基于TRIZ理論的水龍帶卷收裝置創(chuàng)新設(shè)計*

韓躍進(jìn)

(徐州徐工汽車制造有限公司,江蘇 徐州 221008)

0 引 言

水龍帶是可承受一定液體壓力的管狀帶織物,被廣泛用于消防、輸油、輸送淡水、農(nóng)業(yè)排灌、工礦和建筑工地送水、排水等[1]。水龍帶以優(yōu)質(zhì)棉、麻或高強(qiáng)化學(xué)纖維為原料,織物組織為雙經(jīng)單緯平紋管狀結(jié)構(gòu),可承受高壓,具有耐磨、耐腐蝕的特性[2],可循環(huán)使用。然而,使用過的水龍帶外表常會黏附污染物;內(nèi)部會積存水、油等被輸送物質(zhì)。內(nèi)部積存物質(zhì)和外部黏附的污染物給水龍帶的卷收、存儲帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響。當(dāng)前,國內(nèi)通常通過人工方式先手動排空水龍帶,手動高壓清洗外表面后再卷收。該模式具有工作量大、效率低的缺點(diǎn)。而國外雖有先進(jìn)的自動清洗、卷收裝置,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格高昂,不適宜在國內(nèi)推廣[3]。針對以上問題,筆者運(yùn)用TRIZ理論開發(fā)設(shè)計一種附有清洗、排空功能的水龍帶卷收裝置。重點(diǎn)對水龍帶卷收裝置的整體結(jié)構(gòu)及驅(qū)動、傳動、卷收、清洗等機(jī)構(gòu)開展創(chuàng)新設(shè)計,創(chuàng)新設(shè)計的水龍帶卷收裝置結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠,極大提高了水龍帶卷收效率和使用壽命,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會價值。

1 水龍帶卷收裝置的問題識別

現(xiàn)有的水龍帶卷收裝置按動力來源類型主要分為兩類,一類是靠電機(jī)驅(qū)動的自動卷收裝置,另一類是靠人力卷收的人工卷收裝置。這兩種水龍帶卷收裝置均存在內(nèi)部積存物質(zhì)和外部黏附污染物清理不方便的共性問題。

1.1 確立創(chuàng)新標(biāo)桿

針對現(xiàn)有水龍帶卷收裝置存在的共性問題,文章選擇一種手搖式水龍帶卷收裝置作為創(chuàng)新標(biāo)桿。該卷收裝置如圖1所示,其工作原理為:將水龍帶一端穿過刮泥板并固定在繞卷桿與撥叉上,工作人員搖動手柄帶動繞卷桿轉(zhuǎn)動,使水龍帶纏繞在繞卷桿上。工作過程中,雙開銷機(jī)構(gòu)固定繞卷桿,防止在纏繞過程中水龍帶脫落;卷收完畢后打開雙開銷,將繞卷桿及纏繞在上的水龍帶取出。

圖1 手搖式水龍帶卷收裝置

1.2 創(chuàng)新標(biāo)桿的功能分析

首先利用組件分析找到水龍帶卷收裝置工程系統(tǒng)中的系統(tǒng)與超系統(tǒng)組件;再利用相互作用分析功能找到水龍帶卷收裝置組件與功能間的相互作用;最后利用功能模型建立水龍帶卷收裝置的功能模型[4-5]。運(yùn)用功能分析,可使水龍帶卷收裝置各組件間的相互作用關(guān)系更加具體形象,更容易地識別出有問題的組件。

(1) 組件分析

水龍帶卷收裝置的主要零件包括手柄、繞卷、雙開銷、支撐腳、刮泥桿。該裝置的主要零件均為系統(tǒng)組件;超系統(tǒng)組件有外部污染物、水龍帶、內(nèi)部積存物。水龍帶卷收裝置的組件分析如表1所列。

表1 水龍帶卷收裝置的組件分析

(2) 相互作用分析

相互作用分析是指在系統(tǒng)或超系統(tǒng)組件之間,兩兩進(jìn)行識別與分析,得到二者的相互作用關(guān)系[6]。將表1中的組件列出,可產(chǎn)生一個相互作用矩陣表,將有相互作用的組件以“+”標(biāo)記,如手柄與繞卷桿之間,手柄會帶動繞卷轉(zhuǎn)動,二者之間相互作用;若組件間無作用,則以“-“標(biāo)記,如手柄與雙開銷之間。有“+”意味著可能存在功能。水龍帶卷收裝置的相互作用分析如表2所列。

