个关键因素分别是轴表面加工精度低和轴表面硬度低，这可以利用TRIZ理论中的物理矛盾模型进行求解。

物理矛盾：骨架油封唇口与旋转轴接触，以便达到更好的密封效果。

骨架油封唇口与旋转轴不接触，防止价值更高的旋转轴磨损。

4　解决方案

通过利用TRIZ理论对减速器漏油问题进行分析，借助物场模型和物理矛盾模型解决减速器漏油，可形成以下解决方案：

(1) 双机械迷宫组合式密封结构破坏物场模型

在骨架油封的外侧增加轴向迷宫密封结构防止工作环境中的颗粒性物质进入接触面磨损油封唇口，在骨架油封的内侧增加径向迷宫密封结构防止润滑油中的杂质进入接触面磨损油封唇口[6]。由于迷宫结构加工难度小、稳定性高、密封效果好且易于实现等特点，所以采用该方案效果比较理想。如图6所示为双机械迷宫组合式密封结构零件结构。

图6　双机械迷宫组合式密封结构零件结构

(2) 利用空间分离方法，选择01分割原理，03局部质量原理[5]。将旋转轴分割成旋转轴和耐磨套两部分，耐磨套材料选用42CrMo，表面粗糙度达到1.6，并采用氮化或碳氮共渗的热处理工艺，提高耐磨套表面硬度和耐磨性。

综上所述，通过利用TRIZ理论对减速器漏油问题进行分析，最终的实施方案如图7所示。

图7　双机械迷宫组合式密封结构

在骨架油封4的两个端面分别设置了轴向迷宫2和径向迷宫6，通过注油口1向轴向迷宫腔3和径向迷宫腔7中加注锂基润滑脂，防止工作环境中的颗粒性物质和润滑油中的杂质进入油封唇口和耐磨套5的接触面，从而保护油封唇口，提高油封的密封质量和使用寿命；在高价值的旋转轴上增加了耐磨套5，耐磨套5材料选用42CrMo，表面粗糙度达到1.6，并采用氮化或碳氮共渗的热处理工艺，提高耐磨套5表面硬度和耐磨性,防止耐磨套5被油封磨出深沟槽造成漏油，同时也保护了高价值的旋转轴。

6　效果确认

(1) 如图8所示为原旋转轴使用一段时间后表面的磨损情况。如图9所示为对耐磨套进行质量提升后使用一段时间，耐磨套表面的磨损情况。

对比图8和图9可知，对耐磨套进行质量提升后，增强了耐磨套表面硬度和耐磨性，提高了密封效果，可有效防止减速器漏油。

(2) 双机械迷宫组合式密封结构推广以来，减速器漏油问题得到显著改善，漏油故障率从2016年的30%降到了2017年的8%。

(3) 截至目前为止，双机械迷宫组合式密封结构已应用于JS855、JS1000、M系列、DCY系列和WM系列等多种减速器上，实际应用效果良好，漏油问题明显降低，并得到客户的一致好评。统计显示，该密封结构已为公司累积节省资金176万元，这仅是显示出来的经济效益，它给公司带来的无形价值，如品牌价值、产品口碑等更是难以估量。