基于TRIZ理论的防松型钢丝螺套设计*

刘远祥，李正峰，崔万新

（1. 无锡商业职业技术学院机电技术学院,无锡 214153；2.无锡市务达五金制品有限公司,无锡 214174）

钢丝螺套是一种由截面为菱形的不锈钢丝加工而成的弹簧状内外螺纹同心体，是一种新型的螺纹紧固件，其外圈可作为外螺纹旋入基体的内螺纹内，由其内圈代替基体的内螺纹。钢丝螺套一般嵌入铝、镁合金、铸铁、玻璃钢、塑料等低强度的工程材料中，形成具有高连接强度的标准内螺纹。另外钢丝螺套还可用于修复失效的内螺纹，实现基体零部件的再利用。目前，钢丝螺套技术已广泛用于航空航天、汽车制造、兵器、电器、仪表等多个行业中[1-2]。

目前，钢丝螺套分为普通型和锁紧型两种。普通型钢丝螺套锁紧性能差，如图1（a）所示，不适合用于振动场合。为解决这一问题，将普通型钢丝螺套中间部位的若干圈圆形螺丝制成六边形锁紧圈，称为锁紧型钢丝螺套，如图1（b）所示。当螺栓拧入锁紧型钢丝螺套螺孔一半时，螺栓头部碰上锁紧圈，这时需用工具加力拧入，螺栓涨开了钢丝螺套的六边形锁紧圈。反过来，六边形锁紧圈卡住了螺栓的中径部位，径向夹持力起到了锁紧作用，在振动状态下螺栓不会松动。但是，这种锁紧型钢丝螺套加工工艺复杂、成本高，使用中还会出现如下问题：（1）螺栓旋入六边形锁紧圈时，受到径向夹持力的作用，如变形控制不合适，螺套会随螺栓一起旋转；（2）螺栓旋出时，同样由于受到锁紧圈的夹持，有时钢丝螺套会随螺栓一起旋出[1]。锁紧型钢丝螺套由于存在制造和使用方面的问题，大大限制了其应用范围。

图1 钢丝螺套Fig.1 Helicoil screw insert

针对这一问题，本文应用TRIZ理论设计了一种具有防松功能的钢丝螺套，将其称为防松型钢丝螺套。

1 防松型钢丝螺套的发明原理

1.1 TRIZ主要理论与方法

TRIZ一词是俄文首字母的缩写，中文翻译为“发明问题解决理论”（Theory of Inventive Problem Solving，TIPS)。前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S Altshuller）及其团队对全世界几百万件的发明专利进行了分析、归纳和提炼，并结合多学科的基本原理和技术领域的现有成果创建了TRIZ理论，正逐渐被世界上越来越多国家的技术人员所接纳、学习和采用，是一套可利用通用的规则和流程来针对不同领域问题进行技术创新的理论和方法[3]。TRIZ理论主要包括9大部分，特别是由39个通用工程参数和40条发明原理组成的冲突解决矩阵是解决技术冲突的有效工具，在产品创新设计中得到广泛应用。

发明问题解决模型如图2所示。首先选择特定的技术问题，然后利用39个通用工程参数将其抽象为一般问题,并描述技术冲突，通过冲突解决矩阵表给出的若干个发明原理，筛选出针对性强的发明原理,得到一般解；最后设计人员根据工程原理和自己的经验及灵感提出具体的工程解决方案[4-5]。

1.2 钢丝螺套技术冲突分析

TRIZ理论认为，当产品的某一个特性或参数得到改善的同时，会导致另一个特性或参数发生恶化，从而产生技术冲突。在冲突解决矩阵中，将39个通用工程参数与40条创新原理建立对应关系，矩阵的首行和首列都是按序号排列的 39 个通用工程参数，其中列代表改善的工程参数，行代表恶化的工程参数，在冲突解决矩阵中行列交叉位置的数字为解决该技术冲突所推荐的创新原理序号[3]。

图2 发明问题解决模型Fig.2 Model of problem-solving in invention

经过分析，找出钢丝螺套希望改进的参数“物体稳定性（防松性能）”和产生负面影响的参数“力（导致松动的动载荷）”、“形状（不能防松的对称三角螺纹牙型）”。根据冲突解决矩阵，构建的钢丝螺套技术冲突矩阵分析如表1所示。

表1 钢丝螺套技术冲突矩阵分析表

并不是表1给出的所有发明原理都能用于解决本文问题，经过分析，认为不对称原理（4）、预先作用原理（10）对解决本文问题有帮助。不对称原理提出“将物体的形状由对称变为不对称”；预先作用原理则可通过“预先对物体（全部或部分）施加必要的改变”[6]来解决原有的不足，达到期望的性能改善。在创新原理的启发下，本文通过改变钢丝螺套的截面形状来达到防松目的。

