基于TRIZ理論的教學電動裝載機供電系統優化研究

劉承桓，魯衛濤，張 淼，劉東明

(1.廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065000；2.中國建設教育協會，北京 010000)

教學電動裝載機的投入使用消除了裝載機實操培訓時的產生的廢氣排放和高噪聲污染，降低實操成本，增加了實操機時，提高了實訓效果，減少環保政策給裝載機實操培訓帶來的不利影響，但教學電動裝載機的供電系統在電纜柔性卷取、卷線速度同步調節、安全性和可靠性等方面仍需優化，本文通過TRIZ 理論對教學電動裝載機供電系統的結構、功能和參數進行分析，建立“物-場模型”，應用“沖突解決原理”化解了結構設計過程中遇到的“技術沖突”和“物理沖突”，對教學電動裝載機供電系統進行了優化研究。

1 TRIZ理論解決問題的流程

應用TRIZ 理論解決發明問題時，首先要將待解決的具體問題用TRIZ 標準模式進行描述，建立TRIZ問題模型，然后分析判定問題的類型，TRIZ 標準模式將發明問題分為3 類，即一般問題、結構問題和參數問題。完成分析判定后應選擇相應的TRIZ 工具按程序步驟對問題進行分析解答得到若干TRIZ 的解決方案模型，下一步需要對方案模型進行評價、修正，在確定此方案正確以后，應用專業知識分析可實現性，找到解決此問題的最佳方案，進而求得具體問題的解。應用TRIZ 解決具體問題的流程如圖1 所示。

圖1 TRIZ理論解決發明一般流程

2 應用TRIZ理論分析與研究

2.1 問題提出

教學電動裝載機使用過程中電纜卷線速度與裝載機運動速度匹配性較差，裝載機運動速度加快后電纜卷線速度不能隨之增加，電纜塔桿完成立桿使用一段時間后架空鋼絲繩垂度逐漸變大，調整張緊架空鋼絲繩的難度很大。

2.1.1 定義技術系統實現的功能

技術系統纜式架空供電裝置和電纜卷取裝置實現的功能見表1 和表2。

表1 拖纜式架空供電裝置的功能

表2 電纜卷取裝置的功能

2.1.2 現有技術系統的結構

教學電動裝載機的供電系統由拖纜式架空供電裝置、車載回轉支撐架、電纜卷取裝置和其他附件組成，其中拖纜式架空供電裝置由導電滑環、動滑輪、換輪軸、卡線裝置、架空鋼絲繩、桿塔、接地裝置、防水配電箱等組成，電纜卷取裝置由彈簧式電纜卷筒、電纜導輪及其輔助部件組成。電纜卷取裝置安裝在車載回轉支撐架上，車載回轉支撐架安裝在裝載機頂部或者后部機蓋上。

2.1.3 當前技術系統存在的問題

1）問題一 拖纜式架空供電裝置的架空鋼絲繩預緊安裝使用一段時間后會松弛，導致鋼絲繩垂度增大。

2）問題二 電纜卷筒收線同步性較差，電纜卷筒的扭矩不恒定，偶爾出現過拉傷電纜的現象。

2.2 問題分析

2.2.1 系統組件功能分析與功能建模

針對所述的問題應用TRIZ 理論分析系統組件的相互作用。功能組件分析表見表3，組件的相互作用，見圖2 和圖3。

表3 功能組件分析表

圖2 電纜卷取裝置組件相互作用圖

圖3 拖纜式架空供電裝置組件相互作用圖

2.2.2 資源分析

對技術系統纜式架空供電裝置和電纜卷取裝置進行資源分析，具體見表4 和表5。

表4 纜式架空供電裝置資源分析表

表5 電纜卷取裝置資源分析表

2.2.3 因果分析

在技術系統的結構、功能分析和功能建模析的基礎上對問題一和問題二進行因果分析，具體如圖4 和圖5 所示。

圖4 問題二的因果分析圖

圖5 問題一的因果分析圖

3 優化設計

3.1 運用“物質—場”分析方法求解問題一

使拖纜式架空供電裝置的鋼絲繩時刻保持張緊狀態是解決問題的主要矛盾。

3.1.1 建立“物質—場”模型

針對拖纜式架空供電裝置技術系統建立“物質—場”模型，具體如圖6 所示。

圖6 原“物質-場”模型

通過“物質—場”模型可以看出在F1重力和拉力場的作用下S2緊固裝置對S1鋼絲繩的預緊緊固作用不足。

3.1.2 優化“物質—場”模型

引入S3鋼絲繩預緊裝置優化改進“物質—場”模型，S3的引入產生了預緊力場F2，增加了對S1鋼絲繩的預緊作用，改進了緊固裝置S2，支撐安裝了S3鋼絲繩預緊裝置（圖7）。