表2 水龍帶卷收裝置的相互作用分析

(3) 功能建模

功能建模就是要創(chuàng)建出一個功能模型,以此來描述組件的功能、性能、用途以及成本等[7]。功能按照性能可以分為有用的功能和有害的功能兩種。比如手柄驅(qū)動繞卷桿,這個功能符合期望,就是有用的功能;而外部污染物黏附在水龍帶上,這個功能不符合期望,就是有害的功能。為建立起水龍帶卷收裝置的功能模型,對表2中每一個組件所對應(yīng)的標(biāo)注有“+”的單元進(jìn)行功能分析,從而發(fā)現(xiàn)該工程系統(tǒng)中存在多個缺點(diǎn):外部污染物會對水龍帶產(chǎn)生有害功能;內(nèi)部積存物會對水龍帶產(chǎn)生有害功能;刮泥桿去除外部污染物效果差。為了更直觀地了解整個系統(tǒng)功能,將功能模型圖形化表示,如圖2所示。

圖2 水龍帶卷收裝置功能模型圖

1.3 因果鏈分析

為了找到系統(tǒng)功能缺點(diǎn)背后的深層原因并找到更多解決問題的關(guān)鍵點(diǎn),文章使用因果鏈分析對水龍帶卷收裝置進(jìn)行進(jìn)一步分析,分析發(fā)現(xiàn):該工程系統(tǒng)的關(guān)鍵缺點(diǎn)是“缺少擠出內(nèi)部積存物的機(jī)構(gòu)”以及“刮泥桿去除外部污染物的效果不足”。將系統(tǒng)的關(guān)鍵缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵問題,即“如何增強(qiáng)擠出水龍帶內(nèi)部積存物功能”“如何增強(qiáng)去除外部污染物效果”。

1.4 特性傳遞分析

對水龍帶卷收裝置工程系統(tǒng)中的刮泥桿進(jìn)行特性傳遞分析,利用其找到解決問題的方向以及可能產(chǎn)生的新問題。分析過程如下。

(1) 識別刮泥桿的主要功能是去除外部污染物。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低,缺點(diǎn)是去除外部污染物效果差。

(2) 去除外部污染物的組件有擋板、滾輪毛刷、噴水裝置等。選擇滾輪毛刷、噴水裝置作為備選。

(3) 由于刮泥桿結(jié)構(gòu)簡單,成本低,選擇其作為基礎(chǔ)系統(tǒng)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),滾輪毛刷通過毛刷與表面緊貼在一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn),可以有效去除水帶表面污垢;噴水裝置通過高壓噴頭向物體表面噴射水流進(jìn)行清洗。二者具有良好的去除外部污染物的效果。

(4) 將具備優(yōu)點(diǎn)的系統(tǒng)直接集成到基礎(chǔ)系統(tǒng)中,替換原有系統(tǒng),即將毛刷、噴水裝置集中到一起,成為一個清洗系統(tǒng),使新系統(tǒng)具備去除外部污染物的作用。

(5) 將毛刷、噴水裝置構(gòu)成的新系統(tǒng)移入到基礎(chǔ)系統(tǒng)中會遇到新的問題。新的清洗系統(tǒng)包含毛刷、水箱、注管、過水管、高壓噴頭等零件。為保證其正常工作需要足夠動力,因此出現(xiàn)新的關(guān)鍵缺點(diǎn)“傳動機(jī)構(gòu)不滿足需求”及新的關(guān)鍵問題“如何讓傳動機(jī)構(gòu)滿足需求”。

1.5 關(guān)鍵問題分析

結(jié)合上述功能分析、因果鏈分析、進(jìn)化法則分析及特性傳遞分析,可以得到最終的關(guān)鍵問題分析,如表3所列。

表3 關(guān)鍵問題分析表

2 水龍帶卷收裝置創(chuàng)新方案設(shè)計

基于水龍帶卷收裝置的問題識別,結(jié)合設(shè)計要求,利用TRIZ理論中的39個通用工程參數(shù)將具體的工程問題轉(zhuǎn)換為技術(shù)矛盾,之后再運(yùn)用TRIZ工具對水龍帶卷收裝置開展創(chuàng)新設(shè)計[8]。創(chuàng)新設(shè)計的卷收裝置可以卷收直徑分別為50、65、75、80、90 mm規(guī)格的水龍帶;卷收過程中可以對水龍帶表面進(jìn)行清洗;卷收過程中可以擠出水龍帶內(nèi)部積存物;整體裝置安全可靠,結(jié)構(gòu)合理。