2 防松型钢丝螺套的防松原理

在螺纹连接中，当有横向动载荷（振动、冲击和变载荷）作用于螺母上时，会造成螺纹副的摩擦阻力急剧降低，甚至导致摩擦阻力瞬时消失，引起螺母回转而松动。防松的目的在于阻止螺母的反向转动。为此，美国发明了具有防松功能的施必牢螺母，国内又叫30°楔形角防松螺母，其特点是在内螺纹增加了30°的楔形斜面,加大了摩擦阻力，可以有效阻止螺母的反向转动[7-8]。

而钢丝螺套是内外螺纹同心体，其外螺纹与基体连接，相当于螺栓，内螺纹与螺栓连接，相当于螺母，于是设想将30°楔形角防松技术移植于钢丝螺套的内螺纹，即通过改变钢丝螺套丝材的截面形状，在不增加成本的前提下，就可实现钢丝螺套内螺纹和螺栓螺纹之间的防松。

图3（a）为普通型钢丝螺套丝材截面图，内外螺纹均为标准的三角形螺纹；图3（b）为防松型钢丝螺套丝材截面图，其外螺纹为标准螺纹，内螺纹一斜边在接近牙底处呈楔形，其楔形角等于30°。钢丝螺套自由状态直径大于旋入后直径，当用工具将钢丝螺套旋入基体后，在弹力作用下，其外螺纹与基体紧密接触，一般不会松动。

如图4（a）所示，如果是普通的钢丝螺套，当螺栓拧入后，钢丝螺套内螺纹的前面两个牙的螺纹面承受绝大部分的负荷，而后续螺纹面上的压紧力急剧减少甚至为零[6]。因此在较大横向动载荷作用下，很容易产生松动。

如图4（b）所示，当螺栓与防松型钢丝螺套拧紧时，全部牙顶紧紧顶在内螺纹30°楔形斜面上，而且螺旋线上每牙承受的载荷比较均匀，施加于楔形斜面上所产生的法向作用力与螺栓轴线成60°角，而不是普通标准螺纹的30°角，这样其径向分力大于轴向分力，增强了抵抗横向动载荷的能力，实现钢丝螺套的有效防松[7-8]。

3 防松型钢丝螺套的理想度评价

产品的主要目的是提供一定使用功能。TRIZ理论认为，在不增加新的物理实体前提下，对现有物理实体进行调整和优化也能实现所需的新功能。产品创新设计追求的目标是增加和优化有用功能，减少和消除负面因素。TRIZ理论采用如下公式对产品的理想度进行评价：

图3 普通型钢丝螺套与防松型钢丝螺套横截面比较Fig.3 Cross section comparison between common type and anti loose type of helicoil screw insert

图4 普通钢丝螺套与防松型钢丝螺套受力比较Fig.4 Stress comparison between common type and anti-loose type of helicoil screw insert

式中，Ideality为理想度，Benefits为效益，Costs为代价，Harms为危害。代价包括生产成本、空间占用、能量消耗等；危害包括产生的废弃物及对环境的污染等。产品的理想度与其效益之和成正比，与所有代价及所有危害之和成反比[9-10]。据此对防松型钢丝螺套进行理想度分析可以看到，防松型钢丝螺套与普通螺套在制造中的区别只是模具不同，其他制造工艺不需改变，即分母部分几乎没变，而分子部分增加了防松功能，无疑这是朝着理想化方向发展的最佳途径。另外这也符合TRIZ理论所推荐的优先利用内部资源的原则。

4 结束语

防松型钢丝螺套的设计和研制被列为2012年江苏省普通高校科研成果产业化推进项目，无锡市务达五金制品有限公司承担了试制任务，小批量生产了M8、M10、M12等3种规格的钢丝螺套，通过观察和试验，M8以下规格的钢丝螺套由于不能形成明显的30°楔形斜面，防松效果不明显，而M10、M12两种规格的钢丝螺套具有可靠的抗振、防松性能。由此可知，这种防松技术适用于M10以上规格的钢丝螺套。由于具备成本优势，可部分替代锁紧型钢丝螺套，更主要的是安装和拆卸更加容易，节省操作时间，提高工作效率。

[1]崔万新，李正峰.防松型钢丝螺套: CN201220096139.7[P].2012-10-24.CUI Wanxin, LI Zhengfeng. Anti-loose helicoil screw insert:CN201220096139.7[P]. 2012-10-24.

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