圖7 改進的“物質-場”模型

3.2 運用“沖突解決原理”求解問題二

電纜卷線裝置是一個復合系統，系統中可能會出現多個功能受到同一個參數控制和影響的情況或者多個技術參數相互促進、相互制約的狀況。當前的主要矛盾就是電纜卷線速度不能隨著裝載機運動速度變化而變化且卷線扭矩不可調整，偶爾出現拉傷電纜的現象。

3.2.1 規范描述

電纜卷筒的扭矩即要求大又要求小，當裝載機運動速度快時要求收線速快，當裝載機運動速度慢時又要求收線速度慢。即：對扭矩和速度兩個參數提出了兩種不同的要求，發明問題屬于物理沖突。

3.2.2 根據分離方法和發明原理進行創新設計

解決物理沖突的核心方法是實現矛盾雙方的分離，每種分離方法對應相應的發明原理，當確定了使用某種分離方法后，可選擇應用對應的發明原理得出方案。根據規范描述可知扭矩和速度兩個參數的兩對矛盾均在關鍵子系統（電纜卷筒）出現，而在其他子系統、系統或超系統中均未出現，應使用系統分離方法解決問題。系統分離方法對應發明原理見表6。

根據現有技術系統及可使用資源實際情況可以選擇40 條發明原理中的3 條發明原理（28.機械系統替代原理，35.物理或化學參數改變原理，29.氣壓和液壓結構原理）進行創新方案設計。

1）方案一 應用第28 號發明原理——機械系統替代原理，使用可控性強、性能更好的新的子系統替換現有系統的部分結構解決了問題。

2）方案二 應用第35 號發明原理——物理或化學參數改變原理，改變現有系統的物理參數，使現有系統滿足要求。

表6 系統分離方法對應發明原理

3）方案三 應用第29 號發明原理，在現有系統的基礎上增加新的氣壓和液壓機構，改善現有系統的性能，使現有系統滿足要求。

4 問題的解與最終方案

4.1 問題一的解

在原有系統的其中一個塔桿中部加裝鋼絲繩預緊裝置，上部加裝導向定滑輪，當鋼絲繩直線度下降時可及時預緊鋼絲繩，具體方案見圖8。

圖8 加裝鋼絲繩預緊裝置方案圖

4.2 問題二的解

首先經整體分析，當前技術系統的空間資源緊張不能夠滿足TRIZ 創新方案所述的引入新結構的要求，其次改變現有系統的物理參數基本不可行性，問題二的3 個TRIZ 創新方案只有方案一可行性強。

將子系統整體替換，在機械領域具體是采用恒張力電纜卷筒代替彈簧式電纜卷筒，恒張力電纜卷筒帶有液壓式的扭矩調節裝置，可根據現場不同的情況進行扭矩調節，力矩調節范圍大，不拉傷拉斷電纜；由三相異步電機驅動能自動跟蹤移動設備，同步性好，自制動能力強，供電連續平穩，安全可靠；結構緊湊現有空間資源滿足方案需求。

恒張力電纜卷筒使用三相異步電機驅動，但是現有系統及其子系統均沒有三相電資源，對電纜卷線裝置來說，電纜是其作用對象也屬于超系統的資源，進一步利用超系統的資源可解決恒張力電纜卷筒的供電問題。

5 結語

本文采用 TRIZ 理論對教學電動裝載機供電系統進行了研究，分析了拖纜式架空供電裝置和電纜卷取裝置的結構和功能，對當前技術系統存在的問題進行了系統組件功能分析與功能建模、資源分析和因果分析，運用“物質—場模型”和“沖突解決原理”對現有系統進行了創新設計，得到了TRIZ創新方案，最后使用機械領域專業知識對創新方案進行了評價和實施，得到了具體問題的解。