基于TRIZ的多工藝動力頭創(chuàng)新設(shè)計

何磊，高杉，李勇

(1.中國地質(zhì)裝備集團有限公司，北京　100102；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京　100083)

基于TRIZ的多工藝動力頭創(chuàng)新設(shè)計

何磊1，高杉1，李勇2

(1.中國地質(zhì)裝備集團有限公司，北京100102；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京100083)

摘要：：作者將TRIZ(theory of inventive problem solving)創(chuàng)新理論方法應(yīng)用于多工藝鉆機動力頭的設(shè)計研究，對同時適用于金剛石繩索取心鉆進工藝和空氣反循環(huán)快速取樣兩種鉆進工藝多工藝鉆機動力頭技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題進行分析，提出了新型多工藝動力頭的設(shè)計要求；應(yīng)用TRIZ理論進行根原因分析，建立系統(tǒng)功能模型，確立了沖突區(qū)域，選擇、確定可行的發(fā)明原理，綜合各種創(chuàng)新方法的解，最終給出可行解；最后對新型多工藝鉆機動力頭進行了可行性及經(jīng)濟性分析。

關(guān)鍵詞：鉆機；多工藝；動力頭；創(chuàng)新；設(shè)計

中圖分類號：P634.31

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-282X(2015)06-0011-04

收稿日期：2015-10-26

作者簡介：何磊(1979-)，男(漢族)，江蘇徐州人，中國地質(zhì)裝備集團有限公司技術(shù)中心鉆探設(shè)備研發(fā)部主任，高級工程師，碩士，機械工程及自動化專業(yè)，長期從事鉆探設(shè)備研發(fā)及知識產(chǎn)權(quán)管理工作，北京市朝陽區(qū)望京西園221號博泰大廈5層，13671168082@163.com。

0引言

TRIZ是由前蘇聯(lián)著名發(fā)明家G.S.Ahshuller及其帶領(lǐng)的研究團隊，通過深入分析和研究世界各國近250萬件高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上建立起來的發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving)[1]。其核心是回答發(fā)明問題解決的過程、支持工具等難題，使設(shè)計者或問題解決人員能運用前人在不同領(lǐng)域創(chuàng)新的知識和經(jīng)驗，快速、高效地解決自己的問題。TRIZ已被認為是一種世界級創(chuàng)新方法[2]。

目前，我國地質(zhì)小口徑固體礦產(chǎn)勘探工作量絕大部分都采用金剛石繩索取心鉆探工藝，空氣反循環(huán)鉆探工藝以其高效率與低成本的優(yōu)勢在國外得到廣泛應(yīng)用[3]。將RC鉆探工藝淺部高效取樣和深部金剛石繩索取心相結(jié)合的多工藝鉆機在國外已系列化，技術(shù)及相關(guān)配套機具都已成熟，例如山特維克公司的DE系列鉆機、寶長年公司的LX系列鉆機等。動力頭是鉆機的關(guān)鍵功能部件，多工藝鉆機研制的關(guān)鍵技術(shù)在于多工藝動力頭(回轉(zhuǎn)裝置)的研發(fā)，其作用是為鉆桿提供回轉(zhuǎn)扭矩和控制轉(zhuǎn)速。本文運用TRIZ的經(jīng)典方法設(shè)計一種多工藝動力頭，既可以滿足兩種鉆探工藝要求的一高一低的調(diào)速范圍，又可以實現(xiàn)高低速的快速切換。

1多工藝動力頭發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石繩索取心和空氣反循環(huán)鉆探工藝對鉆機的要求是有很大差別，主要區(qū)別在于動力頭轉(zhuǎn)速及回轉(zhuǎn)扭矩，多工藝動力頭研發(fā)的難點是轉(zhuǎn)速范圍大。當(dāng)使用金剛石繩索取心鉆進工藝時，鉆頭需要高轉(zhuǎn)速磨削巖石鉆進，一般鉆頭線速度2m/s以上，小直徑鉆頭最高轉(zhuǎn)速大于1000r/min，扭矩小，轉(zhuǎn)速可調(diào)控；空氣反循環(huán)快速取樣鉆進使用沖擊回轉(zhuǎn)全面破碎鉆進方式，要求大扭矩，轉(zhuǎn)速要求只需要20～40r/min。

