錨索切割機(jī)限位器的優(yōu)化設(shè)計

王成軍+李龍++張明坤

摘 要：TRIZ作為邏輯型發(fā)明方法的代表，在技術(shù)行業(yè)有著重要的地位，由此產(chǎn)生出許多行業(yè)的創(chuàng)新方法，解決了眾多發(fā)明中的技術(shù)難題。論文針對雙錨索切割機(jī)位置控制存在的問題，運(yùn)用TRIZ理論描述了設(shè)計及使用中存在的技術(shù)問題，并采用TRIZ理論中常用的系統(tǒng)分析、因果分析、矛盾分析、物場分析等方法，綜合考慮，給出了相應(yīng)的、可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。有效的解決了雙錨索切割機(jī)限位器的結(jié)構(gòu)松散、長度控制、不同長度需求等問題，提高了雙錨索切割機(jī)的切割效率。

關(guān)鍵詞：錨索切割機(jī)；限位器；位置控制；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2015）02-0027-05

（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China； 2. Mining Engineering Post-doctoral Mobile Station， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：On behalf of the TRIZ as the logical type method， plays an important role in the technology industry， the resulting from the many innovations in the industry， to solve the technical problem of many inventions. Aiming at the existing problems of double anchor cable cutter location control， describe the technical problems existed in design using TRIZ theory， and use of system analysis， causal analysis， contradiction analysis， substance field analysis method commonly used in TRIZ theory， comprehensive consideration， gives the structure of the corresponding and feasible design， Effectively solves the problem of double cable cutting machine of loose structure， the length of the limiter control， different length requirements and other issues， improved double anchor cutting machine efficiency.

Key words：anchor cable cutting machine； displacement restrictor； position control； optimal design

由于礦用錨索能提供較高的承載力， 而且錨固長度較長， 往往用在井下支護(hù)的關(guān)鍵部位，即固定于深部穩(wěn)定的巖層中， 并在被加固體表面通過漲拉產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力， 從而達(dá)到使被加固體穩(wěn)定和限制其變形的目的，隨著井下巷道不斷的擴(kuò)延，錨索的使用量也隨之急劇增加[1-2]。不同的巷道有著不同的地質(zhì)條件，經(jīng)常需要長度不同的錨索，因此需對整捆購置的錨索按需求的長度進(jìn)行切割。而目前，國內(nèi)礦山行業(yè)錨索的切割作業(yè)大都采用人工操作的方式，但由于錨索彈性大，在載架轉(zhuǎn)動、牽引送料、錨索放置和作業(yè)使用過程中，極易擠傷或彈傷操作者，工人人生身安全和生產(chǎn)安全沒有保障，安全事故時有發(fā)生?，F(xiàn)有的錨索切割機(jī)大多是單根切割其限位器往往也是解決單根錨索的尺寸控制，對于雙錨索切割機(jī)位置的控制現(xiàn)在還沒有行之有效的解決辦法[3-7]。

論文基于TRIZ發(fā)明理論，對現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并設(shè)計出新的適用于雙錨索切割機(jī)限位器。

1 TRIZ理論及研究方法

TRIZ （Theory of Inventive Problem Solving）理論是“發(fā)明問題的解決理論”，它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解[8]。

TRIZ理論的核心內(nèi)容包含：39個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、沖突解決矩陣、物產(chǎn)分析法及76個標(biāo)準(zhǔn)解及發(fā)明問題解決算法（ARIZ）等，其發(fā)明解決過程模型如圖1所示[9]。

圖1 TRIZ理論的發(fā)明問題解決模型2 錨索切割機(jī)限位開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計

21 問題分析

單錨索切割機(jī)限位器，其主要組成為推桿、限位開關(guān)和復(fù)位彈簧以及相關(guān)的連接機(jī)構(gòu)如圖2所示。1.復(fù)位彈簧A； 2.導(dǎo)桿； 3，10.限位觸板； 5，8.錨索；

6.支架A； 7.復(fù)位彈簧B； 9.支架B； 11.卸料擋板

圖2 單錨索切割機(jī)限位器

限位開關(guān)直接安裝在支架上方，限位開關(guān)的寬度尺寸完全占據(jù)支架上表面寬度，限位開關(guān)的開關(guān)觸頭與導(dǎo)桿的后端保持接觸；復(fù)位彈簧為拉伸彈簧起驅(qū)動導(dǎo)桿自動復(fù)位的作用，其兩端分別與支架和導(dǎo)桿固定；導(dǎo)桿可以在支架內(nèi)滑移，其前端固定有限位觸板。

