基于TRIZ理論的水泥自動裝車機研究

黃 蕾，鄧援超

(湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

基于TRIZ理論的水泥自動裝車機研究

黃 蕾，鄧援超

(湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

針對現(xiàn)有水泥裝車機的工作形式，提出全自動水泥智能裝車機，研究用智能機械替代人工裝車。由于自動裝車機是一種全新的產品，其技術難度高，開發(fā)困難。利用TRIZ創(chuàng)新方法，解決設計中的不同難題，并將得到的方案應用在實物樣機中，取得了理想的結果。

運動簡圖； 自由度； TRIZ； 創(chuàng)新原理； 物場模型； 物理矛盾； 水泥智能裝車機

提高水泥包裝和裝載運輸?shù)男适撬嗥髽I(yè)創(chuàng)造效益的關鍵一環(huán)，越來越多的水泥企業(yè)出現(xiàn)多達幾十輛貨車等待裝車的現(xiàn)象有待解決[1]。袋裝水泥裝車機至今基本是一種半自動化的生產方式，因此現(xiàn)有對提高裝車效率方面的研究多是袋裝水泥人工裝車，裝車工作勞動強度大，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，而且工人長期在這種惡劣環(huán)境下工作，健康會受到極大的損壞,所以，實現(xiàn)用機械替代人工成為核心問題。

1 全自動水泥裝車機方案設計

1.1 水泥裝車機現(xiàn)狀分析

袋裝水泥經過廠房上面的水平輸送皮帶運至斜皮帶機上，斜皮帶機通過電動提升機吊掛在水平皮帶的機架前端。當袋裝水泥運送至斜皮帶機末端時，就由站在車廂里面的工人將水泥搬下擺放在車廂內，圖1中每排車廂擺放了4列袋裝水泥。這個方向的擺放是由工人自行排列，當碼放到一定層數(shù)后，可以通過電動提升機調節(jié)斜皮帶機的高度，提升的高度由工人決定。

圖1 現(xiàn)有水泥裝車機

1.2 全自動水泥裝車機方案設計

通過對現(xiàn)有水泥裝車機的分析，若去掉人工操作，機械要代替人完成的動作包括：1)將斜皮帶機上的水泥運至車廂；2)水泥袋運至車廂內時水泥袋要基本平整；3)要將水泥在車廂內平齊擺放4列。

在現(xiàn)有水泥裝車機中能夠代替人執(zhí)行其功能的只有斜皮帶機。因為斜皮帶機同時有支撐和輸送水泥袋的功能，且斜皮帶機是運送水泥袋至車廂內的最后一個環(huán)節(jié)部件。

但斜皮帶機只能實現(xiàn)將水泥袋運至車廂的動作。經過反復試驗證明，從斜皮帶機上掉下來的水泥袋不能保證在車廂內平整，更不能完成一排4列的擺放動作。

采用TRIZ理論標準解法第二級第一個子級中的標準解，在此使用擴展物-場中的聯(lián)系，在S2與S1之間加入一個F2—S1的環(huán)節(jié)來提高有用效應，其解的物場模型見圖2。

圖 2 原有物場模型

根據(jù)解的模型尋找解決的方案，最終確定在斜皮帶機尾端再添加一個暫稱為裝車平臺的裝置，。平臺可以實現(xiàn)人工所有功能。平臺處于待裝車箱的正上方，水泥袋在裝車平臺的閘門上垂直落入車廂內。

每袋水泥包的長度在680mm左右，一排4列就是2700mm，略大于一般貨廂的寬度，所以在碼放時有少量重疊部分。由這一特性可知，水泥裝車時貨廂的側板是關上的，否則就會導致裝完后車廂側板關不上的情況。水泥袋從高處往下掉落能夠承受的高度為1m，而貨廂側板高度有一部分貨車超出了1m。若想保證水泥袋不被摔破，裝車平臺需進入車廂內部，但是又由于裝車平臺要實現(xiàn)4列的碼放，裝車平臺比車廂寬，裝車平臺是進不到車廂內部的。

問題描述：因為部分類型的貨車側板超過了水泥袋下落不摔破的極限值1m，為了讓水泥裝車機可以適用于各種類型的貨車，裝車平臺需要進入車廂內再卸載水泥。而4列水泥袋長度略等于一般貨廂，裝車平臺因為要碼放4列水泥袋所以其寬度大于一般貨廂的寬度，其進入車廂內肯定會與車廂側板干涉。

