基于TRIZ 理論的帶式輸送機斷帶抓捕器的研究①

劉訓(xùn)濤， 王愛芳， 劉秀蓮， 郝雙雙

(1.黑龍江科技學(xué)院 機械學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027;2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150081)

0 引 言

帶式輸送機以它結(jié)構(gòu)簡單、運量范圍大、運輸物料品種多、基建費用低等優(yōu)點，正成為散體物料的主要運輸工具，廣泛的應(yīng)用于礦山、港口、電廠中，但是在帶式輸送機使用中，尤其大傾角、大運量運輸中，經(jīng)常發(fā)生斷帶事故，嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)甚至工人的生命安全.現(xiàn)階段斷帶抓捕器結(jié)構(gòu)有單向托輥式、偏心托輥式、制動靴式、楔塊式、全帶寬抓捕等多種形式.但是各種抓捕器都存在響應(yīng)時間長，抓捕可靠性差、穩(wěn)定性不高等問題，國內(nèi)外至今也沒有得到很好的解辦法.因此如何設(shè)計高效斷帶保護裝置，在輸送帶斷裂后，準確檢測到斷裂信號，快速抓捕住斷帶，并有效防止二次斷帶的發(fā)生，已成為擺在礦山機械設(shè)計者面前的一項意義重大的科研課題［1～5］.

1 TRIZ 理論

TRIZ(萃智)是俄文ТРИЗ(теории решения изобретательских задач)的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch 的縮寫，其英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems(在歐美國家也可縮寫為TIPS)，中文意思為:發(fā)明問題解決理論. 是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇. 阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在研究了世界各地250 萬份高水平專利基礎(chǔ)上于1946 年創(chuàng)立的.它利用創(chuàng)新的規(guī)律，使創(chuàng)新走出了盲目的、高成本的試錯和靈光一現(xiàn)式的偶然.為企業(yè)節(jié)省的大量研發(fā)經(jīng)費，縮短了企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品周期，提高了企業(yè)的市場競爭力［6 ～10］.

本文將TRIZ 理論引入帶式輸送機斷帶抓捕器的設(shè)計，提出了基于TRIZ 理論的機械結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計方法.將結(jié)構(gòu)設(shè)計分成六個階段:問題的發(fā)現(xiàn)、工程問題的提取、標準問題的形成、TRIZ 解決方案求解、最終結(jié)構(gòu)設(shè)計.如圖1 所示.

圖1 TRIZ 理論結(jié)構(gòu)設(shè)計的六個階段

開始設(shè)計時，設(shè)計者首先尋找技術(shù)系統(tǒng)中存在的技術(shù)問題，然后通過TRIZ 理論分析工具(九屏法、功能分析、S 進化曲線、小人法、金魚法)中的一種或幾種進行系統(tǒng)分析，分析系統(tǒng)子系統(tǒng)和超系統(tǒng)，查找可利用的資源，將工程問題轉(zhuǎn)化成TRIZ理論標準問題，形成最終理想解，應(yīng)用TRIZ 工具(矛盾矩陣、物理矛盾、物—場模型、76 個標準解、ARIZ 解決算法、40 個創(chuàng)新原理、效應(yīng)、進化法則)進行方案求解，最后設(shè)計產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)［12～13］.TRIZ 理論可以幫助設(shè)計者克服慣性思維，提供清晰解題思路.TRIZ 理論的解題過程如圖2 所示.

圖2 TRIZ 理論的解題過程

圖3 抓捕器物質(zhì)資源

2 TRIZ 理論在斷帶抓捕器設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 問題描述

由于載荷激增、疲勞破壞等原因經(jīng)常發(fā)生帶式輸送機的輸送帶的橫向斷裂，但現(xiàn)有的抓捕裝置響應(yīng)時間長，性能不穩(wěn)定，無法有效的實現(xiàn)斷帶保護.

圖4 抓捕器物場模型

2.2 最終理想解

IFR-1:希望能夠制造一種抓捕裝置，自己完成斷帶信號檢測，準確的完成斷帶抓捕，且結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，性能穩(wěn)定.

IFR-2:輸送帶斷帶后能瞬間自我停下來.

2.3 斷帶抓捕器的S 進化曲線

抓捕器的結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)在正處于嬰兒期到成長期的過渡，現(xiàn)在人們開始重視抓捕器的設(shè)計，也出現(xiàn)了一定的專利，但是仍然沒有穩(wěn)定的被廣泛接受的經(jīng)典結(jié)構(gòu).因此系統(tǒng)內(nèi)部的資源仍然沒有利用完全.