工作時，錨索向后移動并接觸到限位觸板，再推動導(dǎo)桿驅(qū)動開關(guān)觸點(diǎn)向后擺動，當(dāng)移動位置達(dá)到設(shè)定值時，限位開關(guān)給出停機(jī)和切割指令；切割完成后，錨索離開支架，導(dǎo)桿和限位觸板在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位。endprint

該方法對于單錨索切割機(jī)適用，若用于雙錨索切割機(jī)則存在四個方面的問題：①現(xiàn)有錨索切割機(jī)上用限位開關(guān)的體積和寬度很大。需要雙錨索切割時，因限位開關(guān)無足夠安裝空間，導(dǎo)致設(shè)備整體結(jié)構(gòu)臃腫；②雙錨索切割機(jī)的位置控制同步性能不穩(wěn)定，可靠性差；③不能滿足截取不同長度錨索的需求；④復(fù)位彈簧由兩根拉簧充當(dāng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于彈簧制造差異可能存在受力不平衡問題。

22 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析，即從技術(shù)系統(tǒng)抽象的“功能”角度來分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)執(zhí)行或完成其功能的狀況，建立系統(tǒng)的功能模型。對現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行組件模型分析如圖3所示。

圖3 單錨索切割機(jī)限位器組件模型 通過組件模型分析，系統(tǒng)中的復(fù)位彈簧A與復(fù)位彈簧B功能存在重復(fù)，可裁剪復(fù)位彈簧B，裁剪后將復(fù)位彈簧A套在導(dǎo)桿上可替代復(fù)位彈簧B的功能，從而精簡結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本；支架A與支架B也存在功能重復(fù)，通過系統(tǒng)裁剪掉支架B，裁剪后可通過優(yōu)化系統(tǒng)中限位開關(guān)等組件的結(jié)構(gòu)，使支架A完全替代支架B的功能，裁剪后的組件圖如圖4所示。

圖4 單錨索切割機(jī)限位器裁剪模型

23 因果分析

因果分析法是通過因果圖表現(xiàn)出來，因果圖又稱特性要因圖、魚刺圖或石川圖，是為了尋找產(chǎn)生某種質(zhì)量問題的原因，通過做分析，將所有影響因素反映在一張圖上，就是因果圖。用此圖分析產(chǎn)生問題的原因。對現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行因果分析如圖5所示。

圖5 因果分析框圖通過因果分析，引起雙錨索位置控制失效的根本原因是：

1） 切割裝置在切割錨索時的有效切割寬度有限；

2） 輸送裝置的輸送能力不足；

3） 寬度尺寸較小的新型限位開關(guān)缺乏；

4） 導(dǎo)桿的長度不可調(diào)。

24 矛盾分析

矛盾分析，即將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，要求將實(shí)際問題的描述轉(zhuǎn)化為39個通用工程參數(shù)中的2項(xiàng)，然后通過查詢TRIZ的技術(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。

通過前述系統(tǒng)分析及因果分析發(fā)現(xiàn)，對于限位器本身而言，列舉的四條根本原因，其中3、4條屬于限位器自身的缺陷，故對第3、4條進(jìn)行分析。

對于第3條缺陷，從技術(shù)進(jìn)化的角度出發(fā)，通過縮小限位開關(guān)的寬度，設(shè)計新結(jié)構(gòu)的限位開關(guān)，滿足雙錨索切割機(jī)對限位開關(guān)的并列安裝要求，即可初步解決雙錨索切割位置控制失效的問題。并且現(xiàn)有的企業(yè)內(nèi)具有能設(shè)計限位開關(guān)的技術(shù)人員和制造限位開關(guān)機(jī)械零件的材料，電子元器件外購即可完成。

對于第4條缺陷，根據(jù)因果分析，引起雙錨索雙位置控制失效的原因是導(dǎo)桿裝置長度不可調(diào)。如果改變導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計，改為長度可調(diào)導(dǎo)桿，將導(dǎo)致導(dǎo)桿長度的增大。技術(shù)矛盾： 改善的參數(shù)：運(yùn)動物體的長度；惡化的參數(shù)：運(yùn)動物體的重量。查詢沖突矩陣如表1所示。

創(chuàng)新原理應(yīng)用技巧如下：如圖6所示，將導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)改為可伸縮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)伸縮導(dǎo)桿插入設(shè)有螺釘孔的外伸縮導(dǎo)桿內(nèi)，并用鎖緊螺釘固定內(nèi)伸縮導(dǎo)桿的長度，外伸縮導(dǎo)桿插入設(shè)有螺釘孔的導(dǎo)桿套內(nèi)，同樣的用鎖緊螺釘固定外伸縮導(dǎo)桿的長度，兩者長度相加實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)桿的長度可調(diào)功能。同時為了減少重量，導(dǎo)桿采用管狀結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)改為可伸縮式管狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再將導(dǎo)桿的材料改為密度小的輕質(zhì)材料，這樣在增加導(dǎo)桿的長度可調(diào)功能的同時還可減少導(dǎo)桿裝置的摩擦阻力。