目前，國外鉆探設(shè)備多功能化、多工藝化成為主流發(fā)展方向，一機多用更能很好的應(yīng)對不同地層及鉆孔需求。主要有兩種方式實現(xiàn)鉆機的多工藝：(1)高速動力頭與低速大扭矩動力頭根據(jù)不同鉆探工藝互換，鉆機其他功能部件不需要變化；(2)一個能實現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)速調(diào)控的多工藝動力頭，可以快速轉(zhuǎn)換使用不同鉆探工藝。

1.1　兩種動力頭的互換

一個高速動力頭，適用于金剛石鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進工藝；一個低速大扭矩動力頭，適用于空氣反循環(huán)快速取樣鉆進工藝，根據(jù)不同的鉆探工藝選擇使用。低速大扭矩動力頭外形如圖1所示，低速大扭矩動力頭適用于空氣反循環(huán)鉆進工藝，由低速大扭矩馬達驅(qū)動輸入齒輪減速箱；高速動力頭外形結(jié)構(gòu)圖2所示，高速動力頭適用于金剛石繩索取心鉆進工藝，高速變量馬達 1 將功率輸入減速器2，減速后再將機械能輸入變速箱3，再經(jīng)末級減速箱 4最終傳遞給輸出軸6。

圖1　低速大扭矩動力頭外形

1.2　高速馬達+大減速比變速箱

采用高速馬達+大減速比變速箱結(jié)構(gòu)方式的動力頭實質(zhì)上是對圖2所示的高速動力頭的改進，因為高速動力頭不能提供空氣反循環(huán)鉆進需要的大扭矩，所以在高速動力頭的基礎(chǔ)上，為了解決動力頭高低速的轉(zhuǎn)換，對高速回轉(zhuǎn)動力頭進行了改進，增加了變速箱，并在箱體內(nèi)增加了一級減速齒輪軸。高速變量馬達8將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，將扭矩傳遞給變速箱7，變速箱7設(shè)有高速與低速兩擋，再將扭矩傳遞給輸入齒輪軸6，與一級減速齒輪4嚙合實現(xiàn)一級減速，一級減速齒輪4與大齒輪3嚙合實現(xiàn)二級減速后最終將功率傳遞給動力頭輸出軸2，潤滑泵5與輸入齒輪軸6連接給箱體內(nèi)軸承提供潤滑油，以上子系統(tǒng)都固定在箱體1上。結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖2　高速動力頭外形結(jié)構(gòu)

1.箱體; 2.輸出軸; 3.大齒輪; 4.一級減速齒輪; 5.潤滑泵; 6.輸入齒輪軸; 7.變速箱; 8.柱塞變量馬達圖3　多工藝動力頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

采用兩種動力頭實現(xiàn)多工藝是多工藝動力頭系統(tǒng)在技術(shù)進化過程的初級階段，使用不方便，不能實現(xiàn)快速切換，更換動力頭時容易污染液壓油，造成液壓系統(tǒng)的失效。采用高速馬達+大速比變速箱結(jié)構(gòu)方式的動力頭是多工藝動力頭系統(tǒng)技術(shù)進化的更高的階段，本文主要對該種多工藝動力頭系統(tǒng)應(yīng)用TRIZ方法解決現(xiàn)有系統(tǒng)的問題進行創(chuàng)新設(shè)計。

2基于TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計過程

由于TRIZ理論是以已有系統(tǒng)為主要研究對象，比較適合于產(chǎn)品的改進設(shè)計[4]。面向問題的創(chuàng)新求解過程主要包括兩個階段：第一階段是通過需求分析、問題表征、功能分解及功能結(jié)構(gòu)構(gòu)建來挖掘現(xiàn)有多工藝動力頭產(chǎn)品存在的問題，并提出改進方向；第二階段是應(yīng)用TRIZ理論中的矛盾矩陣、分離原理、物場模型等工具逐個解決第一階段的系統(tǒng)問題。針對目前多工藝動力頭方式存在的問題，運用TRIZ理論理論解決問題并得到理想解。

2.1　問題分析

高速變量馬達輸出的轉(zhuǎn)速很高，導(dǎo)致變速箱長期工作的情況下發(fā)熱嚴重，變速箱由專業(yè)廠家制造，由于地質(zhì)裝備行業(yè)產(chǎn)品的特點是批量少、變型機型多，所以變速箱價格昂貴，且使用可靠性差。