2.4 斷帶抓捕器的九屏幕法

2.5 資源分析

抓捕器的現(xiàn)成的物質(zhì)資源有:機架、輸送帶、物料.場資源:重力場.派生的信息資源:帶的張力.

2.6 矛盾的建立

現(xiàn)階段的抓捕器多數(shù)響應(yīng)時間長，穩(wěn)定性差，將其轉(zhuǎn)化成TRIZ 理論標準問題為:改善的參數(shù)是動物的時間、測量的精度、可靠性，惡化的參數(shù)是系統(tǒng)的可靠性、設(shè)備復(fù)雜性和檢測的復(fù)雜性，抓捕器的矛盾矩陣如表1 所示.

根據(jù)帶式輸送機工作實際工況，擬選用::1 號分割原理、5 號組合原理、10 號預(yù)先作用、11 號預(yù)先防范、15 號動態(tài)化原理.具體的原理內(nèi)容如表2所示.

表1 抓捕器的矛盾矩陣表

表2 選用的創(chuàng)新原理

圖5 雙彈簧全斷面抓捕器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.7 物—場模型

現(xiàn)階段的楔塊式抓捕器，多數(shù)通過單向托輥作為斷帶信號檢測裝置，以楔塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)斷帶的抓捕，經(jīng)常發(fā)生抓捕反應(yīng)時間長，抓捕力太小無法抓住斷帶，或者抓捕力過大發(fā)生輸送帶二次斷裂現(xiàn)象.現(xiàn)有的抓捕器物—場模型屬于效應(yīng)不足的完整物場模型，如圖4 所示.為了改變這種情況，建立一個附加場，采用雙彈簧結(jié)構(gòu).

2.8 雙彈簧全斷面抓捕器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用分割、組合原理設(shè)計了彈簧全斷面抓捕器，全斷面抓捕器由內(nèi)、外抓捕機構(gòu)和上面的弧形抓捕板組成，如圖5 所示. 內(nèi)抓捕機構(gòu)由弧形托輥組、支撐連桿、內(nèi)彈簧、外彈簧開啟滾輪組成.利用TRIZ 預(yù)先作用原理提高抓捕機構(gòu)的響應(yīng)時間，內(nèi)抓捕機構(gòu)的弧形托輥組始終與輸送帶相接，彈簧力通過弧形托輥組直接施加給由拉緊裝置拉緊的輸送帶上.外抓捕機構(gòu)由外彈簧、外彈簧鎖緊機構(gòu)、外彈簧鎖緊杠桿、外彈簧執(zhí)行滾輪組成.

當(dāng)輸送帶正常工作時，輸送帶在拉緊力的作用下，輸送帶繃緊，弧形托輥在內(nèi)彈簧力作用下與輸送帶相接觸.當(dāng)輸送帶斷裂后，輸送帶張力為零，弧形托輥組在內(nèi)彈簧作用下向上運動，將斷帶壓緊在上面的抓捕板上，實現(xiàn)一級制動.同時，向上運動的弧形托輥組帶動弧形托輥桿向上運動，弧形托輥桿下的外彈簧開啟滾輪隨之向上運動.

為了防止出現(xiàn)二次斷帶，采用預(yù)先防范原理和動態(tài)化原理，設(shè)計外彈簧抓捕機構(gòu)，外彈簧鎖緊機構(gòu)正常工作時由鎖緊彈簧鎖緊，外彈簧與弧形托輥組不接觸，亦不參與一級制動.當(dāng)出現(xiàn)斷帶時，弧形托輥桿下外彈簧開啟滾輪壓動外鎖緊彈簧執(zhí)行滾輪，帶動外彈簧鎖緊機構(gòu)繞轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動，開啟外彈簧，外彈簧壓在弧形托輥架上，與內(nèi)彈簧一起對斷帶施加抓捕力，實現(xiàn)二次抓捕.

3 結(jié) 論

通過TRIZ 理論工具的使用，設(shè)計了雙彈簧全斷面抓捕器，通過內(nèi)彈簧實時監(jiān)測斷帶信息，完成一級抓捕，提高了抓捕器動作的準確性，縮短了抓捕響應(yīng)時間.設(shè)計了外彈簧抓捕機構(gòu)，減少了二次斷帶事故的發(fā)生，提高了抓捕的可靠性，很好的完成斷帶抓捕任務(wù).

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