基于TRIZ理論的輸送帶斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張萬明，張鵬程*，宮翔，李國芹，高澄森

基于TRIZ理論的輸送帶斷帶保護(hù)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張萬明1,2，張鵬程1,2*，宮翔1,2，李國芹1,2，高澄森1

（1.河北水利電力學(xué)院 機(jī)械工程系，河北 滄州 061001；2.河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 滄州 061001）

在運(yùn)輸物品過程中，輸送帶因長(zhǎng)時(shí)間使用可能會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象，目前斷帶保護(hù)裝置無法及時(shí)進(jìn)行保護(hù)，因此需要對(duì)斷帶保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)。應(yīng)用TRIZ理論中的功能模型分析和因果鏈分析方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)用76條標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明原理和分離原理等工具解決問題。基于TRIZ理論對(duì)問題進(jìn)行求解，得到了新型輸送帶斷帶保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)方案，該方案可以有效縮短斷帶保護(hù)所需時(shí)間，有效提高斷帶保護(hù)的精準(zhǔn)性，從而保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)的安全。通過TRIZ理論對(duì)輸送帶斷帶保護(hù)裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使新型輸送帶斷帶保護(hù)裝置達(dá)到了快速反應(yīng)、制動(dòng)精準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求。

TRIZ理論；斷帶保護(hù)裝置；技術(shù)矛盾；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TRIZ理論即發(fā)明問題解決理論，是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒及一批研究人員在數(shù)百萬件專利的基礎(chǔ)上，提取專利中所蘊(yùn)含的解決發(fā)明問題的原理及其規(guī)律后建立的一種方法體系。應(yīng)用TRIZ理論中的概念、原理和方法，有利于解決產(chǎn)品創(chuàng)新過程中的難題，對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。TRIZ理論是一種基于問題解決理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，是當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計(jì)界的研究焦點(diǎn)[1-3]。

王秀宇等[4]應(yīng)用TRIZ理論解決了旅行分裝按壓瓶的二次密封滲漏問題，最終設(shè)計(jì)出滿足客戶需求的產(chǎn)品。楊勤等[5]基于TRIZ理論對(duì)行李箱進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了行李箱使用不便及防丟失的問題。王博等[6]應(yīng)用TRIZ理論對(duì)微量潤滑噴嘴進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了噴嘴冷卻潤滑效率低、工作過程中過熱等問題。楊晨等[7]應(yīng)用TRIZ理論對(duì)螺絲刀進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了不能同時(shí)拆卸十字槽和一字槽螺釘?shù)膯栴}，提高了應(yīng)用效率。桓源等[8]應(yīng)用TRIZ理論克服了蘋果分揀套袋裝置在使用過程中易損壞蘋果、保護(hù)效果較差的缺點(diǎn)。Mcginn等[9]將創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維方法應(yīng)用于輔助機(jī)器人設(shè)計(jì)過程，為輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

文中將TRIZ理論應(yīng)用于斷帶保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，首先把待設(shè)計(jì)產(chǎn)品表達(dá)為TRIZ問題，即建立問題模型，然后利用TRIZ理論中的工具來解決問題，最終得到幾個(gè)解決方案。最后對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，選出最優(yōu)方案，解決斷帶保護(hù)裝置在斷帶保護(hù)過程中保護(hù)不及時(shí)、精準(zhǔn)度不高等問題。

1 帶式輸送機(jī)及斷帶保護(hù)裝置介紹

如圖1所示，帶式輸送機(jī)是一種依靠摩擦驅(qū)動(dòng)連續(xù)方式運(yùn)輸物料的機(jī)械，它既可以進(jìn)行散碎物料的運(yùn)輸，又可進(jìn)行成件物品的輸送。帶式輸送帶具有運(yùn)輸距離長(zhǎng)、運(yùn)輸貨物質(zhì)量大和可持續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，在運(yùn)輸行業(yè)應(yīng)用廣泛。基于長(zhǎng)時(shí)間工作或保養(yǎng)不當(dāng)?shù)仍颍瑤捷斔蛶б装l(fā)生斷帶現(xiàn)象。上運(yùn)帶式輸送機(jī)一旦發(fā)生斷帶現(xiàn)象，基于其特殊的工作環(huán)境，會(huì)造成貨物滾落、輸送帶損壞等危害，甚至可能發(fā)生人員傷亡事件。為了解決此問題，發(fā)明了斷帶保護(hù)裝置，防止安全事故的發(fā)生。斷帶保護(hù)裝置廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金、港口、包裝等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)[10-11]。

帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故后，會(huì)產(chǎn)生如下危害。

1）貨物發(fā)生泄漏，損傷輸送帶托輥支架，導(dǎo)致整體機(jī)架變形，損壞機(jī)器。

2）貨物下滑堆積后，會(huì)使輸送帶受力增大，造成輸送帶發(fā)生縱向撕裂。

圖1 帶式輸送機(jī)

3）輸送帶下滑過程無法控制，會(huì)傷及輸送機(jī)的零部件及輸送機(jī)道沿線的動(dòng)力電纜、管路、行人等，甚至可能發(fā)生火災(zāi)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

目前，可將斷帶保護(hù)裝置按工作原理分為摩擦制動(dòng)類和抓捕制動(dòng)類。摩擦制動(dòng)類主要依靠摩擦力來制動(dòng)輸送帶，存在不確定性，易造成二次斷帶現(xiàn)象，因此此種制動(dòng)方式應(yīng)用得較少。抓捕制動(dòng)類的斷帶保護(hù)裝置在發(fā)生斷帶時(shí)，抓捕器會(huì)抓住斷裂的皮帶，使其制動(dòng)，避免發(fā)生安全事故，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛，如圖2所示。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生斷帶事故時(shí)，斷帶保護(hù)裝置中的上閘塊向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)斷裂的輸送帶與下閘塊接觸，從而達(dá)到制動(dòng)效果，阻止斷帶的下滑，防止發(fā)生重大安全事故。

圖2 斷帶保護(hù)裝置主視圖

2 問題描述與分析

在應(yīng)用TRIZ理論的過程中，需要將待解決的問題表達(dá)成TRIZ問題，并借助TRIZ解決問題工具（效用知識(shí)庫、76條標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明原理、分離原理等），最終得到所需的解決方案[12-13]。

2.1 問題描述

在工作過程中，由于帶式輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其皮帶長(zhǎng)期受到變應(yīng)力的影響，易發(fā)生皮帶磨損、褶皺等現(xiàn)象，從而出現(xiàn)疲勞斷裂，造成較大的生命財(cái)產(chǎn)損失。在帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶事故后，傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)，指揮斷帶保護(hù)裝置工作，使斷裂的輸送帶制動(dòng)，從而保護(hù)貨物和機(jī)械等財(cái)產(chǎn)的安全。現(xiàn)有的斷帶保護(hù)裝置存在制動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，即反應(yīng)不迅速的問題，這樣會(huì)對(duì)輸送機(jī)造成較大損傷。另外，在制動(dòng)過程中，由于斷帶保護(hù)裝置的作用面積較小，輸送帶局部受力過大，因此易發(fā)生二次斷帶現(xiàn)象，造成更大的財(cái)產(chǎn)損失。

2.2 功能模型分析

產(chǎn)品是功能的載體，功能是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)，因此功能是產(chǎn)品創(chuàng)新的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。建立功能模型，首要任務(wù)就是確定技術(shù)系統(tǒng)，主要包括元件、制品、超系統(tǒng)[14]，如表1所示。元件是組成系統(tǒng)的物質(zhì)單元。制品是技術(shù)系統(tǒng)主要功能的作用對(duì)象。超系統(tǒng)是存在于系統(tǒng)之外但與系統(tǒng)有著相互作用的系統(tǒng)。通過對(duì)斷帶保護(hù)裝置（圖2）技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定如下各組成部分。

1）系統(tǒng)元件。包括上閘塊、下閘塊、上支撐桿、下支撐桿、電動(dòng)機(jī)、絲杠、軸承和支架。

2）超系統(tǒng)元件。包括基礎(chǔ)機(jī)架、電能、貨物、傳感器、支撐輥和灰塵。

3）制品為輸送帶。

通過對(duì)各組成部分進(jìn)行分類，采用相互作用矩陣來表達(dá)元件之間的關(guān)系，用“Y”表示具有相互作用關(guān)系，用“N”來表示無相互作用關(guān)系，如表1所示。