2.1.1功能分析

對目前使用的多功藝動力頭建立系統(tǒng)功能模型，如圖4所示。功能分析：

圖4　系統(tǒng)功能模型

(1) 液壓系統(tǒng)：系統(tǒng)的超系統(tǒng)，系統(tǒng)的動力來源，功能是為系統(tǒng)提供能量。

(2) 高速變量馬達：主要功能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能，輔助功能是變量調(diào)速。

(3) 變速箱：功能是調(diào)速、傳遞能量。

(4) 輸入齒輪軸、減速齒輪、大齒輪：功能是傳遞機械能、減速。

(5) 輸出軸：功能是傳遞能量，連接鉆桿。是系統(tǒng)的工作單元。

(6) 箱體：功能是支撐各子系統(tǒng)。

(7) 鉆桿：系統(tǒng)的驅(qū)動對象。

2.1.2原因分析

從系統(tǒng)功能模型圖4可以看到，液壓系統(tǒng)驅(qū)動高速馬達8，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能經(jīng)變速箱7將機械能傳遞給輸入齒輪軸6，再經(jīng)過箱體內(nèi)的齒輪減速將能量傳遞到輸出軸2，變速箱有高低速兩擋，高速檔時變速箱發(fā)熱嚴重很容易損壞，低速擋時由于負載強烈的沖擊，變速箱也容易損壞。原因是高速擋時馬達8需要輸入3000r/min以上的轉(zhuǎn)速，在如此高的轉(zhuǎn)速下變速箱長時間工作發(fā)熱嚴重；低速擋時，負載大且不平穩(wěn)對變速箱的齒輪有沖擊造成變速箱損壞。

2.1.3資源分析及理想解

液壓能這種場資源可以直接應(yīng)用，液壓能也是動力頭系統(tǒng)的超系統(tǒng)。針對目前系統(tǒng)的問題，確定系統(tǒng)改進的目標(biāo)，即理想解。利用可用資源，解決變速箱發(fā)熱損壞的問題，實現(xiàn)輸出軸高低速的轉(zhuǎn)換，可靠的工作。

(1)要滿足動力頭的功能需求，保證參數(shù)指標(biāo)，既可以輸出高轉(zhuǎn)速，又可以輸出大扭矩低轉(zhuǎn)速；

(2)要求運用現(xiàn)有資源，最好是沿用液壓驅(qū)動的方式；

(3)能夠快速的切換高轉(zhuǎn)速與大扭矩低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)；

(4)考慮方案的可執(zhí)行性、可靠性及成本控制。

2.2　TRIZ工具的選擇與運用

使用了沖突分析和物質(zhì)-場分析兩種TRIZ創(chuàng)新方法，對應(yīng)可用的發(fā)明原理和76個標(biāo)準(zhǔn)解中的適用解。

2.2.1系統(tǒng)物理沖突的解決

沖突理論是TRIZ的經(jīng)典理論之一，與技術(shù)沖突相比，物理沖突是一種更尖銳的矛盾。動力頭對于整個鉆機來說是一個重要的子系統(tǒng)，動力頭“輸出轉(zhuǎn)速的高與低”就是一個物理沖突。采用分離原理來解決物理沖突，兩種分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理見表1。

表1　發(fā)明原理列表

2.2.2物質(zhì)-場分析及標(biāo)準(zhǔn)解

對變速箱進行物質(zhì)-場分析，如圖5所示。高速液壓馬達8將機械能傳遞到變速箱，施加了機械場，這個場是想要的但有時也是有害的，高轉(zhuǎn)速時馬達8需要輸入3000r/min以上的轉(zhuǎn)速，在如此高的轉(zhuǎn)速下變速箱長時間工作發(fā)熱嚴重，有潤滑散熱裝置的情況下也不能達到熱平衡，造成變速箱損壞；變速箱向輸入齒輪軸施加機械場，齒輪軸方向也向變速箱施加一個有害的機械場，在低速擋時，負載有強烈的沖擊，都縮短了變速箱的使用壽命。

