基于TRIZ 理論的雙錨索下料機行程控制器設(shè)計

王成軍，李龍，蔣遠遠

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 礦業(yè)工程博士后流動站，安徽 淮南 232001）

0 引言

錨索因具其柔性高、承載能力大、運輸方便和早期承載高等優(yōu)點，已成為煤礦巷道支護所采用的主要方式，因此在煤礦生產(chǎn)中錨索的使用量非常大［1］。不同工作條件經(jīng)常需要不同長度的錨索，而錨索出廠時都是整捆包裝，因此需要根據(jù)實際需求尺寸對錨索進行切割下料，但是在切割錨索過程中，拖拉錨索、切割錨索等環(huán)節(jié)都用人工實現(xiàn)，工作效率低，且時常發(fā)生錨索彈出傷人或切割片碎裂崩傷人的事故。礦用錨索下料機的出現(xiàn)有效解決了這些問題，提高了工作效率和人身安全。但現(xiàn)有的錨索自動下料機大多是單根下料，其行程控制器往往也是解決單根錨索的尺寸控制，對于雙錨索下料機行程的控制現(xiàn)在還沒有有效、可行的解決辦法。

本文根據(jù)TRIZ 發(fā)明理論，對現(xiàn)有的單錨索下料機行程控制器進行了結(jié)構(gòu)分析，并設(shè)計了一種新的適用于雙錨索下料機行程控制器。

1 TRIZ 理論只要內(nèi)容及研究方法

TRIZ（Theoryof Inventive Problem Solving）理論是“發(fā)明問題的解決理論”，由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在1946年領(lǐng)導創(chuàng)立的，前蘇聯(lián)集中了大量的人力、財力、物力，分析了全世界250 萬份高質(zhì)量的發(fā)明專利，總結(jié)出來的發(fā)明問題解決理論［2-3］。TRIZ 理論的核心內(nèi)容包含：技術(shù)系統(tǒng)演變8 個模式、39 個 通 用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、沖突解決矩陣、物理矛盾分離原理、物產(chǎn)分析法及76 個標準解、發(fā)明問題解決算法（ARIZ）以及工程知識庫等，其發(fā)明解決過程模型如圖1 所示。

圖1 基于TRIZ 理論的發(fā)明問題解決問題模型

2 基于TRIZ 理論的雙錨索下料機行程開關(guān)的設(shè)計

2.1 問題分析

單錨索下料機行程控制器主要組成為推桿、行程開關(guān)、復位彈簧以及相關(guān)的連接機構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 單錨索下料機行程控制器

推桿放置于礦用工字鋼一側(cè)內(nèi)腔，行程開關(guān)固定在礦用工字鋼上方，通過鉸鏈與推桿連接，復位彈簧一端與礦用工字鋼固連，另一端固連在推桿上，當加工的錨索抵觸推桿時，推桿滑動帶動行程開關(guān)、復位彈簧一起運動，到達預定位置，行程開關(guān)給出電位，整機停轉(zhuǎn)，即得到需要的長度；卸料后由于復位彈簧作用，行程控制器回到初始狀態(tài)。該方法對于單錨索下料機適用，若用于雙錨索下料機則存在3 個方面的問題：1）因行程開關(guān)體積過大而無足夠安裝空間，進而導致整體結(jié)構(gòu)大而臃腫，同時開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計易銹蝕、不防塵；2）不能滿足對雙錨索下料機的行程控制需要；3）不能滿足截取不同長度錨索的需求，即在最小的結(jié)構(gòu)改變下功能的多樣化。

2.2 建立問題模型

建立問題模型，即將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為TRIZ 標準問題，要求將實際問題的描述轉(zhuǎn)化為39 個通用工程參數(shù)中的2 項，然后確定工程參數(shù)之間的技術(shù)矛盾。

現(xiàn)有的單錨索下料機行程控制器，整體結(jié)構(gòu)過大且結(jié)構(gòu)過于臃腫，如果要適用于雙錨索下料機體積必須減小，整體結(jié)構(gòu)勢必發(fā)生改變。需要改善的工程參數(shù)可定義為靜止物體的體積，惡化的參數(shù)定義為形狀，則可構(gòu)建靜止物體的體積與形狀之間的技術(shù)矛盾?，F(xiàn)有的行程控制只是對單根錨索行程控制，如果變成雙錨索行程控制，同樣要改變雙錨索下料機行程控制器的結(jié)構(gòu)，但會提高雙錨索下料機行程控制器的適應(yīng)性及通用性，相應(yīng)可以定義為適應(yīng)性及通用性與形狀之間的技術(shù)矛盾。

對于雙錨索下料機行程控制器，在設(shè)計時希望其可滿足對不同長度錨索的控制，這就要求必須改變雙錨索下料機行程控制器的長度，但會改變雙錨索下料機行程控制器的結(jié)構(gòu)，同樣可以定義為靜止物體的長度與形狀之間的技術(shù)矛盾。

2.3 解決方案

根據(jù)分析得到的工程參數(shù)，通過查詢TRIZ 技術(shù)矛盾的矛盾矩陣，找到2 個工程參數(shù)對應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理，如表1 所示。

