基于TRIZ創新方法解決選礦廠運輸皮帶撕裂的研究

黃苗笛

（湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

目前，選礦廠礦石破碎流程中，皮帶輸送機所用的運輸皮帶材質一般為PVC（聚氯乙烯）、PU（聚氨酯）、PE（聚烯烴）、Si（硅膠），其各類材質對剛性物體均有受力極限，在實際使用過程中均有不同程度的輸送帶撕裂的情況發生，主要體現在金屬尖銳物刺穿、受到超過其極限的瞬間作用力、缺乏低成本而有效的皮帶撕裂檢測手段等。運輸皮帶撕裂分為橫向撕裂和縱向撕裂，一般橫向撕裂為瞬間力作用導致皮帶橫向整體斷裂，不易于檢測，其很難做到事發瞬間的應急措施；縱向撕裂為一種過程性損傷，一般由小的缺口或破損面逐步擴大，其相對橫向撕裂更容易檢測，但其發生率相對較高，實際影響率高于橫向撕裂。

在皮帶撕裂的處理和預防方法中，一般是從皮帶的材質、皮帶輸送機運行電流檢測、基于圖像處理技術的撕裂面檢測、基于各類傳感器的撕裂面檢測等，一方面受使用環境等因素影響各類檢測方法的有效檢測率偏低，另一方面在于運輸皮帶撕裂檢測為多點檢測，其投入及維護成本較大。

運用發明問題解決理論（TRIZ）［1］，對運輸皮帶撕裂的情況進行分析和解決，提供創新性思路來解決問題，采用一種低成本的新型皮帶撕裂綜合保護系統，包括前端緩沖裝置、中端保護裝置、末端檢測裝置，并綜合其它方案對未來發展進行預測和評估，提出后續改進思路和空間。

1 定義技術系統及最終理想解

定義問題為解決運輸皮帶撕裂的問題，根據問題確定要解決的系統關鍵點，進一步定義為技術系統，技術系統定義為皮帶輸送機，定義技術系統便于找到待解決的關鍵原因和系統內外可用資源的尋找。

定義其最終理想解（IFR）為系統中不需要皮帶輸送機就能完成物料運輸，朝著技術系統不斷接近最終理想解的方向去探索研究。

對技術系統進行分析，找到系統中所有的組件和對應功能，其構成為系統、子系統（系統下一級的組成）、超系統（系統外的組成），并找到所有對應關系的程度和性質，如圖1構建功能模型，找到系統中的不足功能和有害作用為待解決的關鍵點，同時探究有用功能的進一步完善。

圖1 皮帶輸送機功能模型圖

2 因果分析

從圖1功能模型圖找到技術系統中存在的不足功能和有害作用，造成皮帶撕裂的主要原因為以下幾點：（1）鐵雜質對皮帶的有害作用；（2）除鐵器對鐵雜質分離功能的不足；（3）物料對皮帶的擠壓力；（4）轉接溜槽緩沖功能的不足；（5）給礦器給礦作用的不足；（6）超聲波或激光探傷儀檢測功能的不足。

對主要原因進行因果分析，通過因果分析找到所有關鍵原因和根本原因，便于從根源解決運輸皮帶撕裂的問題，如圖2因果軸分析，通過對組件或項目的功能參數和作用性質的分析，逐步找到皮帶撕裂的根本原因。

圖2 因果軸分析

以湖南柿竹園東波多金屬選礦廠為例，將所有原因在5 a內的發生次數進行統計，通過帕累托圖（二八法則）分析，找到所有根本原因中的5個關鍵原因。5個關鍵原因分別為：（1）轉接溜槽上下料口距離過大；（2）超聲波或激光探傷儀檢測精度不足；（3）給礦器給礦分布不均勻；（4）除鐵器磁吸力不足；（5）鐵雜質及其它尖銳物對皮帶的破壞。

解決5個關鍵原因來有效解決運輸皮帶撕裂的問題，以較低的成本投入，大大降低運輸皮帶撕裂的發生率及所帶來的嚴重后果。

3 物理矛盾及分離方法

確定5個待解決的關鍵原因，其中1個關鍵原因是給礦器給礦分布不均勻，要求為2個參數的兩種不同要求，其構成典型的物理矛盾，找到其參數對應的不同要求，例如空間、時間、條件、系統級別。然后運用分離方法進行進一步的解決過程分析，得出方案。存在物理矛盾的關鍵原因參數為：（1）給礦器礦量輸送大小的物理矛盾；（2）排礦口大小的物理矛盾。

3.1 給礦器礦量輸送大小的物理矛盾及分離方法

經過分析，得出給礦器在礦量輸送的大小矛盾中，適合于不同空間下完成，利用空間分離原理可得出分層式下料口的方案。說明為給礦器這個空間位置輸送量大，多個排礦口組成的方式達到單個輸送量小的要求。