需要改善的方面：適用于各種類型貨車。

造成惡化的方面：運動的裝車平臺因寬度太大與車廂側板干涉。

用TRIZ中的39個通用技術參數(shù)來定義沖突。

改善的參數(shù)：適應性，通用性

惡化的參數(shù)：運動物體的長度

利用技術矛盾解的工具矛盾矩陣，查找到對應的原理：35,1,29,2。

通過對各原理的分析，可利用原理1(分割)和原理2(抽取)。裝車平臺上的閘門是運送水泥袋至車廂的關鍵構件，抽取這一主要功能，即將原來固定在裝車平臺上的閘門分割開來，使其變成可以運動的部件，由其單獨運送水泥袋而并非裝車平臺整體，這樣就不會存在裝車平臺必須進入車廂而與車廂側板干涉打架的問題。

1-裝車平臺；2-導柱；3-電葫蘆；4-鋼絲繩；5-二樓廠房地面；6-水平皮帶機；7-斜皮帶機；8-碼垛裝置

圖 3 全自動水泥裝車機方案

經過設計研究，完成的水泥智能裝車機結構如圖3所示。圖1中所示部分均為裝車平臺，它安裝在斜皮帶機的末端。原水泥裝車機中，斜皮帶機由電動提升機的鋼絲繩懸吊；新斜皮帶機和裝車平臺通過鉸鏈連接，裝車平臺則由電葫蘆的鋼絲繩懸掛在待裝車廂的上方。原裝車機只有鋼絲繩的柔性連接，所以在移動中均有很大的晃動；新裝車平臺與二樓水平支架之間用導桿和滑套的組合實現(xiàn)剛性連接，晃動問題有很大改善。裝車平臺代替人的所有工作，將自斜皮帶機運輸過來的袋裝水泥碼垛至車廂內部。當碼放完一定層數(shù)后，裝車平臺在電葫蘆帶動下沿著導柱直線上升，繼續(xù)碼垛。

2 關鍵技術研究

2.1 水泥包卸載問題

2.1.1 5why分析 5why分析法是一種診斷技術，是常見的因果分析方法，用來識別和說明因果關系鏈，能夠恰當?shù)亩x問題。

要實現(xiàn)正確裝車，水泥包要平整、準確地落在車廂內，但現(xiàn)有的斜皮帶機不能實現(xiàn)。使用5個為什么來分析目前的系統(tǒng)問題如4所示。

圖 4 5 why分析

要想將水泥包平整、準確地卸在車廂內，需要在斜皮帶機的后面增加一個裝置。這個裝置很容易想到閘門，因為閘門可以使水泥包卸載到車廂內時受力平衡，而水泥包從斜皮帶機到閘門之間需要一個運送裝置，在此選用小皮帶機，但小皮帶機上的水泥包在落至閘門上時出現(xiàn)問題。

2.1.2 解決問題 問題描述：當將水泥包從斜皮帶機上運至閘門處時，希望小皮帶機存在；當水泥包運至車廂里面時，不希望小皮帶機存在。

1)物理矛盾 針對這種問題，采用TRIZ理論中物理矛盾[2]的方法來解決。

定義物理矛盾：

希望小皮帶機存在----要將水泥包從斜皮帶機上運至閘門處

不希望小皮帶機存在----要卸載水泥包

解決物理矛盾有4種方法，從對問題的描述，采用條件分離的方法?；跅l件的分離原理，可以利用以下13個創(chuàng)新原理：1、5、6、7、8、13、14、22、24、25、27、33、35。

根據(jù)提供的原理方法，找到幾種解決方案。

a)原理1(分割) 原小皮帶機固定在裝車平臺機架上，只能沿Y方向運動。若將小皮帶機和裝車平臺分割開來，當小皮帶機運動至閘門處時，使其能夠一邊傾斜上升，一邊固定不動，那么水泥包就可在自身重力作用下滑至閘門上，其原理如圖5a所示，其驅動裝置為氣缸，通過連桿2將小皮帶機1的右側頂起。

1-小皮帶機；2-連桿；3-氣缸

V1-小皮帶機轉速；V2-小皮帶機直線運行速度

圖 5 分割

1-水泥包；2-推板；3-連桿；4-氣缸

b)原理13(反向作用)和原理25(自服務) 現(xiàn)在思考的方向是怎樣將小皮帶機上的水泥包卸載，若采用反向作用的原理和自服務原理，可以將思考方向改為水泥包不動，將小皮帶機撤走，這樣也可以實現(xiàn)卸載水泥包。原理如圖5b所示，小皮帶機在裝車平臺上可以直線運行運輸水泥包，小皮帶機也可以通過自身電機實現(xiàn)自轉。當小皮帶機運行至閘門上方時，小皮帶機一邊直線返回，一邊自轉，但這兩個速度方向要相反，當v1和v2相等時，小皮帶機上方的水泥包相對速度為0，水泥包即可原位置掉落在閘門上。