通過繪制相互作用關(guān)系表，可以清晰表述功能單元之間的相互作用。通過圖形方法將表格內(nèi)容表達(dá)出來，可以更直觀地觀察相互作用關(guān)系，尤其是不足作用和有害作用，然后針對(duì)不足和有害作用進(jìn)行問題求解，得到相應(yīng)的解決方案，如圖3所示。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，存在不足作用是上閘塊和下閘塊對(duì)輸送帶的保護(hù)作用不足，絲杠驅(qū)動(dòng)上閘塊的作用不足；存在的有害作用是外部灰塵對(duì)絲桿的污染作用，貨物對(duì)上閘塊的阻礙作用。后續(xù)應(yīng)著重解決上述問題。

2.3 因果分析

準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)問題是解決問題的前提，而準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)問題的核心就是因果分析[15-16]。對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行因果分析，如圖4所示。

表1 斷帶保護(hù)裝置元件相互作用關(guān)系

Tab.1 Interaction relationship between components of belt breakage protection device

圖3 功能模型

圖4 因果分析

通過因果分析可知，解決斷帶保護(hù)裝置無法提供準(zhǔn)確保護(hù)的問題可從以下4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1）在剛性接觸方面，需要改善接觸方式。

2）在單方向運(yùn)動(dòng)方面，需要滿足多方向、速度快的要求。

3）在閘塊間距方面，需要滿足閘塊距離輸送帶較近的要求。

4）在輸送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力大、不易停止等方面，需要滿足容易停止的要求。

3 問題求解

3.1 物理沖突

物理沖突指單一參數(shù)具有相反且合乎情理的需求[13]。從因果分析得到的結(jié)果入手，分析斷帶保護(hù)不及時(shí)的問題。為了不妨礙煤礦運(yùn)輸，希望斷帶保護(hù)器離輸送帶的距離越遠(yuǎn)越好，但為了輸送帶發(fā)生斷帶情況時(shí)能夠及時(shí)發(fā)揮保護(hù)作用，又希望斷帶保護(hù)器離輸送帶的距離越近越好，如圖5所示。

考慮到支撐架在空間里具有不同的特性，因此該沖突可以利用分離原理中的時(shí)間分離原理進(jìn)行求解，得到解決方案。

圖5 物理沖突分析

1）方案1。將斷帶保護(hù)裝置與輸送帶相連部分設(shè)計(jì)為可轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)輸送帶正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分被鎖死，不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)輸送帶發(fā)生斷帶現(xiàn)象時(shí)，鎖死機(jī)構(gòu)被打開，上閘塊向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。

2）方案2。將斷帶保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為可上下旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸送帶正常工作時(shí)，斷帶保護(hù)裝置在原位置被固定。當(dāng)輸送帶檢測(cè)到發(fā)生斷帶現(xiàn)象時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)斷帶保護(hù)裝置旋轉(zhuǎn)，將輸送帶固定在閘塊間，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

3.2 技術(shù)沖突

技術(shù)沖突指一個(gè)作用同時(shí)導(dǎo)致有用和有害的2種結(jié)果，常常表現(xiàn)為1個(gè)系統(tǒng)中2個(gè)子系統(tǒng)之間的沖突[14]。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，將系統(tǒng)存在的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突，從而提高斷帶保護(hù)裝置的可靠性、自動(dòng)化程度，但這樣做會(huì)導(dǎo)致裝置更復(fù)雜、可制造性變差。構(gòu)建沖突矩陣，得到相應(yīng)的發(fā)明原理，如表2所示。

根據(jù)得到的發(fā)明原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工作條件，獲得相應(yīng)的問題解決方案，如表3所示。