3.2 給礦器排礦口大小的物理矛盾及分離方法

經過分析，得出給礦器的排礦口大小的矛盾中，適合于不同條件下完成，利用條件分離原理可得出調節性擋料板的方案。說明為當礦量大的時候排礦口大，礦量小的時候而排礦口小。

4 技術矛盾及發明原理

經過分析，關鍵原因中的3個為典型的技術矛盾，分別是：（1）除鐵器磁吸力的技術矛盾；（2）轉接溜槽上下料口距離大的技術矛盾；（3）超聲波或激光探傷儀檢測精度的技術矛盾。其均存在改善一項參數，將會惡化另一個參數的技術矛盾存在，查詢阿奇舒勒技術矛盾矩陣，利用40個發明原理進行分析解題。

4.1 除鐵器存在的技術矛盾及發明原理

經過分析，發現除鐵器磁吸力不足的問題，為典型的技術矛盾，找到增強磁吸力的同時惡化的是能量消耗，運用矛盾矩陣表找到對應的發明原理和得出的方案為：預先作用原理（縱向升力除鐵裝置）、空間維數變化原理（側邊分層式除鐵器）、周期性動作原理（除鐵器周期性增磁系統）。

4.2 轉接溜槽存在的技術矛盾及發明原理

經過分析，發現轉接溜槽上下料口距離大的問題，為典型的技術矛盾，找到改善上下料口距離的同時惡化的是系統可靠性，運用矛盾矩陣表找到對應的發明原理和得出的方案為：預先作用原理（物料重力緩沖阻尼系統）、反向作用原理（下料口反吹風裝置）、物理或化學參數改變（中段柔性緩沖組件）。

4.3 超聲波探傷儀存在的技術矛盾及發明原理

經過分析，發現超聲波探傷儀測量精度不足的問題，為典型的技術矛盾，改善測量精度的同時惡化的是系統的復雜性，運用矛盾矩陣表找到對應的發明原理和得出的方案為：預先作用原理（超聲波導波裝置）、廉價替代品原理（水探傷系統）、物理或化學參數改變（電壓差線性調節裝置）。

5 物場分析

關鍵原因中鐵雜質及其它尖銳物對皮帶的破壞為主要的有害作用，此為兩個物質和一個場構成的聯系，將其聯系用物場模型構建出來進行分析，運用76個標準解，例如改變物質的狀態、改變場的狀態、改變兩者之間的聯系、增加物質或場等等，得出方案［2～5］。

鐵雜質與運輸皮帶的物場模型構建，分析鐵雜質和運輸皮帶之間的物場聯系，其為兩個物質間相互力的作用，物為鐵雜質和運輸皮帶，場為機械力。構建模型進行分析解題，分析過程及方案如圖3所示。

圖3 鐵雜質與皮帶的物場模型構建與標準解運用

6 一種新型皮帶撕裂綜合保護系統

將得出的方案，進行客觀的理想度評估，找出當前理想的方案組合，得出最終的綜合性方案，如圖4設計一種新型皮帶撕裂綜合保護系統，包括前端緩沖、中端保護、末端檢測，其工作原理為：

1.前端安裝由阻尼器構成的轉接溜槽，物料經過溜槽不會立即下落，而是由阻尼器釋放，起到對物料的緩沖作用。

2.中端通過給礦裝置在運輸皮帶上不斷添加已經細碎處理過的部分均勻物料，使下落物料不完全與皮帶接觸，起到對運輸皮帶的保護作用。

圖4 新型皮帶撕裂綜合保護系統

3.末端在皮帶底部設有噴射狀沖洗水，皮帶未撕裂時所用水起到清洗皮帶的作用，當皮帶有缺口時，水透過缺口射至感應裝置處完全檢測報警，起到對皮帶運輸系統的檢測和清洗作用。

7 結 論

皮帶輸送機在實際使用過程中所能發生的較大事故，其中運輸皮帶撕裂為典型的事故，造成的經濟損失和安全環保風險極大，并且在各行業領域廣泛使用皮帶運輸機的背景下，其影響是廣泛的，研究一種低成本而高效的皮帶撕裂保護系統或裝置是有效解決皮帶撕裂的關鍵點［6］。

常規的解決方案因環境和使用要求各不相同，各類解決辦法和預防措施效果均有不同，其解決方向主要包括技術和管理兩個層面，運用發明問題解決理論（TRIZ）來分析解決皮帶撕裂的問題，主要目的在于用一種創新性較強的思路去解決，并提供后續的改進思路及基于較強理論性的未來技術發展的預測預想，同時達到提高專利數量和質量的雙重目的。

運用發明問題解決理論（TRIZ），找到關鍵原因并對其進行理論分析，通過物理矛盾、技術矛盾、物場模型、技術進化路線4個層面，最終找到一種高效的新型皮帶撕裂綜合保護系統。該理論處理和解決工程和技術問題的效率相比于常規的思維模式和方法更快更深入，也能更好地提供創新性思路，最終引導和幫助技術人員解決各類問題。