基于TRIZ理论降低压缩机定转子同轴度不良率

郭蘅，秦永强

摘  要：针对转子压缩机热套过程中，定转子同轴度不良问题，采用TRIZ创新工具进行研究。使用TRIZ方法对目前的问题进行了因果分析、系统功能分析以及资源分析，确定主要问题。然后利用裁剪、技术矛盾分析、物理矛盾分析、物场模型、How-to模型、功能导向搜索、进化法则对问题进行分析求解，共得到30个优化解决方案，下线率降低88%。经济效益显著。

关键词：压缩机；同轴度；TRIZ；创新

Reducing the coaxiality defect rate of rotor compressor based on TRIZ theory

GUO Heng ,QIN Yongqiang

Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai    Zhuhai Guangdong 519070

Abstract: In order to improve the coaxiality in the process of heat assembly of rotor compressors, TRIZ innovative tool was used to study it. TRIZ method was used to analyze causality, system function and resources to determine the main problems. Then, the problem was analyzed and solved by cutting tool, technical contradiction analysis, physical contradiction analysis, object field model, How-to model, function-oriented search and evolutionary law. A total of 30 optimal solutions were obtained, and the offline rate was reduced by 88%. Remarkable economic benefits. optimal

Key words:Rotor compressor; Coaxiality;TRIZ; Innovation

0 引言

压缩机在当前生活中用途日益显著，其可靠性一直是机械和空调行业的研究焦点[1-3]。压缩机电机，主要应用于压缩机壳体内，为整机正常运行提供动力。电机主要包括定、子组件两部分。压缩机装配时，转子组件位于定子内腔，使转子外圆与定子内圆之间形成一定间隙和良好的同轴度，以保证转子顺畅转动 (压缩机内部结构见图1）。压缩机定转子同轴度对其性能和可靠性有重要影响。但目前的研究，均聚焦于从技术角度解决压缩机的各项异常[4-8]，对于从TRIZ创新方法的角度提出解决方案，未有先例。

针对转子压缩机热套过程中，定转子同轴度不良问题，首创采用TRIZ创新工具进行研究。使用TRIZ方法对其进行了因果分析、系统功能分析以及资源分析，确定主要问题。然后利用裁剪、技术矛盾分析、物理矛盾分析、物场模型、How-to模型、功能导向搜索、进化法则对问题进行分析求解，提出优化方案，经验证效果显著。

1  问题描述

目前新开发一种电机，在压缩机的试装配或试运行过程中，发生电机定、转子同轴度不良现象。新品同轴度不良率2353PPM，高于项目期望值（600PPM）。因此，需要优化压缩机的电机设计，使其能在静止和高速运转条件下均具有良好的同轴度（<600PPM），并能够适应各种运行工况，保证稳定的性能。

图1 压缩机内部结构

(1)技术系统名称： 压缩机电机

(2)技术系统功能：带动泵体组件转动

(3)当前主要问题：某新品同轴度不良率2353PPM，高于标准（600PPM）

(4)初步解决思路及缺陷：

思路：减小定子与壳体间，转子与曲轴间的热套过盈量

缺陷：减小过盈量，易导致整机运行过程中，定子与壳体之间、转子与曲轴间相互滑动，影响可靠性；

(5)设定目标：改善现状，降低定转子同轴度不良率，目标下线率≤600PPM

(6)技术系统IFR：不存在电机，泵体组件自身实现动力供应

2 问题分析

1.1因果链分析

对技术系统进行因果链分析（图2），可识别因果链中的关键问题为：（1）壳体内径不足；（2）定子外径过度；（3）定子硬度不足；（4）壳体硬度过度；（5）转子内径不足；（6）曲轴外径过度；（7）转子材料硬度不足；（8）曲轴材料硬度过度；（9）主平衡块质量过度；（10）主平衡块质量不足；

图2 因果分析

1.2功能分析

对系统进行功能分析（图3）,需要解决的关键问题：（1）主平衡块平衡不足；（2）负平衡块平衡不足；（3）壳体对定子的固定作用有害；（4）曲轴对转子的固定作用有害；（5）曲轴对转子的振动有害；（6）除曲轴外的其他泵体组件对曲轴的振动有害。

图3 功能分析

1.3资源分析

系统的资源分析见图4

图4 系统资源分析

3 问题求解

3.1 裁剪

裁剪1：拟裁剪组件——转子。

依据裁剪规则B，裁掉转子，加粗曲轴长轴，使曲轴本身可与定子配合形成稳定磁场。

裁剪方案展示见图5。同样，根据裁剪规则，裁剪其他组件，得到另外4个方案。方案汇总见表1。

图5裁剪及方案展示

表1裁剪得到的方案

方案	解决方案模型
1	使曲轴本身可与定子配合形成稳定磁场
2	使定子自身执行固定和支撑功能
3	尝试使转子自身实现自平衡
4	尝试使转子自身实现自平衡
5	使转子既可与定子配合形成磁场，也可替代曲轴引发转动

3.2 技术矛盾：

技术矛盾1：减小定子外径，可减小定子内壁应力但会恶化可靠性

方案6：依据NO.35 发明原理——改变特征的启发：增加定子材料化学参数，使其对壳体内壁具有吸附力，这样减小定子外径也不恶化可靠性，见图6。同样，我们根据其他技术矛盾分析，得到另外9个方案。

