基于TRIZ 的煤礦立井提升罐道繩智能維檢機設(shè)計

龍大鵬，劉博磊，閆 萍，陳子春

（開灤能源化工股份有限公司信息與控制中心，河北 唐山 063108）

1 概 況

隨著信息化和智能化的快速發(fā)展，自動化技術(shù)在煤炭礦業(yè)應(yīng)用也得到廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭礦業(yè)提出“機械化換人，自動化減人，智能化少人”科技專項技術(shù)改革等活動。煤礦的罐道是聯(lián)接地面與地下的重要設(shè)備，其運行的安全直接關(guān)系煤礦的安全生產(chǎn)和員工的生命安全。煤礦立井罐道多采用鋼絲繩做導(dǎo)軌，長期在重載及濕潤的環(huán)境下運行，需要進(jìn)行定期檢測和維護(hù)。目前對煤礦立井罐道的鋼絲進(jìn)行檢測維護(hù)主要是檢測是否斷絲、繩股擠出、扭結(jié)及生銹等情況，需要多人進(jìn)行協(xié)作，檢測和維護(hù)環(huán)境惡劣，且操作不便，因此檢測與維護(hù)效果不佳，具有一定的危險性。筆者通過對實際工作環(huán)境的考察，基于TRIZ 創(chuàng)新理論，研究一種煤礦立井鋼絲繩罐道的鋼絲繩智能維檢設(shè)備，可以提高檢測質(zhì)量和檢測效率，節(jié)約人工成本。

2 TRIZ 理論解決問題路線分析

TRIZ (Teoriya Resheniyva Izobretatel’ skikh Zadatch)理論是由前蘇聯(lián)人阿奇舒勒(G.S.Altshuller)于1946 年創(chuàng)立的發(fā)明問題解決理論。該理論解決發(fā)明問題的主要方式包括：首先是提出問題（明確其定義）；二是將提出問題利用技術(shù)矛盾分析、物理矛盾分析、物質(zhì)-場分析及功能化模型分析工具將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題；三是利用TRIZ 工具，通過針對性的分析給出解決問題的具體方法；四是通過分析給出的解決方法結(jié)合已有的知識、技術(shù)和經(jīng)驗，將問題進(jìn)行解決。如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題的路徑Fig.1 The path of TRIZ theory to solve the problem

3 煤礦立井提升罐道繩智能維檢機的設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

應(yīng)用TRIZ 理論對煤礦立井鋼絲繩罐道的鋼絲繩檢測與維護(hù)的設(shè)計進(jìn)行具體分析。由于傳統(tǒng)的維檢工作過多依靠維檢人員進(jìn)行，工作效率較低、維護(hù)檢測質(zhì)量得不到有效保證、操作人員危險系數(shù)較大；采用自動化程度較高的檢測設(shè)備既不能滿足維護(hù)要求，也改善不了工作質(zhì)量，所以就形成了沖突矛盾。利用TRIZ 理論轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題就是“改善生產(chǎn)效率”與“裝置的復(fù)雜性”之間的沖突。查詢TRIZ 理論中的沖突矩陣表得出解決該沖突的發(fā)明原理，見表1。

表1 沖突及解決方法Table 1 Conflicts and solutions

通過創(chuàng)新設(shè)計分析可知在“模塊化設(shè)計”中，整個設(shè)備主要包括機械模塊、傳動模塊及控制模塊3 部分。其中機械模塊設(shè)計方案包括手持檢測儀（A1）、自動維檢設(shè)備（A2）、智能維檢機（A3）；控制模塊的設(shè)計方案包括PLC 控制（B1）、單片機（B2）、微機控制（B3）三種方式；傳動模塊設(shè)計方案包括氣動傳動（C1）、液壓傳動（C2）、機械傳動（C3）、電氣傳動（C4）和人工傳動（C5）5 種方式。

3.2 設(shè)備功能方案求解

通過分析設(shè)計方案，將各模塊功能與設(shè)備總體功能利用“原理解法”，其函數(shù)關(guān)系為：原理解法=f（物理作用，作用件）。

綜上所述，該設(shè)計方案的解法均決定于物理作用和作用件，設(shè)備的3 大功能模塊對應(yīng)解用形態(tài)學(xué)矩陣表示為：

因此煤礦立井提升罐道繩智能維檢機的設(shè)計方案的組合矩陣F=A·B·C，通過形態(tài)學(xué)矩陣可以設(shè)計方案的組合數(shù)為45 種。

根據(jù)各功能模塊和結(jié)合生產(chǎn)效率及制作維護(hù)成本綜合比較，放棄機械模塊中手持檢測儀（A1），控制模塊中單片機（B2）以及傳動模塊中的液壓傳動（C2）、機械傳動（C3）和人工傳動（C5），初步篩選出符合需求的8 種方案：A2+B1+C1、A2+B1+C4、A2+B3+C1、A2+B3+C4、A3+B1+C1、A3+B1+C4、A3+B3+C1、A3+B3+C4。

