RIZ 理论在搅拌器叶轮分散水泥浆多种联接方式的研究

朱 科 肖桂华

（黑旋风工程机械开发有限公司 湖北 宜昌 443003）

摘 要：采用高速旋转的叶轮剪切混合液体，叶轮充分碰撞混合液体产生紊流，从而使混合物质分散均匀。叶轮高速剪切效率很高，结构简单。叶轮磨损后在现有结构基础上不易拆开更换，通过ＴＲＩＺ理论的多种方法的运用，能够找出合适的联接方法或者分散浆液的方法。

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关键词 ：矛盾；物场模型；创新原理；标准解；进化模式；浆液分散；ＴＲＩＺ；文丘里效应

中图分类号：TH122 文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1665－2272．2015．05．043

0 前言

在基础水电施工领域，需要按一定比例配制好水泥和清水，配制好的混合液体具有一定流动性和粘度性能。一般采用高速旋转的叶轮剪切混合液体，叶轮充分碰撞混合液体产生紊流，从而使混合物质分散均匀。叶轮高速剪切效率很高，结构简单，生产厂家普遍使用。叶轮一般采用平键传递转矩，轴向通过螺栓压紧的方式（图1）。

这种结构在制备水泥浆很长时间后叶轮磨损，需要更换叶轮，出现问题：叶轮长期同水泥浆磨擦，由于水泥浆的磨砾性，压紧叶轮的螺栓外六方被磨蚀为不规则形状，导致螺栓不能拆下。同时水泥浆液凝结成固体后抗挤压强度大。叶轮同叶轮轴是间隙配合，平键在长度方向上同平键槽是有缝隙的，水泥浆在这些有空隙的地方固化为结石，也会导致叶轮不好更换。此时用户一般采用方法：气割掉螺栓端部，叶轮轴端部重新攻丝，更换平键、叶轮，操作起来极不方便，用户强烈要求解决快速更换叶轮的问题。

通过运用ＴＲＩＺ的组件价值分析、技术矛盾、物理矛盾、物场模型、进化趋势多种方法取得分散水泥浆多种联接等方式并解决了发上方案不足。

1 利用ＴＲＩＺ理论对叶轮联接多种方式进行设计

1．1 组件价值分析

组件价值分析用价值工程的方法，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件的理想度。

从功能贡献、问题影响、成本分配三个方面分析组件在技术系统中的理想度。分析结果功能最少，问题最多的功能组件进行裁减。组件分析后功能最少、问题最多的组件是叶轮（图2）。

方案：把叶轮裁剪掉掉，与叶轮相关的平键、平垫、螺栓取消，叶轮同叶轮轴做成一个整体。这种方案是提高了加工难度，因为整体轴加工需要的工装会更多，加工完后还会有校正动平衡工艺。

根据理想度诊断分析， 得出影响叶轮拆装的三个功能因素： ①水泥浆对叶轮的磨损，减少叶轮尺寸；②水泥浆对螺栓外六方的磨损，不利于拆装；③水泥浆对叶轮轴的磨损，减少叶轮轴尺寸。

通过ＴＲＩＺ专用软件ｐｒｏ／iｎｎｏｖａｔｏｒ，作出问题分解图（见图3）。

通过图3，明确了解题的思路方向，导致叶轮不好拆下的原因有：叶轮联接方式和螺栓外六方磨损。解决问题就是针对问题模型利用中间工具解决找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解的过程。创新原理、标准解、进化模式都是解决问题的工具，还有一个重要工具就是知识库：借鉴其他领域已有的先进解决方案解决本领域的问题。

1．2 查询知识库

1．2．1 针对改变叶轮联接方式，叶轮变形为无键联接

查询知识库，《径向变形在没有键的驱动轴上安装叶轮》得到如下方案：在螺帽轴向力的作用下，叶轮发生径向变形，径向变形缩小了叶轮中心孔直径，叶轮的中心孔向内径方向偏斜，偏斜将中心孔表面和驱动轴紧固起来。取消平键，拆叶轮时只需松下螺母即可（见图4）。

1．2．2 查询知识库，从《内循环混合原料》中的结构上获得到启发

改进叶轮结构。将水泥灰以及水，从一侧供给至混合容器内。在一个大直径螺旋同轴上配置有一种较小直径的反转叶片，由一个电机对轴进行旋转。在轴的旋转期间，一部分混合物大螺旋正向移动，另一部分混合物被反转小叶片反向移动。利用此种内循环，在输出端可获得高度均匀度的产物（见图5）。

1．3 利用矛盾矩阵解决技术矛盾

1．3．1 导致叶轮不好拆下原因之一：螺栓外六方磨损

在这个思路下，找到技术矛盾，然后利用ＴＲＩＺ矛盾矩阵查找创新原理。

针对转化问题“如何改善螺栓外六方磨损”使叶轮方便更换的问题，具体构思：改善螺栓外六方材料，使外六方材料在叶轮磨损前还保持外形。此方案改善的参数“物体的强度”，恶化的参数“物体可制造性”，即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找到可以利用局部质量原理。

