基于TRIZ的帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計研究

林澳敏 呂宗龍 馬蘇常*

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，無錫 214121；2.江蘇省智能產(chǎn)線技術(shù)及裝備工程研究中心，無錫 214121）

斷帶保護(hù)裝置作為減少帶式輸送機(jī)事故的重要裝置，實(shí)現(xiàn)了短周期低成本的創(chuàng)新和改進(jìn)，對制造企業(yè)具有重要意義。發(fā)明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）作為一種創(chuàng)新設(shè)計的有效工具，在帶式輸送機(jī)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域有一定的應(yīng)用[1-3]，但針對斷帶保護(hù)裝置方面的研究和應(yīng)用較少。文章提出一種綜合TRIZ、功能-原理-結(jié)構(gòu)分解等方法的帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計過程模型，針對性地解決斷帶保護(hù)裝置的創(chuàng)新設(shè)計問題，為相關(guān)制造企業(yè)提供一種創(chuàng)新設(shè)計方法。

1 帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計機(jī)理與模型

1.1 帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計機(jī)理

以現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置為基礎(chǔ)，基于技術(shù)進(jìn)化理論進(jìn)行預(yù)測，幫助設(shè)計者克服慣性思維，明確設(shè)計任務(wù)，并在現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置中選取設(shè)計原型。同時，建立功能分析模型，利用物質(zhì)-場分析解決功能模型中存在的沖突形成創(chuàng)新設(shè)計方案，并利用TRIZ進(jìn)行斷帶保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換、聚合和迭代創(chuàng)新。

1.2 帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計過程模型

帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計過程模型如圖1所示，包括明確設(shè)計任務(wù)、形成設(shè)計方案和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計3個階段。

圖1 帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計過程模型

1.2.1 明確設(shè)計任務(wù)階段

首先，判斷是否明確設(shè)計任務(wù)。對于已知客戶需求的，直接進(jìn)入形成創(chuàng)新方案階段。其次，對現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置進(jìn)行技術(shù)進(jìn)化分析。通過研究現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置的相關(guān)專利，運(yùn)用TRIZ分析技術(shù)發(fā)展趨勢，建立斷帶保護(hù)裝置的工作原理分解圖，或通過用戶需求預(yù)測確定創(chuàng)新方向[4]，此處不展開說明。最后，根據(jù)工作原理分析圖，尋找創(chuàng)新發(fā)展方向。

了解現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置各部分的原理，一般可以通過兩條路徑進(jìn)行創(chuàng)新：一是運(yùn)用已使用的原理，根據(jù)需求進(jìn)行原理的替換、疊加，實(shí)現(xiàn)融合創(chuàng)新；二是根據(jù)技術(shù)進(jìn)化分析，對已有斷帶保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)，定義為橫向進(jìn)化。通過類比推理等方法[5-6]，提出新的工作原理實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，定義為縱向進(jìn)化，并從中選定創(chuàng)新方向，確定斷帶保護(hù)裝置的設(shè)計任務(wù)。

1.2.2 形成設(shè)計方案階段

一方面，根據(jù)既定創(chuàng)新方向，在現(xiàn)有的斷帶保護(hù)裝置中選取合適的設(shè)計原型，并建立功能分析模型。另一方面，由建立的功能模型、各功能元件之間存在的相互作用，分析沖突發(fā)生區(qū)域，再根據(jù)物質(zhì)-場分析解決沖突形成創(chuàng)新設(shè)計方案。

1.2.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

首先，對所選設(shè)計原型進(jìn)行分解產(chǎn)生子功能，通過功能映射出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的求解，建立功能-原理-結(jié)構(gòu)模型[7]。其次，確定不滿足需求的部分。按照創(chuàng)新設(shè)計方案分析，將方案根據(jù)涉及的子功能部分拆成若干逐一進(jìn)行解決。根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計方案，經(jīng)過模塊原理分析或性能變化要求，確定需要變換或替換的功構(gòu)模塊。再次，改進(jìn)不滿足需求的部分。對于常規(guī)問題，運(yùn)用傳統(tǒng)方案進(jìn)行解決。若存在沖突，運(yùn)用TRIZ進(jìn)行改進(jìn)，建立新模塊的原理-結(jié)構(gòu)分解模型。最后，實(shí)現(xiàn)新的斷帶保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。在功能模型的約束下，對新結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行功構(gòu)模塊的刪除與聚合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或特征集的綜合，從而實(shí)現(xiàn)新的斷帶保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。

2 帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計過程模型設(shè)計實(shí)例

2.1 明確設(shè)計任務(wù)階段

通過對相關(guān)專利的分析總結(jié)，建立現(xiàn)有斷帶抓捕裝置原理圖，如圖2所示。其中，A區(qū)～D區(qū)為斷帶保護(hù)裝置的功能分區(qū)，1區(qū)～8區(qū)為功能區(qū)所屬的現(xiàn)有斷帶保護(hù)裝置所用原理區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)有斷帶抓捕裝置工作原理分解圖分析，可選的創(chuàng)新路徑如下。

（1）融合創(chuàng)新。在A區(qū)到D區(qū)依次選擇一種原理，產(chǎn)生一條完整路線，理論上是一種產(chǎn)品類型。在專利分析的過程中，已標(biāo)記的完整路線代表一種現(xiàn)有斷帶抓捕裝置。對于尚未產(chǎn)生聯(lián)系的原理，嘗試融合，判斷可行性，實(shí)現(xiàn)裝置創(chuàng)新。例如，對于應(yīng)用在井下的斷帶抓捕裝置，需考慮井下環(huán)境對傳感器和動力源的影響，可選用純機(jī)械式斷帶抓捕裝置。根據(jù)圖2，可利用偏心輪和渦卷彈簧、繩索等產(chǎn)生的扭矩相融合，設(shè)計一種以扭矩為動力的偏心輪斷帶抓捕裝置。