1.導(dǎo)桿套； 2.外伸縮導(dǎo)桿； 3.內(nèi)伸縮導(dǎo)桿

圖6 可伸縮式管狀導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)圖25 物質(zhì)—場分析

物質(zhì)—場分析原理認(rèn)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(shí)現(xiàn)，因此，可用物質(zhì)—場分析產(chǎn)品的功能。

雙錨索切割機(jī)限位器設(shè)計時有一個衍生危害，即當(dāng)推桿長度變化過大時，由于重心的偏移會對支架產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，加快雙錨索切割機(jī)限位器老化，同時也影響雙錨索切割機(jī)限位器的工作效果。

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(jī)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，但實(shí)現(xiàn)功能不足，建立如圖7所示的物場模型。

圖7 支架支撐推桿的物場模型

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4、5、6求解本題，這里主要應(yīng)用一般解法6來求解，即引入新的物質(zhì)S3和場F2來加強(qiáng)原有效果，引入第三種物質(zhì)直線軸承（S3），第二種場機(jī)械力（F2），其物場模型如圖8所示。

圖8 支架和直線軸承共同支撐推桿的物場模型25 具體解決方案

通過對1號、35號創(chuàng)新原理以及物質(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切割機(jī)限位器創(chuàng)新設(shè)計方案如圖9所示。

1.復(fù)位彈簧； 2.導(dǎo)桿組件； 21.外導(dǎo)套桿； 22.內(nèi)導(dǎo)桿； 3，10.限位觸板； 4.限位開關(guān)組件； 41.左限位開關(guān)； 42.右限位開關(guān)； 5，8錨索； 6.支架； 7，9直線軸承

圖9 創(chuàng)新雙錨索切割機(jī)限位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用縮小限位開關(guān)寬度，用輕質(zhì)材料設(shè)計可伸縮式導(dǎo)桿并裝配直線軸承，復(fù)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。整體結(jié)構(gòu)簡單，體積減小，適應(yīng)于雙錨索切割機(jī)位置控制。

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器存在的結(jié)構(gòu)松散，雙錨索控制，不同長度錨索控制，工效低等問題，應(yīng)用TRIZ理論的問題分析，提出雙錨索切割機(jī)存在問題；系統(tǒng)分析，對錨索切割機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精簡；因果分析，找出錨索位置控制失效的根本原因；矛盾分析，提出了解決根本原因的設(shè)計方案；物場分析，對推桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。綜合實(shí)際情況，提出了雙錨索切割機(jī)限位器的設(shè)計方案，該方案能夠滿足雙錨索切割機(jī)對位置控制的需求，可按需求截取不同長度錨索，同時也減少了加工制造成本，提高了生產(chǎn)率。產(chǎn)品樣機(jī)的試制證明該方案是可行可靠的。為TRIZ理論在機(jī)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。endprint

參考文獻(xiàn)：

[1] 王成軍，韓董董，李龍，等.防爆型礦用雙錨索自動切割機(jī)：中國，2013106069222[P]. 2014-02-26.

[2] A KILIC，E YASAR，C D ATIS. Effect of bar shape on the pull-out capacity of fully-grouted rock bolts. Tunneling and Underground Space Technology. 2003，18（1）：1-6.

[3] 丁秀麗， 盛謙. 預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2002， 21（7）： 980-988.

[4] HOLLENBECK E，MARLOTH R，ES-SAID O S.Case study-seams in anchor studs[J].Engineering Failure Analysis. 2003，10：209-213.

[5] 顧金才， 沈俊， 陳安敏， 等. 錨索預(yù)應(yīng)力在巖體內(nèi)引起的應(yīng)變狀態(tài)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2000 （z1）： 917-921.

[6] Phillips S H E. Factors affecting the design of anchorages in rock[M].london：Cementation Recerach Ltd，1970：8-200.

[7] 尤春安， 戰(zhàn)玉寶. 預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布規(guī)律及分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2005， 24（6）： 925-928.

[8] 王成軍，沈豫浙.應(yīng)用創(chuàng)造學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010：10-150.

[9] 蒯蘇蘇，馬履中.TRIZ理論機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計工程訓(xùn)練教程[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2011：1-200.

[10] 鄒嘗一. 基于TRIZ理論的新型工業(yè)設(shè)計體系構(gòu)建與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[11] 蘇啟棠，范衛(wèi)國，彭秀英，等. TRIZ在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]. 液壓與氣動，2007，10：32-33.

[12] SAVRANSKY S D. Engineering of Creativity[M].Boca Raton： CRC Press，2000.endprint