螺栓的外六方采用耐磨材料，螺纹圆柱采用45钢，使螺栓外六方足够耐磨，方便叶轮拆装（见图6）。

1．3．2 更换螺栓

利用《变色指示器确定剃须刀头》的专利类比，螺栓外六方在中心位先钻一沉孔，直径小于螺柱直径，一旦外六方外圆被水泥浆磨损坏，叶轮从叶轮轴脱落。指示更换螺栓（见图7）。

1．3．3 针对转化问题“如何改善叶轮的材料不足”

改善的参数“物体的形状”，恶化的参数“系统的复杂度”，得到以下方案（见图8）。利用分割原理，将物体分成容易组装和拆卸的部分，叶轮采用螺纹联接。

1．4 利用分离原理解决物理矛盾

通过技术矛盾分析找到了物理矛盾——叶轮的耐磨性：既需要提高耐磨性，保证高的使用寿命，又要不高的耐磨性而便于加工。可以利用解决物理矛盾的分离原理。方案描述：把叶轮分解为两种材料组成，叶轮与叶轮轴接触部分为45钢，叶片为耐磨合金材料。叶轮与叶轮轴定位压紧通过内六角螺钉装配在叶轮径向，螺栓外侧装入弹性橡胶便于更换叶轮（见图9）。

1．5 利用ＴＲＩＺ物场模型和标准解求解

以系统功能组件为基础，进行功能分析，得到物场模型，通过标准解来转化问题。明确问题部位：分散水泥浆使用时间长了，叶轮不易从叶轮轴拆下来，问题部位在叶轮及叶轮轴的联接方式，既满足分散水泥浆，又能方便使两者分离。

建立物场模型：建立叶轮和叶轮轴物场模型，Ｓ2是叶轮，Ｓ1是叶轮轴，Ｆ是机械场（螺栓联接力），作用关系是不足（用时间长了，不好拆），有用的作用是叶轮传递叶轮轴转矩，有害作用是不好拆（见图10）。

1．5．1 应用标准解法，引入Ｓ1或Ｓ2的变形来消除有害作用

分析资源：系统内有资源，可更改叶轮轴结构。

方案描述：在叶轮轴上加工可自锁锥度，同叶轮联接，使叶轮可以在叶轮轴上定位压紧。此联接应在电机联接处，不与水泥浆接触（见图11）。

1．5．2 引入超系统物质来消除有害作用

分析资源：系统内有超系统资源：壳体上放浆螺栓。

方案描述：利用壳体上的放浆螺栓，使之加长，端部加工成球面，支撑叶轮在叶轮轴上定位（见图12）。

1．5．3 引入超系统物质来消除有害作用

分析资源：系统内有超系统资源：叶轮旋转时，水泥浆对叶轮的浮力

方案描述：利用浮力支撑叶轮在叶轮轴上定位压紧，不再需要压紧叶轮螺栓（见图13）。

1．6 由进化路线构思解决方案

明确本技术方案所处的进化阶段，找到进化路线上的有潜力的技术空白点，明确产品技术的进化方向。通过功能分析，可以按分散水泥浆功能向可控性发展为进化路线（见图14）。

分散水泥浆功能的最终理想情况是取消叶轮，采用场的方法及原理去实现。

查知识库《用喷射泵来分散粉液体》专利，利用文丘里效应来分散水泥粉体及清水，描述如下：取消叶轮。引入一个外来物：离心泵及管路。在腔室内先充满液体（清水），用离心泵通过吸入管路吸入液体，在输出管路上增设一个带阀门的三通，阀门上端放置水泥粉体。当液体输出管路循环时，打开阀门，在三通管路产生负压（文丘里效应），粉体被大气压压入三通管路。随着液体循环，粉体不断混合，实现水泥及水的分散功能（见图12）。

2 实际使用情况

利用分割原理图（见图8），在ＺJ－400机型中的叶轮结构中进行了运用，效果理想。同时按照图4，径向变形在没有键的驱动轴上安装叶轮正在设计之中。

3 结语

通过利用ＴＲＩＺ理论对叶轮联接方式、分散水泥浆方式的研究，充分利用了系统资源，超系统资源，利用物场分析，得到了标准解，利用矛盾矩阵解决了技术矛盾，利用分离原理解决物理矛盾，也利用知识库，借鉴其他领域已有的先进解决方案解决本领域的问题。

ＴＲＩＺ理论可以实现产品快速创新，是解决技术问题的理论工具。它可以通过专用软件ｐｒｏ／iｎｎｏｖａｔｏｒ对所有可用的资源进行梳理，让设计创新有方法步骤可循，使设计者告别头脑风暴、试错法等方法，让创新成为一种人人可做的事情。

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参考文献

1 水利水电工程施工手册第一卷—地基与基础工程［J］．中国电力出版社，2004

2 中国机械工程学会，机械设计手册第3卷［J］．机械工业出版社，2001

3 中国机械工程学会，往复泵设计［J］．机械工业出版社，1987

（责任编辑 亢婷婷）