2)物場模型 原有系統(tǒng)的物場模型[3]是一種不完整的模型，構建的新物場模型如圖6a所示。

針對原有不完整模型，新物場模型的解是補齊所缺失的元素，使其成為一個完整的模型。根據(jù)解想到方案，可以添加裝置，利用裝置將水泥包卸載下來。原理如圖6b所示，即氣缸4通過連桿3帶動推板2將水泥包從小皮帶機上推下。

2.2 斜皮帶機旋轉問題

現(xiàn)在不考慮水平機架整體水平移動，只考慮電葫蘆帶動裝車平臺上升的問題，所以將水平機架當做固定不動的架子來分析。裝車機整體機構作運動簡圖(圖7)結構分析如下：

1-裝車平臺；2-斜皮帶機；3-水平機架

圖7機構運動簡圖通過自由度[5]分析，機構中的構件有裝車平臺和斜皮帶機兩個，低副有兩個轉動副和一個移動副，高副的數(shù)目是0。機構自由度

式中n表示構件的個數(shù)，PL表示低副的個數(shù)，PH表示高副的個數(shù)，則

F=3×2-2×3=0

機構的自由度為0，表示機構不能動，那么此結構在原理上是有問題的?，F(xiàn)在來分析如何解決這個問題。當構件1上下移動時，若想構件2能夠運動，需要構件3的水平部分能夠前后移動，可是構件3又是不能動的機架。要使構件3部分既能不動又能動，得將構件3分為兩個部分，一部分充當機架作用，一部分充當移動作用。得到新機構如圖8所示，水平皮帶機分為兩段，前面部分是水平機架，后面部分是水平皮帶機，兩者之間用滑套導柱連接，可以相對運動。

1-裝車平臺；2-導柱；3-電葫蘆；4-鋼絲繩；5-二樓廠房地面；6-水平機架；7-斜皮帶機；8-碼垛裝置；9-導柱滑套機械；10-水平皮帶機；

進行機構自由度的計算，構件為1、2、3共3個，分別有兩個轉動副和兩個移動副，則F=3×3-2×4=1，機構的原動件為1的上下移動，原動件的個數(shù)與自由度的個數(shù)相等，所以機構的運動是確定的(圖9)。

1-裝車平臺；2-斜皮帶機；3-水平皮帶機；4-水平機架

3 結論

利用TRIZ創(chuàng)新方法, 得到水泥包卸載問題中的3個方案：第1個方案是通過改變小皮帶機傾角的方式使水泥袋滑落至閘門上，實驗發(fā)現(xiàn)，由于水泥性狀柔軟特點，滑落的水泥袋很容易變形，且其滑落的位置不定，不利于接下來將其碼垛至車廂；通過對小皮帶機和水泥袋做實驗，第2個方案能達到理想結果，且不用借助任何外來資源，利用自身資源即可解決問題； 第3個方案中，氣缸利用推板施加給水泥袋的力只能通過調節(jié)氣缸運行速度來改善，速度快使得水泥袋變形嚴重且其掉落位置不準確，氣缸和推板的增加也使得空間布置變得復雜。所以綜合選定第2種方案。經過對水泥自動裝車機的創(chuàng)新

設計，制作完成了全自動水泥裝車機的樣機。樣機能很好完成將斜皮帶機上水泥運至車廂、水泥袋落至車廂時平整準確和水泥袋在車廂內按一定規(guī)則排列的人工動作，效果令人滿意。

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[責任編校： 張 眾]

The Research of Cement Automatic Loader based on TRIZ

HUANG Lei，DENG Yuanchao

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

The article in view of the work form of the existing cement carloader and put forward the intelligent and automatic cement carloader .It researchs how to use machinery to replace manual work.It taked many problems in the design process because of the machine is a new product ,and its technical is highly difficulty.The article using the innovation method of TRIZ to solve different problems in the design.Put the scheme in the physical model machine and achieved ideal results.

Kinematic sketch,Degrees of freedom,TRIZ,Innovation principle,Physical field model,Physical contradiction,cement automatic carloader

2015-04-20

黃 蕾(1989-)，女，湖北漢川人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為機械設計

1003-4684(2015)04-0104-04

TH122

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