2.1 基于技術(shù)矛盾的清洗機(jī)構(gòu)與擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了滿足去除水龍帶表面污染物的需求,從結(jié)構(gòu)可行性、質(zhì)量、體積等多重因素出發(fā),參考TRIZ發(fā)明原理中的“No.7嵌套”原理、“No.23反饋”原理和“No.14曲面化”原理,在收卷盤上下各布置一根接高壓噴頭的過水管,用以沖洗水龍帶上下表面。為了防止沖洗過程中,水流濺射到其它工作部件上,增加一前蓋板作為擋板,并將毛刷置于前蓋中央空腔處。為了滿足擠出水龍帶內(nèi)部積存物的需求,在裝置上增設(shè)一對擠壓輥,參考“No.5組合”原理,將擠壓輥與清洗機(jī)構(gòu)組合布置于前中央。

2.2 基于技術(shù)矛盾的卷收機(jī)構(gòu)設(shè)計

為提高水龍帶卷收效率,根據(jù)發(fā)明原理的“No.5組合”原理,在收卷盤上增加撥叉;根據(jù)發(fā)明原理的“No.1分割”原理和“No.7嵌套”原理,將收卷盤設(shè)計為可拆卸式,為防止收卷盤在工作中脫離繞卷桿,二者之間通過銷軸固定,同時在右側(cè)設(shè)置一個彈簧銷,收卷完畢后取出插銷,利于收卷盤的拆裝。

2.3 基于功能導(dǎo)向搜索的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

創(chuàng)新設(shè)計的水龍帶卷收裝置的驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式為上下往復(fù)運(yùn)動,水龍帶卷收需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,所以需要一種傳動機(jī)構(gòu)來滿足需求。設(shè)計中運(yùn)用功能導(dǎo)向搜索方法,將棘輪結(jié)構(gòu)與齒輪齒條傳動相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻男D(zhuǎn)運(yùn)動。

2.4 水龍帶卷收裝置整體方案設(shè)計

水龍帶卷收裝置整體設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 水龍帶卷收裝置創(chuàng)新設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

工作人員踩下踏板,踏板帶動翹桿前端向下運(yùn)動,翹桿后端向上運(yùn)動,帶動驅(qū)動管向上運(yùn)動,驅(qū)動管上的齒條與繞卷桿上的齒輪發(fā)生嚙合,使齒輪順時針轉(zhuǎn)動。此時,齒輪內(nèi)圈的棘輪機(jī)構(gòu)會被轉(zhuǎn)動輪上的棘爪卡住,從而帶動轉(zhuǎn)動輪、繞卷桿順時針轉(zhuǎn)動。繞卷桿轉(zhuǎn)動帶動驅(qū)動帶輪、傳動軸及毛刷順時針轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)刷洗功能。工作人員松開踏板,驅(qū)動管下移,齒條帶動齒輪逆時針旋轉(zhuǎn),此時棘爪在齒輪內(nèi)圈的棘輪齒背上滑過,故棘輪靜止不動,繞卷桿不動。如此,驅(qū)動管作上下往復(fù)運(yùn)動時,繞卷桿作單向的、間歇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,同時驅(qū)動管帶動活塞上下運(yùn)動,不斷向水箱內(nèi)增壓,以保證水箱內(nèi)的水源不斷通過噴頭噴出。

3 水龍帶卷收裝置創(chuàng)新設(shè)計效果

文章設(shè)計的水龍帶卷收裝置主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、卷收機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)等部分組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用腳踏方式為卷收裝置和清洗機(jī)構(gòu)提供動力;傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪結(jié)合棘輪、棘爪機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計,使驅(qū)動機(jī)構(gòu)的上下往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為卷收機(jī)構(gòu)的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;清洗機(jī)構(gòu)可以清洗水龍帶外部污染物,卷收機(jī)構(gòu)在卷收水龍帶的同時排空其內(nèi)部積存物。在各機(jī)構(gòu)協(xié)同配合下,創(chuàng)新設(shè)計的水龍帶卷收裝置可以先后完成排空、清洗、卷收等功能,解決了傳統(tǒng)卷收裝置的諸多弊端。此水龍帶卷收裝置可節(jié)約人力成本,提高水龍帶卷收效率和使用壽命,可以廣泛應(yīng)用于消防、輸油、輸送淡水、農(nóng)業(yè)排灌、工礦和建筑工地送水、排水等領(lǐng)域。

4 結(jié) 語

根據(jù)TRIZ理論的問題求解過程,運(yùn)用問題識別工具找到水龍帶卷收裝置的關(guān)鍵問題,并根據(jù)分析結(jié)果確定水龍帶卷收裝置的設(shè)計需求和設(shè)計方向,再運(yùn)用TRIZ理論的問題解決工具對水龍帶卷收裝置的收卷機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,有效解決了水龍帶收卷過程中采用人工方式造成的工作量大、效率低的問題,有較強(qiáng)的推廣意義。