表2 沖突矩陣

Tab.2 Conflict matrix

表3 解決方案

Tab.3 Schemes

圖6 雙向運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

3.3 物質(zhì)?場(chǎng)分析

建立物質(zhì)?場(chǎng)模型，通過前面的分析可知，當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生斷帶情況時(shí)，斷帶保護(hù)器的保護(hù)不及時(shí)是其沖突區(qū)域。即斷帶保護(hù)器在夾緊輸送帶過程中耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，造成其制動(dòng)效果較差。建立的物質(zhì)?場(chǎng)模型如圖7所示。

根據(jù)問題建立物質(zhì)?場(chǎng)模型，采用第1類標(biāo)準(zhǔn)解中的改進(jìn)具有非完整功能的系統(tǒng)解決問題。由于單向運(yùn)動(dòng)的閘塊無法迅速制動(dòng)輸送帶，因此在整個(gè)系統(tǒng)不變的情況下，將單向運(yùn)動(dòng)的閘塊變成雙向運(yùn)動(dòng)的閘塊，可以更快地制動(dòng)輸送帶。改進(jìn)后的物質(zhì)?場(chǎng)模型如圖8所示。其中，1為有效制動(dòng)力，得到了問題的解決方案。

方案8：主要通過帶傾斜角度的可旋轉(zhuǎn)抓捕臂來實(shí)現(xiàn)抓捕動(dòng)作，當(dāng)移動(dòng)滑塊在活塞桿的作用下向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過固定在移動(dòng)滑塊上的連桿帶動(dòng)上下抓捕臂向內(nèi)（靠近輸送帶的方向）旋轉(zhuǎn)，連桿通過可旋轉(zhuǎn)底座，將上抓捕臂與移動(dòng)滑塊連接，上下抓捕臂中間由萬向節(jié)進(jìn)行連接。基于萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特殊性，可以多角度同時(shí)旋轉(zhuǎn)，這樣在下抓捕臂向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，上抓捕臂在萬向節(jié)帶動(dòng)下，與下抓捕臂同步運(yùn)動(dòng)。由于上下抓捕臂的固定處向外（遠(yuǎn)離輸送帶的方向）傾斜15°，將上下壓板分別固定在上下抓捕臂上，上下抓捕臂在萬向節(jié)的帶領(lǐng)下旋轉(zhuǎn)90°后，上下壓板剛好夾死，此時(shí)給電磁鐵通電，增大夾具的夾緊力，確保傳送帶制動(dòng)成功，如圖9所示。

斷帶保護(hù)裝置上下抓捕臂結(jié)構(gòu)如圖10所示。在傳送帶正常工作時(shí)，抓捕裝置的狀態(tài)為上下抓捕臂均向兩側(cè)傾斜15°。當(dāng)上下抓捕臂繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，使上下壓板之間的距離縮短，直至夾緊輸送帶。利用萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特殊性，使上下轉(zhuǎn)動(dòng)臂可在多個(gè)方向的

圖7 改進(jìn)前的物質(zhì)?場(chǎng)模型

圖8 改進(jìn)后的物質(zhì)?場(chǎng)模型

圖9 抓捕裝置示意圖

圖10 上下抓捕臂結(jié)構(gòu)

一定角度范圍內(nèi)變動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上下抓捕臂運(yùn)動(dòng)方向速度的同步轉(zhuǎn)動(dòng)性，以及球頭軸對(duì)壓板方向的可調(diào)節(jié)性，達(dá)到上下壓板在多個(gè)角度都能及時(shí)夾緊傳送帶的目的。

4 方案評(píng)價(jià)

采用蛛網(wǎng)評(píng)價(jià)體系（如圖11所示）對(duì)上述方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)包括生產(chǎn)費(fèi)用、使用壽命、人機(jī)操作、機(jī)械效率、成本等，根據(jù)上述方案的評(píng)分高低得到最優(yōu)方案。

具體的各個(gè)方案評(píng)分結(jié)果如表4所示。通過整理、融合各個(gè)方案可知，將方案6與方案8結(jié)合在一起為本項(xiàng)目的最優(yōu)方案。

圖11 蛛網(wǎng)評(píng)價(jià)

表4 方案評(píng)分評(píng)價(jià)

