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[摘要]对于釜用机械密封，其密封性能的可靠性至关重要，但是密封部件常会由于磨损而导致密封失效。本文运用TRIZ理论对釜用机械密封的弹簧部件失效提出了改进方案，提高了密封的可靠性和使用寿命。
[关键词]TRIZ理论；釜用机械密封；弹簧
Abstract： The good seal performance of mechanical seal is very important on the reaction kettle. But the seal parts were always failure due to wear. The study is to investigate spring modified options with TRIZ to improve the sealing performance and life time.
keywords： TRIZ， reaction kettle mechanical seal， spring
1、引言
机械密封是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的旋转轴密封，在泵、反应釜、压缩机上已经大量使用[1]。反应釜是综合反应容器，反应过程中产生的压力对容器的密封要求极高。在一般中等压力或抽真空情况都会使用机械密封，而机械密封的密封效果将直接影响反应釜的运行，严重的将造成停产、安全事故及环境污染等不可估量的损失[2]。
本文利用TRIZ理论分析问题和解决问题的方法对机械密封中的弹簧断裂失效进行了分析及改进，旨在有效改善反应釜的密封性能，提高其可靠性和使用寿命。
2、TRIZ理论简介
TRIZ理论是发明问题解决理论的俄文缩写，是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500人/年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的一套发现问题解决问题的发明理论。在TRIZ中提出了用39个通用工程参数来描述技术矛盾，用40条发明创造原理来指导设计人员的创新设计，并且建立了对应关系，即矛盾矩阵。
应用矛盾矩阵解决实际问题时，须将设计中的特定问题预先处理，即用TRIZ的39个工程参数描述矛盾，并且要对使用矛盾矩阵得到的原理解进行后处理，即把原理解转化为领域解，以得到需要的特定解。
3、基于TRIZ的设计过程
3.1问题描述
搪瓷釜由釜体和搅拌系统组成，釜体和搅拌系统之间由机械密封进行密封。机械密封由紧固螺丝在压盖作用下压紧弹簧座，弹簧座固定弹簧，弹簧压紧动环，动环压紧静环起到密封的作用[3]。由于搪瓷釜搅拌系统没有固定支撑，在启动和搅拌过程中压盖和弹簧座存在扭动，晃动大，容易造成弹簧断裂，从而造成了泄漏。
3.2确定技术参数
存在的问题是：弹簧在工作中受到了额外大的扭转力发生了断裂损坏。如果在搅拌系统中增加固定支撑，使得搅拌轴晃动减少，从而可以改善弹簧的受力状况，减少弹簧的断裂几率。可是增加固定支撑会增加系统的复杂性。故选择“参数10-力”作为改善的参数，“参数36-系统的复杂性”作为恶化参数。
3.3查找矛盾矩阵
与发明原理序号对应的是：10预先作用原理，18机械振动原理，26复制原理，35物理或化学参数改变原理。
3.4发明原理分析
原理10为预先作用。此原理体现在二个方面：（1）预先对物体（全部或部分）施加必要的改变；（2）预先安置物体，使其在最方便的位置发挥作用而不浪费运送的时间。根据此原理，可能采用的方法有：在压盖和动环之间安装定位销，阻止压盖和动环之间发生扭动。
原理18为机械振动原理。此原理体现在五个方面：（1）使物体处于振动状态；（2）如果已处于振动状态，提高振动频率；（3）利用共振现象；（4）用压电振动代替机械振动；（5）使用超声波和电磁场振动耦合。根据此原理，可能采用的方法有：采用磁力密封代替机械密封。
原理26为复制原理。此原理体现在三个方面：（1）用简化的廉价复制品代替；（2）用光学复制品（图像）代替实物或实物系统；（3）如果已使用可见光拷贝，用红外线或紫外线代替。此原理对问题的解决贡献有限。
原理35为物理或化学参数改变。此原理体现在改变物体的物理或化学状态，如聚集态、浓度、密度、柔性和温度等。根据此原理，可能采用的方法有：采用刚度更好的弹簧。
4、基于TRIZ的设计方案完善
综合以上分析，形成了3个方案。
