基于功能設計的軌道運輸車的開發

劉宏勛， 霍孟顯

（河北豐維機械制造有限公司，河北邢臺 054500）

0 引言

鑄造車間環境惡劣，同時存在的諸多不安全因素，可能導致多種危害，需要從管理和技術方面采取措施，減少職業危害。尤其是應當提高自動化水平，減少操作人員。我公司在冶煉車間和澆注車間之間的澆包傳統運輸方式是以吊車運輸和叉車搬運為主，叉車操作人員離澆包較近，可能被飛濺的鐵水燙傷，危險性較高。公司在2015年度展開的技改項目中，對澆包的運輸方式進行改造，以提高車間安全生產水平，提高工人的安全保障，并保證生產效率。公司立項設計開發載重10 t的軌道運輸車，以代替運輸叉車在澆包運輸中的使用。

1 概念設計

概念設計是產品設計的前端。概念設計的主要任務是根據設計任務提出的產品需求，通過抽象化設計產品的功能結構，再具體化，找到恰當的作用原理并適當地組合，獲得原理層次上的產品求解。

20世紀70年代，德國柏林工業大學的Pahl和Beitz教授提出的系統化設計思想[1]，認為產品設計是一個系統的連續具體化過程。在產品的開發和設計實踐中，從抽象的設計要求出發，不斷地具體化，物化，最終完成設計。日本東京大學吉川弘之等人提出了以元模型為核心的通用設計理論[2]。以上提到的概念設計理論或者提出了概念設計的操作規范，或者提出了概念設計認知規律，給產品設計者提供概念設計理論指導。

2 效 應

效應是TRIZ中一種基于知識的解決問題的工具。對于一個工程問題或者產品設計，運用物理、化學和幾何效應可以獲得更多解決方案，從中選擇較理想和簡單的方案。效應通常使用定律描述，定律通常揭示了科學規律中有關的量之間的定量或定性關系[3]。效應依據客觀規律實現了輸入量向輸出量的轉化，從而能夠實現相應的功能。

效應是發明問題解決理論中一種基于知識的工具。TRIZ中效應知識庫中效應的主要信息源是專利[4]。效應從本質上解釋了實現功能的科學依據[5]，在功能求解中利用效應能夠方便地找到有效的原理解，效應的應用是從原理層次上對產品功能的求解和創新，有利于新原理的采用。

3 功能設計

功能設計是主要在功能、原理層面上對產品進行描述。其基本思想是基于功能對產品進行具體化求解。功能設計的基本任務是用功能描述產品，并通過功能獲得產品的原理解與初步的結構解。其基本過程是：設計人員根據用戶需求抽象出產品的總功能，并將總功能分解為分功能及功能元，并且繪制由功能與能量、物料、信號三種流組成的網絡結構即可得到待設計產品的功能結構，這就獲得了功能層次上的產品求解；接下來確定實現每個功能元的原理解，并將所有功能元的原理解組合得到待設計產品的原理解，這就獲得了產品在原理上的求解和初步結構信息[6]。

為了利于使用功能結構進行交流，功能結構的繪制應當使用一套統一的標準的符號。目前比較流行的符號如圖1所示。

圖1 功能結構符號

4 軌道運輸車的概念設計

軌道運輸車是為了實現平穩地將高溫鐵水從熔煉車間運輸到澆注車間。

4.1 第1階段:用戶需求分析

目前，澆包的運輸是工人操作叉車運輸，這樣工人距離高溫鐵水很近，對工人的人身安全構成威脅。這次技改項目要求在運輸過程中減少工人操作，或者讓工人盡可能遠離高溫鐵水。

4.2 第2階段:軌道運輸車功能設計

1）功能分解。抽象：確定軌道運輸車總功能。依據技改要求確定軌道運輸車的總功能是在粉塵嚴重的環境里平穩地運輸高溫鐵水，見圖2。對運輸高溫鐵水功能進行分解。車間內高溫鐵水盛放在澆包內，因此運輸高溫鐵水實際上是運輸高溫澆包，在效應知識庫中搜索實現移動固體功能的效應，遵循面向原理的可持續性設計準則評價效應集，選擇摩擦。摩擦現象的輸出流是運動的澆包，沒有副作用。進行輸入流分析，摩擦力和運動。先分析產生摩擦力必然同時出現和高溫鐵水接觸的副作用，那么需要解決隔離高溫物體功能，在效應知識庫中搜索實現傳遞能量功能的效應，隔離高溫是傳遞能量的反向動作，因為高溫是熱能，故只展示傳遞熱能的效應，遵循面向原理的可持續性設計準則評價效應集，選擇對流效應，其相反動作是阻斷對流，選擇耐火隔熱材料可以實現。

