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摘 要：文章采用TRIZ理论指导，对泥水盾构机的泥浆门密封系统进行了设计改进。首先对泥浆门密封进行了技术矛盾的描述和参数转化，运用矛盾矩阵择优选用创新原理，结合工程实际对不同方案进行比较分析，最后得到了较合理的问题解决方案。本次应用尝试表明TRIZ理论在解决工程技术问题过程中具有较好的指导意义，可供技术创新方法研究提供一定参考。
关键词：TRIZ；创新理论；泥浆门；密封
1 概述
“TRIZ”理论是当今世界上最先进的科学思维，是技术创新的现代化工具[1]。传统创新方法采用知识学习和交流的方式，消耗大量时间，而利用TRIZ语言和思维方法定义创新问题，可使研发人员快速地理解和掌握问题实质[2]。许多公司都已成功地把TRIZ运用于生产和管理等方面，如福特、三星等[3]。目前，TRIZ已逐渐由当初擅长的工程技术领域，向自然科学、社会科学、管理科学、生物科学等多种领域渗透，尝试解决更广泛范围内的问题[4]。
TRIZ理论引进中国时间并不长，目前国内也仅有极少数企业进行应用尝试，具体实施方法、案例和经验均较欠缺，部分企业的管理者和技术人员对TRIZ还持有一定怀疑态度和观望心态[5]。积极在企业管理和研发过程中应用这一创新方法、积累更多的应用实例对促进TRIZ在我国企业中的推广应用很有意义。本文运用TRIZ理论中解决技术矛盾的相关方法，对泥水盾构机的泥浆门密封进行改进设计，得到了较好的解决方案，可供运用TRIZ解决工程实际问题进行参考。
2 问题背景
泥浆门是泥水平衡盾构机（简称泥水盾构）上重要的安全装置，如图1所示，使用过程是：油缸将泥浆门下放直至门板将泥浆进口完全遮盖，然后往密封气囊里面充气使密封圈膨胀，膨胀的密封圈外部密封面压紧在泥浆进口周围的隔板上，这样位于泥浆门前面的泥水舱与后面的气垫舱被隔离开来；随后，排空气垫舱内泥浆，工作人员在常压下进入气垫舱内作业，从而避免了高风险和高成本的潜水作业和气压作业。在实际工程中，由于泥浆门使用频率低，常年浸泡在气垫舱内的泥浆中，易受到泥浆中固体颗粒的磨蚀，密封圈经常失效损坏。另外，这种密封结构的密封效果也不稳定，有泥浆泄漏的风险，给舱内工作人员带来很大危险。泥浆门密封的失效原因主要有：（1）密封圈容易磨損破坏；（2）密封面容易嵌入固体颗粒影响密封效果；（3）密封圈的充气气嘴容易漏气。
3 问题分析
3.1 技术系统分析
根据TRIZ理论，一个技术系统包括两种物质和一个场三部分，解决技术问题，首先应明确引起问题的技术系统。在这个问题中，引起问题的技术系统是泥水舱和气垫舱内的泥浆、固体颗粒、充压介质（压缩空气）。泥浆门密封这一技术系统的主要成分及对应功能如表1所示。
在该技术方案中，密封圈在充入压缩空气后膨胀，将唇形密封面压紧在隔板上实现密封。密封面的接触压力可以通过调节空气压力来控制。增大充气压力有利于提高密封效果，但盾构机上常用空压机额定压力较小，调压范围有限；另外，由于充气密封圈的结构特点，其壁厚不能太厚，否则同样密封接触压力下将需要更大的充气压力。由于泥浆门使用频率低，如配置高压空压机，将导致设备利用率低、盾构机管路系统整体成本增高。
3.2 陈述技术矛盾
在该实例中，需要改善的技术特性是密封圈的耐磨性、抵抗固体颗粒杂质的能力和气嘴可靠性。综合考虑密封圈材料、结构等方面的改善因素，又不至过多增加系统的复杂性，构建以下技术矛盾：
技术矛盾1：增加密封圈壁厚（可提高抵抗破坏性能），则需要提高充压压力。
技术矛盾2：提高充压压力（可提高密封性能和抵抗固体颗粒能力），则需增大空压机的额定输出压力，这将要求全面提高整个供气管路及其所有元器件的承压能力，这将较大幅度增加供气系统的成本和系统泄漏风险。
3.3 解决技术矛盾
3.3.1 技术矛盾1
对照TRIZ中的矛盾矩阵，寻找意义上与上述矛盾特性最接近的通用工程参数。与特性“增加密封圈壁厚”最接近的是“形状”，与“需要的充压能力”最接近的是“力”。在矛盾矩阵中对应的单元格数字是：10#、35#、37#、40#。对这些创新原理分析如下：
原理10#“预先作用原理”建议如下：A.预先对物体（全部或部分）施加必要的改变；B.预先安置物体，使其在最方便的位置，开始发挥作用而不浪费运送时间。
应用原理10#需要使密封圈预先承受一定的力（压力或张紧力），在不使用泥浆门或密封圈不起作用期间，将密封圈置于一个安全的位置，该位置应有效避免实际使用环境对密封圈造成损伤进而影响其性能。这使我们想到：在泥浆门使用前可以将密封圈“封装”保护在密封槽内，或者安装时就使密封圈在预紧力作用下“收缩”在密封槽内。