方案1：在压盖和动环之间预先安装定位销，使得连接的弹簧不易发生扭动。该方案简单易行，单独实施后，弹簧的寿命增加了近3倍。但是搅拌时物料除了作水平回转流动，还产生上下方向的循环流动，使得搅拌轴有径向摆动和轴向窜动，在这种工况的持续作用下还是不能保证弹簧的较长寿命。
方案2：采用磁力密封。该方案能进一步提升密封效果，免去弹簧断裂的几率，只是成本会稍微增加。
磁力密封技术是指初始闭合力来自磁性力，利用磁体能够吸引铁磁性物质的性质或者相同磁性之间的排斥力，通过轴向的补偿，使密封端面紧密贴合，来达到密封目的。它延用机械密封的工作模式，采用全新的浮动式设计理念，使密封结构更简单，功能更完善，有较好的密封效果，较长的使用寿命，基本不会损坏旋转轴外表面。对旋转轴在工作工程中产生的振动、偏摆、偏斜等不敏感，密封效果不会受到明显的影响。节省能耗同时又能保证设备的安全运行，适用于多种工况条件[4]。
图1所示为一种典型的磁力密封装置结构图，图2是磁力密封的实物图。其主要由静环、动环和密封圈组成。其中，静环为磁性材料，由高剩磁铝镍合金材料制成，其表面光滑，具有良好的热稳定性，且耐磨性好；动环为石墨，耐磨性和润滑性能好，镶嵌在磁性金属材料的动环座里；O型圈对径向配合进行密封，防止泄漏[5]。 方案3：采用刚度更好的弹簧。可选的有蝶形弹簧，斜圈弹簧等。
蝶形弹簧简称碟簧，它是一种由钢板冲压成碟形的薄板弹簧，体积小、承载能力大、加压均匀、缓冲和减震能力强。采用不同的组合（叠合或对合）可以得到不同刚度的变性特性曲线，最显著的优点是能在很小的变形条件下，承受范围变化很大的载荷，广泛应用于钻机、模具、液压件、制动器及军工中[6]。
此处可采用稍作改进的对合组合碟簧，见图3，即在一对蝶形弹簧之间加一垫片，将一对蝶形弹簧隔开，蝶形弹簧的锐角作用在垫片的平面上，与垫片平面全部接触，克服了蝶形弹簧失稳、扭曲变形的状态，提高了蝶形弹簧的强度。
斜圈弹簧，该弹簧的横截面为椭圆，受压时斜圈弹簧短轴方向受压。斜圈弹簧沿轴向绕制时上升和下降两个过程交替进行，同时具有正圈弹簧的升角和渐变的倾角，这种结构类型使斜圈弹簧具有优良的连接特性和力学性能。在饶性偏差较大的情况下，斜圈弹簧仍能保持恒定的力，该特性能够减小弹簧的变形量，并能最大程度的补偿表面不平及公差的影响。此外，斜圈弹簧能够承受一定的压缩变形，能够在震动、冲击等恶劣工作环境下正常运作。目前主要用于电力连接件和高温动密封件上[7]。
斜圈弹簧根据压缩变形方向可分为径向和轴向，此处作为密封件可以选用轴向斜圈弹簧，见图4。斜圈弹簧在压缩的过程中，每个线圈的受力和变形几乎都是独立的，可以很好地适应压缩面间的平整度误差，如图5所示。
为了使斜圈弹簧机械获得较好的密封性能和较长的使用寿命，要选择合适的斜圈弹簧的压缩量，保证斜圈弹簧始终处于 10%～35%的压缩位置。由于受到轴向力平衡的影响，斜圈弹簧也在不断变化，因此，在设计斜圈弹簧机械密封时，应高度重视介质压力对端面比压的影响。
5、结束语
TRIZ理论在解决实际工程问题上具有不可替代的优势。它不但能够帮助我们系统地分析问题的情境，快速地发现问题的本质和矛盾所在，而且它能够帮助我们打破思维定势，以一个全新的视角看待问题，促进产品的创新设计，提高产品在市场上的竞争力。
参考文献
[1]唐建兵.对机械密封在化工反应釜上的应用的探讨[J].化工管理，2014：152
[2]李昌根，邵婧，尚鸿昊.釜用机械密封的结构分析与改进[J].工业科技，2013，42（10）：37-39
[3]刘毅.反应釜搅拌轴上的密封[J].皮革化工，1994，（4）：11-12
[4]金浩，曲家惠，岳明凯.磁力密封装置的研究与应用[J].制造业自动化，2011，33（9）：114-116
[5]周永生.磁力机械密封设计方法及存在的问题[J].机械，2004，31（5）：63-64
[6]王晓波.碟形弹簧的力学性能研究（硕士论文）[D].郑州大学，2007
[7]张旭龙.斜圈弹簧在机械密封中的应用研究（硕士论文）[D].长安大学，2013
作者简介
吴燕玲（1982-），女，江苏南京，工程师，工学硕士，主要研究方向机械设计。
[关键词]TRIZ理论；釜用机械密封；弹簧
Abstract： The good seal performance of mechanical seal is very important on the reaction kettle. But the seal parts were always failure due to wear. The study is to investigate spring modified options with TRIZ to improve the sealing performance and life time.