Tab.4 Scheme rating and evaluation

5 方案驗(yàn)證

在輸送帶發(fā)生斷帶事故情況下，為了避免造成生命財(cái)產(chǎn)的損失，要求斷帶保護(hù)裝置在0.3 s內(nèi)完成抓捕動(dòng)作，對(duì)輸送帶進(jìn)行制動(dòng)。

在抓捕裝置動(dòng)作開始前，抓捕裝置處于傳送帶兩側(cè)靜止不動(dòng)，抓捕臂的上下壓板與傳送帶保持平行關(guān)系，如圖12所示。抓捕裝置開始運(yùn)行，活塞桿向前以500 mm/s的速度前進(jìn)0.25 s，此時(shí)移動(dòng)滑塊在活塞桿的推動(dòng)下向前沿著導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，抓捕裝置的上下抓捕臂在移動(dòng)滑塊及連桿的帶動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，上下抓捕臂之間的距離減小，并且上下壓板與傳送帶接觸，實(shí)現(xiàn)抓捕動(dòng)作，從而與傳送帶產(chǎn)生較大的摩擦力，達(dá)到制動(dòng)傳送帶的目的，如圖13所示。

圖12 抓捕動(dòng)作前示意圖

通過分析輸送帶作用力圖，在斷帶保護(hù)裝置運(yùn)行0.25 s時(shí)，輸送帶受到的最大力為10 kN，可以產(chǎn)生較大的摩擦力，達(dá)到制動(dòng)傳送帶的目的，如圖14所示。

圖13 抓捕動(dòng)作后示意圖

總體來看，從斷帶保護(hù)裝置的運(yùn)動(dòng)仿真中驗(yàn)證了上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，且整個(gè)結(jié)構(gòu)零件之間配合無誤，抓捕裝置無任何誤動(dòng)作。在仿真運(yùn)動(dòng)中，抓捕裝置運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)作準(zhǔn)確，上下壓板在接觸過程中未錯(cuò)位，保證了上下壓板受力的穩(wěn)定，未出現(xiàn)因錯(cuò)位而損壞傳送帶的情況，可以滿足快速反應(yīng)、制動(dòng)精準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求。

6 結(jié)語

介紹了運(yùn)用TRIZ理論對(duì)輸送帶斷帶保護(hù)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程。通過分析輸送帶發(fā)生斷帶事故后斷帶保護(hù)裝置保護(hù)不及時(shí)、精準(zhǔn)度不高等問題，詳細(xì)闡述了應(yīng)用TRIZ理論解決該問題的具體過程，包含問題描述、問題分析、解決方案的產(chǎn)生和方案評(píng)價(jià)等，充分說明TRIZ理論在解決一般工程問題上具有優(yōu)勢(shì)。

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Innovative Design of Conveyor Belt Breakage Protection Device Based on TRIZ Theory

ZHANG Wanming1,2, ZHANG Pengcheng1,2*,GONG Xiang1,2, LI Guoqin1,2, GAO Chengsen1

(1. Department of Mechanical Engineering, Hebei University of Water Resources and Electric Engineering, Hebei Cangzhou 061001, China; 2.Hebei Industrial Manipulator Control and Reliability Technology Innovation Center, Hebei Cangzhou 061001, China)

During the transportation of goods, the conveyor belt may break after a long time, and the belt breakage protection device cannot provide protection in a timely manner. Therefore, it is necessary to improve the belt breakage protection device. Functional model analysis and causal chain analysis in the TRIZ theory was used to analyze the entire system, and tools such as 76 standard solutions, invention principles, and separation principles were used to solve the problem. The solution to the problem through the TRIZ theory resulted in a new structural scheme for the conveyor belt breakage protection device. The scheme could effectively shorten the time required for breakage protection, improve the accuracy of breakage protection, and protect the safety of life and property. In conclusion, by applying TRIZ theory to innovate the design of conveyor belt breakage protection device, the new conveyor belt breakage protection device has achieved the requirements of fast response, precise braking, and simple structure.

TRIZ theory; belt breakage protection device; technical contradictions; structural design

TB472

A

1001-3563(2024)07-0214-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.027

2023-04-08

河北水利電力學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（SYKY2219）；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助（ZD2022081）；河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（S202310085005）

通信作者