圖2 軌道運輸車功能模型圖

圖3 實現軌道運輸車總功能的功能結構

運動需要增加產生運動功能，在效應知識庫中搜索實現把電能轉化為機械能的效應，在這里選擇電動效應。電動效應的輸出流是運動，沒有副作用。繼續進行輸入流分析：輸入流有電能和控制信號，控制信號來源于運動速度。需要增加檢測速度，并轉變成電信號的操作。在效應知識庫搜索實現的效應，遵循面向原理的可持續性設計準則評價效應集，選擇光電效應。采用光電效應的測速傳感器可以從超系統中獲得。

至此總功能分解完畢，功能元的輸入流可以從可用資源獲得，并且輸出流具有可持續性。確定分功能及功能元，并按功能關系繪制功能結構,優化功能結構。功能結構如圖3所示。

2）功能求解。隔離高溫功能采用的效應是對流效應的反向動作。實現中采用耐火磚，這種材料已經標準化，只需選擇磚型號。產生運動功能采用的效應是電動效應。實現電動效應的結構已經標準化。需要根據載重計算，選擇電動機。移動澆包功能采用的效應是摩擦，沒有標準件，利用澆包重力與耐火磚產生的摩擦力。檢測速度采用的效應是光電效應，實現這種效應的結構測速傳感器已經標準化，并且能夠輸出電信號控制電動機產生運動。只需要根據傳感器性能選擇。

至此，功能元已經全部求解。需要對相鄰結構進行連續性判斷。對于實現產生運動功能的電動機和移動澆包功能的運動，電動機輸出的是轉動，移動澆包的運動時是平動，運動形式不同，需要給運輸車增加車輪，把移動澆包功能的輸入變成轉動，但是電動機速度較大，不能直接傳給車輪，應當增加變速結構，實現結構上的連續性。

現在可以布置部件和確定連接方式。任務要求是在粉塵嚴重環境下平穩地運輸澆包，因此將電動機和變速結構、傳動結構布置在車體內部，并封閉起來，同時采用車蓋和車身組合結構方便維護。將耐火磚布置在軌道運輸車上面和澆包接觸。

5 軌道運輸車的結構設計

1）功率計算。載重10 t，設計能力12 t，自重按1 t，總重13 t，勻速運動速度10 m/min=1/6 m/s。勻速運動功率為P=G·f·υ=13000×9.8×0.15÷6=3.185 kW。電動機選用功率為5.5 kW，4級的直流永磁無刷電動機。

2）工字鋼選型。根據車體總高900 mm及承載能力，車蓋選用20號工字鋼，車身選用25號工字鋼。

3）車輪直徑確定。根據技改任務確定的車速10 m/min，初步選定的電動機輸出轉速，確定車輪直徑290 mm。

4）傳動設計及減速機鏈傳動選型。根據車速，計算驅動軸轉速n2=（60×υ）÷（0.14×2×π）=（60×1÷6）÷（0.14×2×3.14）=11.3739 r/min，減速比i=n1÷n2=1500÷12=125。擬定減速機速比71，經比較選用直聯式擺線針減速機BWD2-71。鏈傳動速比1.3，經計算采用12A傳動鏈，節距p=19.05 mm。

5）驅動軸設計。計算轉矩T=9550×5.5÷12=4377 N·m，d≥（5×T÷τ）×1/3=85 mm。確定驅動軸、從動軸結構及軸距，依據軌距確定輪距為1110 mm。

車身采用上下結構，方便動力裝置的維護、維修。車蓋采用20號工字鋼支承20 cm厚鋼板承載，承載面1240 mm×1710 mm，鋼板上鋪設黏土質耐火磚，直形磚，T2型號。承載鋼板四角布置4根方管支承，中間兩側分別布置2根定位方管。車蓋結構見圖4（a）。車身采用兩軸承載，前軸驅動，后軸從動，軸距1120 mm。四周采用20 cm厚鋼板承載及安裝軸承，兩軸均通過布置一組兩件UC9321型帶座球軸承固定到承載鋼板上，底部采用厚10 cm的鋼板承載減速機、電動機及電瓶等部件。車輪直徑290 mm，采用40M材質鑄件，具有較好耐磨性和吸振性能。車輪與軸通過鍵連接，軸采用45鋼材質。隨車控制柜布置在后側，見圖4（b）。

采用護板將車體封閉起來，以免將電動機、減速機及傳動機構等暴露在粉塵嚴重的車間環境中，見圖5（a）。運輸車投入車間使用實物圖見圖5（b）。

圖4 車體結構圖

圖5 車身效果及實物圖

6 結語

概念設計決定了產品的功能、原理以及初步的結構。效應的應用有利于高級別創新的產生。本設計遵循功能設計流程，進行了運輸高溫鐵水的軌道運輸車的設計，并將軌道運輸車投入生產使用，既提高了澆包運輸效率，又使工人遠離高溫鐵水，提高了車間安全生產等級。使用效果證明了此次技改中開發的軌道運輸車，采用直流電動機驅動，既減少了工人近距離接近高溫鐵水的危險，又無電纜隨行困擾，技改效果明顯。驗證了在產品設計過程中遵循功能設計流程展開，并利用效應知識能夠高效地進行產品設計。

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