圖2 現(xiàn)有斷帶抓捕裝置工作原理分解圖

（2）技術(shù)進(jìn)化創(chuàng)新。根據(jù)合適的進(jìn)化路線，對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測。一方面，對于已有的斷帶抓捕裝置的橫向進(jìn)化發(fā)展如增加感覺的使用、增添改進(jìn)的物質(zhì)、空間分割以及提高柔性等方向進(jìn)行預(yù)測，可得到實(shí)施實(shí)例。另一方面，對于還未運(yùn)用的原理進(jìn)行縱向進(jìn)化發(fā)展預(yù)測，如表1所示。下文以“增加可控性”作為創(chuàng)新方向?yàn)槔M(jìn)行闡述。

表1 縱向進(jìn)化路線內(nèi)容及實(shí)施實(shí)例

2.2 形成設(shè)計方案階段

根據(jù)進(jìn)化方向，選取楔塊式斷帶抓捕裝置作為設(shè)計原型，主要機(jī)構(gòu)包括防偏立輥、撥板裝置、支腿、支架、觸發(fā)輥輪、楔形制動閘和上閘塊。

2.2.1 功能模型建立

斷帶保護(hù)裝置的失效大多出現(xiàn)在與輸送帶相互作用的過程中，因此將輸送帶與斷帶抓捕裝置看作一個問題系統(tǒng)進(jìn)行研究。根據(jù)楔塊式斷帶抓捕裝置的原理，建立系統(tǒng)功能模型的主要部分。

2.2.2 “物質(zhì)-場”分析

基于功能模型分析，觸發(fā)輥輪及楔形制動閘與輸送帶是沖突發(fā)生區(qū)域，其中存在兩對沖突，分別為觸發(fā)輥輪與楔形制動閘之間的沖突和楔形制動閘塊與輸送帶之間的沖突。

（1）觸發(fā)輥輪與楔形制動閘之間的沖突。在輸送帶發(fā)生斷帶時，輸送帶運(yùn)動情況比較復(fù)雜，且各抓捕器之間沒有信息聯(lián)系，可能會出現(xiàn)失誤動作和動作不同步等問題。該問題可對效應(yīng)不足的完整模型進(jìn)行描述，如圖3左側(cè)所示。

擬通過疊加電場F1增強(qiáng)機(jī)械場F的作用。將觸發(fā)輥輪和楔形閘塊連接到帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)完成電場F1的疊加。改進(jìn)后的模型如圖3右側(cè)所示。

圖3 楔塊式斷帶抓捕裝置物質(zhì)-場模型

（2）楔形制動閘塊與輸送帶之間的沖突。制動過程中存在楔形制動閘塊與輸送帶接觸面積較小的問題，容易造成輸送帶的撕裂，有用作用和有害作用并存。該問題可以用效應(yīng)有害的完整模型描述。

擬通過在楔形制動閘和輸送帶之間引入阻燃橡膠板，盡量避免給輸送帶帶來二次傷害。

2.2.3 創(chuàng)新設(shè)計方案

綜上所述，具體方案：①觸發(fā)機(jī)構(gòu)中滾子類機(jī)構(gòu)僅起承載作用；②斷帶抓捕裝置由控制系統(tǒng)控制，增加動力裝置，由被動式轉(zhuǎn)換為主動式抓捕；③抓捕機(jī)構(gòu)上固定阻燃橡膠板。

2.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

基于楔塊式斷帶抓捕裝置的子功能，建立基于功能-原理-結(jié)構(gòu)分解模型。

方案③的解決方案即在楔形制動閘和上閘塊上固定阻燃橡膠板。方案①和方案②需要對觸發(fā)功能部分進(jìn)一步分析研究。

此問題中未出現(xiàn)沖突，因此采用傳統(tǒng)方法改進(jìn)。綜合考慮安裝位置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等因素，采用電動方式。將原結(jié)構(gòu)分解模型中的觸發(fā)部分進(jìn)行功構(gòu)置換，保留原有單項托輥發(fā)揮承載作用；添加提供動力的電動機(jī)，并通過動力輥、鏈輪鏈條、齒輪齒條實(shí)現(xiàn)傳動；將抓捕部分的撥板裝置刪除，由行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)信息反饋。經(jīng)過功構(gòu)置換和刪除后形成新的分解模型，如圖4所示。

按照圖4對設(shè)計原型進(jìn)行功構(gòu)聚合，根據(jù)運(yùn)動功能約束，行程開關(guān)、齒條與楔形制動閘融合，齒輪與動力輥融合，鏈輪分別安裝在電動機(jī)輸出端和動力輥無齒輪一端。考慮上下輸送帶之間空間位置的限制，電動機(jī)和支架都屬于靜止零部件，因此將電動機(jī)安裝在支架上。形成的新型楔塊式斷帶抓捕裝置，如圖5所示。

圖4 新的楔塊式斷帶抓捕裝置功能-原理-結(jié)構(gòu)分解模型

圖5 新型楔塊式斷帶抓捕裝置

3 結(jié)語

針對帶式輸送機(jī)斷帶保護(hù)裝置，通過將TRIZ中的技術(shù)進(jìn)化、物質(zhì)-場分析等原理與功能-原理-結(jié)構(gòu)分解相結(jié)合，形成一種創(chuàng)新設(shè)計過程模型，并在楔塊式斷帶抓捕裝置創(chuàng)新設(shè)計過程中進(jìn)行驗(yàn)證，為制造企業(yè)對其他類型的斷帶保護(hù)裝置的創(chuàng)新設(shè)計提供參考，為企業(yè)快速、高效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級提供幫助。