keywords： TRIZ， reaction kettle mechanical seal， spring
1、引言
机械密封是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的旋转轴密封，在泵、反应釜、压缩机上已经大量使用[1]。反应釜是综合反应容器，反应过程中产生的压力对容器的密封要求极高。在一般中等压力或抽真空情况都会使用机械密封，而机械密封的密封效果将直接影响反应釜的运行，严重的将造成停产、安全事故及环境污染等不可估量的损失[2]。
本文利用TRIZ理论分析问题和解决问题的方法对机械密封中的弹簧断裂失效进行了分析及改进，旨在有效改善反应釜的密封性能，提高其可靠性和使用寿命。
2、TRIZ理论简介
TRIZ理论是发明问题解决理论的俄文缩写，是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500人/年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的一套发现问题解决问题的发明理论。在TRIZ中提出了用39个通用工程参数来描述技术矛盾，用40条发明创造原理来指导设计人员的创新设计，并且建立了对应关系，即矛盾矩阵。
应用矛盾矩阵解决实际问题时，须将设计中的特定问题预先处理，即用TRIZ的39个工程参数描述矛盾，并且要对使用矛盾矩阵得到的原理解进行后处理，即把原理解转化为领域解，以得到需要的特定解。
3、基于TRIZ的设计过程
3.1问题描述
搪瓷釜由釜体和搅拌系统组成，釜体和搅拌系统之间由机械密封进行密封。机械密封由紧固螺丝在压盖作用下压紧弹簧座，弹簧座固定弹簧，弹簧压紧动环，动环压紧静环起到密封的作用[3]。由于搪瓷釜搅拌系统没有固定支撑，在启动和搅拌过程中压盖和弹簧座存在扭动，晃动大，容易造成弹簧断裂，从而造成了泄漏。
3.2确定技术参数
存在的问题是：弹簧在工作中受到了额外大的扭转力发生了断裂损坏。如果在搅拌系统中增加固定支撑，使得搅拌轴晃动减少，从而可以改善弹簧的受力状况，减少弹簧的断裂几率。可是增加固定支撑会增加系统的复杂性。故选择“参数10-力”作为改善的参数，“参数36-系统的复杂性”作为恶化参数。
3.3查找矛盾矩阵
与发明原理序号对应的是：10预先作用原理，18机械振动原理，26复制原理，35物理或化学参数改变原理。
3.4发明原理分析
原理10为预先作用。此原理体现在二个方面：（1）预先对物体（全部或部分）施加必要的改变；（2）预先安置物体，使其在最方便的位置发挥作用而不浪费运送的时间。根据此原理，可能采用的方法有：在压盖和动环之间安装定位销，阻止压盖和动环之间发生扭动。
原理18为机械振动原理。此原理体现在五个方面：（1）使物体处于振动状态；（2）如果已处于振动状态，提高振动频率；（3）利用共振现象；（4）用压电振动代替机械振动；（5）使用超声波和电磁场振动耦合。根据此原理，可能采用的方法有：采用磁力密封代替机械密封。
原理26为复制原理。此原理体现在三个方面：（1）用简化的廉价复制品代替；（2）用光学复制品（图像）代替实物或实物系统；（3）如果已使用可见光拷贝，用红外线或紫外线代替。此原理对问题的解决贡献有限。
原理35为物理或化学参数改变。此原理体现在改变物体的物理或化学状态，如聚集态、浓度、密度、柔性和温度等。根据此原理，可能采用的方法有：采用刚度更好的弹簧。
4、基于TRIZ的设计方案完善
综合以上分析，形成了3个方案。
方案1：在压盖和动环之间预先安装定位销，使得连接的弹簧不易发生扭动。该方案简单易行，单独实施后，弹簧的寿命增加了近3倍。但是搅拌时物料除了作水平回转流动，还产生上下方向的循环流动，使得搅拌轴有径向摆动和轴向窜动，在这种工况的持续作用下还是不能保证弹簧的较长寿命。