3.3 方案對比分析

機械模塊的選取，結(jié)合煤礦立井提升罐道繩智能維檢機實際的工作環(huán)境和條件，維檢位置位于煤礦立井提升罐道的罐籠上，長期工作在濕潤環(huán)境下會對精密儀器和零件造成損害，采用智能維檢機（A3）會造成設(shè)備的成本和維護(hù)費用增加，因此機械模塊選取成本較低、結(jié)構(gòu)較簡單的自動維檢設(shè)備（A2）。

控制模塊的選取，主要參考控制性能的穩(wěn)定性、操作的簡單特性和安全性，通過對比PLC 控制（B1）系統(tǒng)更為符合系統(tǒng)的需求。

傳動模塊的選取，主要考慮傳動的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及易控性，通過綜合比較，采用電氣傳動更為符合設(shè)備的實際需求，其實現(xiàn)容易同時也便于操作人員進(jìn)行調(diào)試維護(hù)。

通過組織專家研討和相關(guān)技術(shù)對比，對上述8種方案進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)評價，最終選取選取A2+B1+C4這個方案為最優(yōu)設(shè)計方案。

4 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機總體設(shè)計方案

4.1 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過應(yīng)用TRIZ 理論分析，選擇最優(yōu)設(shè)計方案A2+B1+C4對煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Coal mine shaft hoisting rope intelligent inspection machine structure diagram

圖2 中的煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機機械結(jié)構(gòu)考慮了固定、定位、檢測、操作、油溫和安全固定等條件設(shè)計了主體機械結(jié)構(gòu)。煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機設(shè)計簡便，便于操作，該設(shè)備檢測準(zhǔn)確、維護(hù)到位、操作簡單、工作可靠穩(wěn)定，與傳統(tǒng)罐道鋼絲繩檢測維護(hù)相比可節(jié)約大量人工，降低了企業(yè)的成本，提高了罐道繩的安全運行系數(shù)和社會經(jīng)濟效益。

煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機控制系統(tǒng)設(shè)置上位監(jiān)控平臺、無線主控機站和現(xiàn)場多臺維檢機械手群構(gòu)成的立井鋼絲繩罐道維檢系統(tǒng)，實現(xiàn)不間斷實時檢測。無線集中管控實現(xiàn)機械手集群式管理。通過上位機平臺對井筒做業(yè)的數(shù)臺鋼絲繩罐道維檢機械執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行無線自動控制或手動控制（手動調(diào)節(jié)或急停）。機械執(zhí)行機構(gòu)在動態(tài)狀態(tài)下，通過無線接收程序指令，同時完成鋼絲繩罐道的360°全方位自動實時斷絲檢測和自動刷油、均油等操作。整個防腐維護(hù)、斷絲檢測、數(shù)據(jù)傳輸以及閾值參數(shù)報警等工作過程，全部通過邏輯程序控制自動完成，整個過程實現(xiàn)“無人值守”。

4.2 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機工作原理

外部卷筒旋轉(zhuǎn)通過傳送帶帶動天輪旋轉(zhuǎn)，隨著天輪旋轉(zhuǎn)，帶動立井內(nèi)的一個罐籠下放的同時另一個罐籠提升；在罐籠的移動過程中，操作人員通過主控機站控制斷絲檢測模塊和噴油模塊，對罐籠兩側(cè)的罐道繩進(jìn)行斷絲檢測和噴油；在罐籠的移動過程中，拉力感應(yīng)模塊和測距模塊持續(xù)檢測提升繩的拉力以及罐籠底部與立井底部之間的豎直距離，拉力感應(yīng)模塊、測距模塊和斷絲檢測模塊將采集到的拉力數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)以及斷絲情況傳輸至無線信號發(fā)射模塊；無線信號接收模塊接收無線信號發(fā)射模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息并發(fā)送至控制模塊，控制模塊將數(shù)據(jù)信息打包匯總后傳輸至人機交互模塊，人機交互模塊將數(shù)據(jù)信息展示給操作人員，操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)信息點按控制面板進(jìn)行手動控制；操作人員根據(jù)人機交互模塊顯示的數(shù)據(jù)信息手動控制報警模塊和/或急停模塊，或者控制模塊根據(jù)采集的拉力數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)和斷絲情況自動控制報警模塊和/或急停模塊。

5 結(jié) 語

本文分析了煤礦立井罐道的鋼絲繩檢測維護(hù)現(xiàn)狀，針對目前人工操作造成危險系數(shù)較大和檢測維護(hù)不到位的問題，基于TRIZ 創(chuàng)新理論，通過方案設(shè)計提出了“改善生產(chǎn)效率”與“裝置的復(fù)雜性”之間的沖突；利用TRIZ 工具進(jìn)行功能方案求解，得出初步設(shè)計方案；最后通過技術(shù)方案對比、技術(shù)實現(xiàn)及專家研討確定能夠解決上述問題的煤礦立井提升罐道繩智能維檢機。分析了煤礦立井提升罐道繩智能維檢機的機械結(jié)構(gòu)組成和控制工作原理，該設(shè)備可以做到檢測準(zhǔn)確、維護(hù)到位、操作簡單、工作可靠穩(wěn)定，與傳統(tǒng)罐道鋼絲繩檢測與維護(hù)相比能夠節(jié)約大量人工，降低了企業(yè)的成本，提高了罐道繩的安全運行系數(shù)和社會經(jīng)濟效益。