原理35#“物理或化学参数改变原理”建议如下：A.改变物体的物理状态；B.改变物体的浓度或密度；C.改变物体的柔性；D.改变温度或体积。
应用原理35#建议改变系统的物理性能，可以考虑改变密封圈安装座、密封圈或充压介质的物理性能。安装座由于尺寸较大，目前采用普通钢材，使用期间并无不合适之处；密封圈目前使用的是具有较好耐磨性和耐腐蚀特性的橡胶材料，其使用中的破坏并非来自材料自身；根据该处的使用要求和环境特性，应使用一种耐腐蚀的、具有一定弹性和耐磨性的材料。因此，目前采用的橡胶材料是合适的，但是可以考虑改变密封圈的局部性能（如密封接触面的硬度），也可考虑改变密封圈断面的形状或尺寸；改变充压介质的物理特性则可以考虑将当前的充压介质由气态改为液态，即使用液压或水压来加压，此时，充压介质的压力将不再是问题（特别是液压，不但调压范围大，而且取压方便），但液体的质量和黏性远大于气体，这又要求密封圈回弹性能和强度要相应增强，充压系统的结构性能需要改善以弥补上述缺陷。
原理37#“热膨胀原理”建议如下：A.利用材料的热膨胀或热收缩；B.组合使用不同热膨胀系数的几种材料。
根据原理37#A，可考虑在密封圈充气腔内加设电加热装置或对密封安装槽加热（不实用），在需要高的密封气压时可以对腔内气体加热使其进一步膨胀而获得更大压力。原理37#B需要使用几种材料，这直接增加了结构的复杂性，不适合该处较恶劣的使用工况。
原理40#“复合材料原理”建议如下：用复合材料代替均质材料。
经分析和比选，在目前工程上使用的密封材料中，“橡胶”具有更经济、通用的优点。
3.3.2 技术矛盾2
与特性“增大充压能力”最接近的是“力”，与“供气系统的适应性变差且导致整个供气网络复杂化”最接近的是“系统的复杂性”。在矛盾矩阵中对应的单元格数字是：10#、18#、26、35#。对这些创新原理分析如下：
原理10#“预先作用原理”建议如下：A.预先对物体（全部或部分）施加必要的改变；B.预先安置物体，使其在最方便的位置，开始发挥作用而不浪费运送时间。
根据原理10#A，可在泥浆门上下提升动作和密封贴紧动作之前或过程中，对泥浆门周围的环境进行改善处理，如人工清理泥浆进口周围的大颗粒固体，对密封面进行必要冲刷等，创造一个良好的系统运行环境有利于密封系统的后续功能实现。
原理18#“机械振动原理”建议如下：A.使物体处于振动状态；B.如果已经处于振动状态的物体，提高其振动频率；C.利用共振现象；D.用压电振动代替机械振动；E.超声波振动和電磁场耦合。
根据原理18#建议，可以利用机械振动预先对泥浆门密封区域进行“清洗”以便为后续的密封作用实现创造一个更好的接触面条件。但综合考虑泥浆门系统中诸如提升油缸、传感器等必要组成部件，机械振动对整体系统是有害的，会带来新的问题。
原理26#“复制原理”建议如下：A.用经过简化的廉价复制品，代替不易获得的、复杂的、昂贵的、不方便的或易碎的物体；B.用光学复制品（图像）代替实物系统；C.如果已使用了可见光拷贝，用红外或紫外线代替。
根据使用环境，本条建议不具有实用价值，不适用。
原理35#“物理或化学参数改变原理”再次出现，分析见上述说明。
4 最终方案
将原理10#和原理35#结合起来，提出一个简单的解决方案：采用液压作为充压介质（35#A）提高加压能力，加大密封圈厚度，特别是密封面方向的厚度尺寸（35#D）以提高耐机械磨损性能和回弹性（10#），在泥浆门底部加设一道刮擦装置（10#）以便在泥浆门下移过程中提前刮除密封面上可能粘附的固体颗粒。该方案并不增加当前系统复杂性，可明显提高密封的使用寿命和承压性能。改进方案经工厂验证，达到了预期效果。
5 结束语
创新是推动技术进步关键，任何有助于提高我们创新能力的物质、方法理论均应大力提倡和推广，TRIZ创新理论更应如此。本次应用尝试表明，在应用TRIZ指导创新和解决实际问题过程中，除了正确理解该理论的原理和各种方法内涵外，还需应用者具备一定的知识和经验，宽广的知识面和丰富的实践经验辅以正确的创新方法指导，能够更有利于产生高质量的创新火花。
参考文献
[1]谢东钢，王建国，杨拉道，等.“TRIZ”理论是科技创新的现代化工具[J].重型机械，2010（1）：1-9.
[2]王珊珊，王宏起.产业联盟应用“TRIZ”加速创新的机理与方法研究[J].情报杂志，2012，31（5）：192-197.
[3]徐峰.国外企业应用创新方法的经验与启示[J].中国科技论坛，2009，8（8）：140-144.
[4]赵敏，史晓凌，段海波.TRIZ入门及实践[M].科学出版社，2013，2.
[5]吴永志，曹俊强，李乃川，等.TRIZ技术创新方法在企业中推广模式研究[J].黑龙江科学，2013，3（1）：43-46.
作者简介：唐崇茂（1982-），男，工程师，从事隧道掘进装备研究和设计。