該矩陣表達了TRIZ 提示的改進原理，通過查找表1沖突矩陣交匯處所對應(yīng)的原理，結(jié)合實際情況，擬采用編號1、7、15 所對應(yīng)的發(fā)明原理，其創(chuàng)新思維方法如表2所示。

表1 雙錨索下料機行程控制器的沖突矩陣

表2 沖突解決原理

創(chuàng)新原理應(yīng)用技巧如下：1）1 號分割原理。將雙錨索下料機行程控制器整體結(jié)構(gòu)分割成幾個獨立的子系統(tǒng)來設(shè)計，這樣可以優(yōu)化各子系統(tǒng)的設(shè)計，減小雙錨索下料機行程控制器體積，同時采用冗余設(shè)計減少設(shè)計難度。2）2號嵌套原理。盡量將整個產(chǎn)品嵌入到礦用工字鋼尾部，同時將推桿貫穿復位彈簧之中，用以減少雙錨索下料機行程控制器體積。3）15 號動態(tài)化原理。用滾輪或擋板使產(chǎn)品的各子系統(tǒng)相對移動，避免采用鉸鏈連接，提高了產(chǎn)品的靈活性。

2.4 物理矛盾分析

當一個技術(shù)系統(tǒng)的工程參數(shù)具有相反的需求時，就出現(xiàn)了物理矛盾。本設(shè)計物理矛盾為希望滿足截取不同長度錨索需求，即長與短的物理矛盾。針對這個問題，采用TRIZ 理論的物理沖突求解工具，通過分析，利用時間分離原理可以求解，就是在加工不同長度的錨索時，推桿的長度也可以隨之相應(yīng)變化，根據(jù)這個思路，將雙錨索下料機行程控制器的推桿設(shè)計成伸縮式的。

2.5 物質(zhì)-場分析

物質(zhì)-場分析原理認為，所有的功能都可分解為兩種物質(zhì)及一種場，即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場的三元件組成。產(chǎn)品是功能的一種實現(xiàn)，因此，可用物質(zhì)-場分析產(chǎn)品的功能。

雙錨索下料機行程控制器設(shè)計時有一個衍生危害，即當推桿長度變化過大時，由于重心的偏移會對支架產(chǎn)生嚴重的磨損，加快雙錨索下料機行程控制器老化，同時也影響雙錨索下料機行程控制器的工作效果。

針對這個問題，采用TRIZ 理論的物場分析方法求解：

1）確定物場模型元素：機械力（F）、推桿（S1）、支架（S2）。

2）建立物場模型：從上述元素分析中，元素齊全，只是產(chǎn)生了有害作用。建立如圖3 所示的物場模型。

3）確定物場模型的一般解法。從一般解法表中查得，可以采用解法2、3 求解本題，這里主要應(yīng)用一般解法2 來求解，即引入第三種物質(zhì)S3來阻止有害作用，引入第三種物質(zhì)——直線軸承（S3），其物場模型如圖4 所示。

圖3 支架支撐推桿的物場模型

圖4 支架和直線軸承共同支撐推桿的物場模型

2.6 具體解決方案

通過對1 號、7 號和15 號創(chuàng)新原理以及物理矛盾、物質(zhì)-場分析，以此為創(chuàng)新設(shè)計的思路，可得到最終的雙錨索下料機行程控制器創(chuàng)新設(shè)計方案，如圖5 所示。

將整個雙錨索下料機行程控制器拆分成復位彈簧、導桿裝置、支撐架和行程開關(guān)共4 部分。支撐架用來支撐雙錨索下料機行程控制器其余部件，復位彈簧由原來的拉伸彈簧改為壓縮彈簧，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，支撐架的橫支板上面設(shè)有安裝孔，可通過螺栓將雙錨索下料機行程控制器安裝于礦用工字鋼的腰板上，行程開關(guān)與推桿之間采用滾輪與觸板的設(shè)計，摒棄了原有的鉸鏈設(shè)計，提高了產(chǎn)品的靈活性。整體結(jié)構(gòu)采用冗余設(shè)計，降低了設(shè)計難度，結(jié)構(gòu)簡單，體積減小，適應(yīng)于雙錨索下料機行程控制。

圖5 創(chuàng)新雙錨索下料機行程控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 結(jié)語

針對現(xiàn)有的單錨索下料機行程控制器存在的結(jié)構(gòu)松散，雙錨索控制，不同長度錨索控制等問題，應(yīng)用TRIZ 理論的通用工程參數(shù)定義技術(shù)矛盾，查詢矛盾矩陣對應(yīng)的創(chuàng)新原理，同時運用物理沖突求解工具、物質(zhì)-場分析模型，結(jié)合實際情況，提出了雙錨索下料機行程控制器的設(shè)計方案，該方案能夠滿足雙錨索下料機對行程控制的需求，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，體積小，占用空間小，可按需求截取不同長度錨索。產(chǎn)品樣機的試制證明該方案是可行可靠的。

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