通過物質(zhì)-場分析，可能用到76個標(biāo)準(zhǔn)解中：

圖5　變速箱物質(zhì)-場分析

No.7一個系統(tǒng)中場強度不夠，增加場強度又會損壞系統(tǒng)，將強度足夠大的一個場施加到另一個元件上，再將該元件連接到原系統(tǒng)上。

No.9在一個系統(tǒng)中有用及有害效應(yīng)同時存在。S1及S2不必直接接觸，引入S3消除有害效應(yīng)。

2.3　歸納可能解

將發(fā)明原理及標(biāo)準(zhǔn)解歸納，提出對應(yīng)的可能解，將這些可能解組合形成系統(tǒng)最終解，見表2。

2.4　找到理想解

基于上述物理沖突與系統(tǒng)問題的解決，沿著提出的創(chuàng)造性思維方向，結(jié)合自身實踐經(jīng)驗和工程實際，濾除掉不符合要求的原理方案，最終得到了多工藝動力頭理想解。經(jīng)過進一步細化設(shè)計，得到了新型動力頭最終結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

表2　可能解方案

圖6　多工藝動力頭外形結(jié)構(gòu)圖

如新的系統(tǒng)功能模型圖7所示，將原系統(tǒng)中的變速箱去除，引入了低速大扭矩馬達和換擋機構(gòu)，控制系統(tǒng)即液壓系統(tǒng)增加了控制高速馬達和低速馬達并聯(lián)控制閥，目的是通過液壓和機械的方式快速切換動力頭兩種工作模式。

圖7　新系統(tǒng)功能模型圖

3對理想解的評價

新的系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有資源，引入液壓驅(qū)動的低速馬達，增加了換擋機構(gòu)，考慮到兩種工作模式并不是頻繁的切換，所以采用了人工手動的控制方式。從經(jīng)濟角度上將去除了價格昂貴的變速箱，且變速箱需要外購執(zhí)行過程中有諸多不可控因素，新的方案除了液壓馬達需要外購，所有的子系統(tǒng)都是本單位自行生產(chǎn)，難度并不大，可靠性能保證，液壓馬達是各行各業(yè)大量使用的標(biāo)準(zhǔn)選型產(chǎn)品，質(zhì)量也是可控的，所以新的系統(tǒng)是可行的且較之前的系統(tǒng)是節(jié)約了成本的。

如圖8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡圖所示，動力頭高低速切換的具體實現(xiàn)形式為：

圖8　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡圖

(1) 高速模式：控制馬達并聯(lián)閥，液壓系統(tǒng)只為高速馬達供油，即液壓系統(tǒng)只驅(qū)動高速變量馬達，同時手動控制換擋機構(gòu)使低速馬達與輸入軸脫開，不參與傳動。

(2) 低速模式：控制馬達并聯(lián)閥，使高速及低速兩馬達并聯(lián)，液壓系統(tǒng)同時驅(qū)動兩馬達，同時手動控制換擋機構(gòu)使低速馬達與輸入軸連接。

新系統(tǒng)完全可以滿足功能需求，經(jīng)過物質(zhì)-場分析，也沒有發(fā)現(xiàn)有新問題的產(chǎn)生。

4總結(jié)

由于TRIZ理論本身內(nèi)容繁多且深奧，不同技

術(shù)背景的人對于同一條技術(shù)系統(tǒng)進化法則或同一個技術(shù)矛盾采用何種創(chuàng)新原理都會有不同的理解[6]，系統(tǒng)中的變速箱存在不耐用、價格高等問題，還可以使用功能裁剪方法將變速箱從系統(tǒng)中刪除，變速箱的功能是起到調(diào)速、傳動的作用，可以由其他元件或超系統(tǒng)實現(xiàn)。

創(chuàng)新需要方法，需要管理，對于技術(shù)創(chuàng)新來說，用好TRIZ創(chuàng)新方法可以大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，還可以有效規(guī)避專利壁壘。

參考文獻：

[1]檀潤華.發(fā)明問題解決理論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]檀潤華.TRIZ及應(yīng)用：技術(shù)創(chuàng)新過程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]何磊，劉躍進，沈懷浦，等. XT-6R型多工藝鉆機的研制. 第十八屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)交流年會論文集[M].北京：地質(zhì)出版社，2015.

[4]創(chuàng)新方法研究會，中國21世紀議程管理中心. 創(chuàng)新方法教程：高級[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

[5]袁峰，丁澤新，朱俊. 基于TRIZ的傳動片送料裝置研究設(shè)計[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2012(6)：88-91.

[6]程序，于海燕. TRIZ理論在專利技術(shù)線路圖制定中的應(yīng)用研究[J].情報學(xué)報，2012(10)：1045-1051.