方案2：采用磁力密封。该方案能进一步提升密封效果，免去弹簧断裂的几率，只是成本会稍微增加。
磁力密封技术是指初始闭合力来自磁性力，利用磁体能够吸引铁磁性物质的性质或者相同磁性之间的排斥力，通过轴向的补偿，使密封端面紧密贴合，来达到密封目的。它延用机械密封的工作模式，采用全新的浮动式设计理念，使密封结构更简单，功能更完善，有较好的密封效果，较长的使用寿命，基本不会损坏旋转轴外表面。对旋转轴在工作工程中产生的振动、偏摆、偏斜等不敏感，密封效果不会受到明显的影响。节省能耗同时又能保证设备的安全运行，适用于多种工况条件[4]。
图1所示为一种典型的磁力密封装置结构图，图2是磁力密封的实物图。其主要由静环、动环和密封圈组成。其中，静环为磁性材料，由高剩磁铝镍合金材料制成，其表面光滑，具有良好的热稳定性，且耐磨性好；动环为石墨，耐磨性和润滑性能好，镶嵌在磁性金属材料的动环座里；O型圈对径向配合进行密封，防止泄漏[5]。 方案3：采用刚度更好的弹簧。可选的有蝶形弹簧，斜圈弹簧等。
蝶形弹簧简称碟簧，它是一种由钢板冲压成碟形的薄板弹簧，体积小、承载能力大、加压均匀、缓冲和减震能力强。采用不同的组合（叠合或对合）可以得到不同刚度的变性特性曲线，最显著的优点是能在很小的变形条件下，承受范围变化很大的载荷，广泛应用于钻机、模具、液压件、制动器及军工中[6]。
此处可采用稍作改进的对合组合碟簧，见图3，即在一对蝶形弹簧之间加一垫片，将一对蝶形弹簧隔开，蝶形弹簧的锐角作用在垫片的平面上，与垫片平面全部接触，克服了蝶形弹簧失稳、扭曲变形的状态，提高了蝶形弹簧的强度。
斜圈弹簧，该弹簧的横截面为椭圆，受压时斜圈弹簧短轴方向受压。斜圈弹簧沿轴向绕制时上升和下降两个过程交替进行，同时具有正圈弹簧的升角和渐变的倾角，这种结构类型使斜圈弹簧具有优良的连接特性和力学性能。在饶性偏差较大的情况下，斜圈弹簧仍能保持恒定的力，该特性能够减小弹簧的变形量，并能最大程度的补偿表面不平及公差的影响。此外，斜圈弹簧能够承受一定的压缩变形，能够在震动、冲击等恶劣工作环境下正常运作。目前主要用于电力连接件和高温动密封件上[7]。
斜圈弹簧根据压缩变形方向可分为径向和轴向，此处作为密封件可以选用轴向斜圈弹簧，见图4。斜圈弹簧在压缩的过程中，每个线圈的受力和变形几乎都是独立的，可以很好地适应压缩面间的平整度误差，如图5所示。
为了使斜圈弹簧机械获得较好的密封性能和较长的使用寿命，要选择合适的斜圈弹簧的压缩量，保证斜圈弹簧始终处于 10%～35%的压缩位置。由于受到轴向力平衡的影响，斜圈弹簧也在不断变化，因此，在设计斜圈弹簧机械密封时，应高度重视介质压力对端面比压的影响。
5、结束语
TRIZ理论在解决实际工程问题上具有不可替代的优势。它不但能够帮助我们系统地分析问题的情境，快速地发现问题的本质和矛盾所在，而且它能够帮助我们打破思维定势，以一个全新的视角看待问题，促进产品的创新设计，提高产品在市场上的竞争力。
参考文献
[1]唐建兵.对机械密封在化工反应釜上的应用的探讨[J].化工管理，2014：152
[2]李昌根，邵婧，尚鸿昊.釜用机械密封的结构分析与改进[J].工业科技，2013，42（10）：37-39
[3]刘毅.反应釜搅拌轴上的密封[J].皮革化工，1994，（4）：11-12
[4]金浩，曲家惠，岳明凯.磁力密封装置的研究与应用[J].制造业自动化，2011，33（9）：114-116
[5]周永生.磁力机械密封设计方法及存在的问题[J].机械，2004，31（5）：63-64
[6]王晓波.碟形弹簧的力学性能研究（硕士论文）[D].郑州大学，2007
[7]张旭龙.斜圈弹簧在机械密封中的应用研究（硕士论文）[D].长安大学，2013
作者简介
吴燕玲（1982-），女，江苏南京，工程师，工学硕士，主要研究方向机械设计。