技术矛盾分析得到的方案汇总，见表2

图6  方案6展示

表2 技术矛盾分析得到的方案汇总

序号	解决方案模型
6	改变定子材料参数，使其对壳体有吸附力，然后减小定子外圆直径
7	定子采用复合材料，减轻质量，然后减小定子外圆直径
8	增加壳体内壁粗糙度
9	壳体采用复合材料，对定子有吸附力气
10	定子动态化，内部竖直方向增加弹簧
11	增加曲轴外圆粗糙度
12	曲轴采用复合材料，对转子又吸引力
13	改变转子内孔粗糙度
14	定子采用较轻复合材料
15	转子动态化，内部竖直方向增加弹簧

3.3 物理矛盾：

物理矛盾1：针对主平衡块的质量既要大，又要小的问题，利用发明原理“NO.15动态特性原理”可得方案16，分析过程见图7。同样，我们可以根据其他物理矛盾分析，得到另外2个方案。物理矛盾分析得到的方案汇总见表3。

图7 物理矛盾1分析求解过程

表3 物理矛盾分析得到的方案汇总

方案	解决方案模型
16	主平衡块分为两部分，一部分为原材料，一部分内封制冷剂，当曲轴挠度过大，制冷剂所受力矩较大，通过渗透膜状外壁流出，自动减小质量，自动调节平衡
17	转子内外侧采用不同材料，外侧硬度低，内部硬度高
18	定子内外侧采用不同材料，定子外侧硬度高，内部硬度低

3.4 物场分析

物场模型1：转子外壁与定子内壁之间同轴度不足，为不足物场模型，采用2.1.1级标准解

可尝试基于NO.14标准解——串联物场：在定转子之间引入轴承，见图8。同样，我们可以根据其他物场分析，得到另外2个方案。物场分析得到的方案汇总见表4。

图8 物场分析过程

表4 物场分析得到的方案汇总

方案	解决方案模型
19	定转子间引入微型轴承
20	在转子上加上转子支架
21	在定转子之间引入互斥的磁场
22	在壳体和转子之间引入相互吸引的磁场

3.5 知识使能（How to模型）

（1）通过功能分析，关键问题之一转子运转过程中随轴旋转而挠度较大，其需要改善功能是保持位置；

（2）转化为HOW TO模型：HOW TO 稳定物体位置；

（3）查找功能代码表：可对应到11-稳定物体的位置；

（4）可对应查找物理效应：TRIZ推荐的物理效应为电场、磁场、磁性液

物场分析得到的方案汇总见表5。

表5 How-to模型得到的方案汇总

方案	解决方案模型
23	在曲轴周围加一个强的磁场，并使其能在曲轴弯曲方向产生相反方向的吸引力，减小弯曲挠度
24	在转子和定子之间充满磁性液体，并使其能自动调节曲轴各方向的受力，时刻保持受力均匀，减小弯曲挠度
25	利用外部电厂，在曲周尾部安装一个弹性固定结构，时刻拉动曲轴尾端，使其保持竖直状态

3.6 功能导向搜索

（1）功能语言描述：通过功能分析，关键问题之一是轴系运行振动导致倾斜，需要改善的功能是减小轴系振动倾斜；

（2）一般化功能：将“减小轴系振动倾斜”功能一般化为“消除振动”；

（3）确定领先领域：在航天装置或汽车装置，已面临并解决过类似问题；例如：增加配重、改变重量或改变装配位置，改变零件的固有频率，避开与其他零件的频率共振。

功能导向搜索得到的方案汇总见表6。

表6  功能导向搜索得到的方案汇总

方案	解决方案模型
26	降低转子的热套高度，改变固有频率，避免与其他零件共振。
27	在轴系上增加配重装置，改变固有频率，避免与其他零件共振。
28	在轴系和其他零件间增加阻尼结构，降低振动

3.7 技术系统进化

进化法则/路线3——动态性进化法则：将压缩机内部原本的电机定子内壁，改善为动态自动调节结构，可根据转子的倾斜或曲轴的弯曲程度，自动调节其与转子的同轴度。可得方案29，见图9所示。同样，我们可以根据其他进化法则，得到另外1个方案。进化法则分析得到的方案汇总见表8。

图9  方案29

表8 进化法则分析得到的方案汇总

方案序号	解决方案模型
29	电机定子内壁，改善为动态自动调节结构，可根据转子的倾斜或曲轴的弯曲程度，自动调节其与转子的同轴度
30	将电机定子结构，缩小为微型磁场发生装置，可避免定转子间同轴度不良

4 方案评估与验证

对所的30个方案，从理想度、技术难度、可靠性、经济性等几个维度，进行评分（每项满分为5份），其中评分最高的为方案6、19、26。其中，方案26（降低转子热套高度）已验证，项目前平均2353PPM；目标减至600PPM；现仅为279PPM。下线率降低88%，效果良好，目标达成。见图10。

图10  方案26验证结果

6 结论

通过TRIZ创新工具应用，效率方面，降低压缩机下线率，工作提高效率20%。质量方面，项目前平均2353PPM；目标减至600PPM；现仅为279PPM，效果良好。成本方面，目前方案仅降低转子热套高度，成本未增加。收益方面，项目前平均2353PPM，目标减至600PPM，现仅为279PPM，降低88%。经济效益100万/年。

参考文献

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