基于TRIZ理論的高舉位叉車設(shè)計(jì)

王天琪 王寶強(qiáng) 許圓強(qiáng) 于 玲

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150022 )

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和物流行業(yè)的發(fā)展，叉車應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，這對叉車的起升系統(tǒng)提出更高的要求。而土地資源的緊張，高架庫的廣泛應(yīng)用，使得叉車高貨位作業(yè)時(shí)對起升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力的要求進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的叉車門架前置使重心偏前的問題，限制了叉車作業(yè)高度，并且高處作業(yè)時(shí)駕駛員的視野受限，作業(yè)不方便。所以急需一種能同比增加作業(yè)高度，又能使得駕駛員方便作業(yè)的高效叉車。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是解決發(fā)明問題的理論，由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇-阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立，是研究了世界各地250萬份高水平的專利整理和歸納出的一套以解決發(fā)明問題為主要目的的實(shí)用性理論和方法體系。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(cuò)和靈光一現(xiàn)式的偶然。

2 系統(tǒng)分析

TRIZ理論認(rèn)為，發(fā)明問題的核心是解決矛盾，未克服矛盾的設(shè)計(jì)不是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中不斷發(fā)現(xiàn)并解決矛盾，是推動產(chǎn)品理想化的動力。

2.1 生命曲線

現(xiàn)在市場上比較成熟的叉車都是低位作業(yè)，而穩(wěn)定性好，視野寬闊的高位作業(yè)叉車很少，仍有很多地方值得改進(jìn)和創(chuàng)新，根據(jù)市場調(diào)研和專利數(shù)量查詢，發(fā)現(xiàn)專利級別逐漸下降，專利數(shù)量正在上升，因此高位作業(yè)的叉車目前處于成熟期，將向著超系統(tǒng)和微觀系統(tǒng)進(jìn)化，生命曲線如圖1所示。

圖1 生命曲線

圖2 功能模型

2.2 功能分析

對系統(tǒng)的組件及組件間的作用關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)滾輪、內(nèi)門架之間產(chǎn)生強(qiáng)度危害，建立功能模型如圖2所示

圖2 功能模型

系統(tǒng)分析后，可知內(nèi)滾輪對內(nèi)門架的有害作用，可對有害組件進(jìn)行剪裁，如圖3所示。

圖3 剪裁后的模型

圖4 因果鏈

運(yùn)用剪裁法將原來的內(nèi)滾輪剪裁掉，用耐磨導(dǎo)軌代替內(nèi)滾輪，增加抗壓能力，使得叉車在高位作業(yè)時(shí)，門架傾斜角度保持在合理范圍內(nèi)。

2.3 因果鏈

對于叉車視野小、高位作業(yè)易傾覆的問題進(jìn)行因果鏈分析，如圖4所示。通過因果鏈分析分析可知，導(dǎo)致叉車高位作業(yè)前傾的主要原因有起升系統(tǒng)重心不在車體的幾何中心上、驅(qū)動橋受力變形。

3 運(yùn)用TRIZ工具解決問題

3.1 小人法

3.1.1 存在的問題

叉車在叉舉貨物、高位作業(yè)時(shí)，容易前傾，造成事故，故建立問題小人模型如圖5所示。

圖5 問題小人模型

3.1.2 問題描述

叉車貨叉(紅色色小人)在叉起貨物，沿著門架(黃色小人)向上托舉的時(shí)候，因?yàn)榕渲貕K(藍(lán)色小人)質(zhì)量有限，所產(chǎn)生的拉力也有限，所以在托舉的重物達(dá)到一定高度時(shí)，由于重力原因，會導(dǎo)致叉車不穩(wěn)定，甚至向前翻倒。針對此問題，建立方案小人模型如圖6所示。

圖6 方案小人模型

3.1.3 技術(shù)方案

將叉車貨叉連同多級門架一起移動到駕駛室的后側(cè)，位于駕駛室與配重塊之間，從而將叉車的起升系統(tǒng)后移。

3.2 技術(shù)矛盾

當(dāng)前存在的問題叉車在高位作業(yè)時(shí)，容易發(fā)生前傾事故。而現(xiàn)在可以增加門架的厚度，來提高叉車的作業(yè)高度，但是會導(dǎo)致叉車整體質(zhì)量會變大，因此列出技術(shù)矛盾如圖7所示。

圖7 技術(shù)矛盾

確定要解決的技術(shù)矛盾為 TC-(1)，它發(fā)生在門架強(qiáng)度與門架質(zhì)量之間，發(fā)生在舉升貨物時(shí)。

問題模型——對應(yīng)的39個(gè)通用工程參數(shù)：改善的參數(shù)：強(qiáng)度、力；惡化的參數(shù)：運(yùn)動物體的質(zhì)量。

對應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為：原理1分割(將一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分)；原理8質(zhì)量補(bǔ)償(通過另一個(gè)可以產(chǎn)生某種作用的物體去補(bǔ)償?shù)谝粋€(gè)物體的質(zhì)量)；原理40復(fù)合材料(由單一材料變?yōu)槎喾N材料組合)；原理15動態(tài)化(將不動物體變?yōu)榭蓜踊蚴蛊渥游矬w可動。以這些發(fā)明原理所，提出技術(shù)方案。

選取復(fù)合材料原理：利用高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的材料來代替原先的剛型門架，既能滿足強(qiáng)度要求，又能減輕叉車門架質(zhì)量，后移重心。

選取分割原理：利用可伸縮臂代替原來的固定長度的貨叉架。解決門架后移貨叉在叉取低位貨物時(shí)駕駛室阻礙問題。

3.3 物理矛盾

定義物理矛盾參數(shù)：厚度。

門架應(yīng)該厚度大點(diǎn) ，以滿足強(qiáng)度要求；

門架應(yīng)該厚度小點(diǎn)，以滿足質(zhì)量要求。

采用空間分離原理所對應(yīng)的創(chuàng)新原理7嵌套原理(使一個(gè)物體穿過另一個(gè)物體空腔) 提出技術(shù)方案：將二級門架變?yōu)槎嗉夐T架，將普通貨叉變?yōu)槿蜇洸妗?/p>

4 最終方案

采用新型高強(qiáng)度輕質(zhì)材料代替原先的剛型門架，減輕門架質(zhì)量，二級門架變?yōu)槿夐T架，將門架的整體位置后移到駕駛室后邊，達(dá)到將叉車整體重心后移的效果，用可伸縮臂代替原來的固定貨叉架，解決門架后移駕駛室阻擋低位叉取貨物問題，將原來的單向貨叉變?yōu)槿蜇洸?，增加叉車工作的靈活性，適應(yīng)多變的工作環(huán)境，最終效果如圖8所示

圖8 最終效果

5 有限元分析

機(jī)械設(shè)計(jì)，除了機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以外，還要滿足強(qiáng)度需要，此創(chuàng)新設(shè)計(jì)用可伸縮臂代替原來的固定貨叉架，將貨叉的叉取距離變長了，所以，對此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析，看其是否滿足強(qiáng)度需要。部分結(jié)果如圖9-11。

圖9 施工載荷工況示意

圖11 應(yīng)力云圖

此創(chuàng)新結(jié)構(gòu)采用輕型剛材料，在經(jīng)過系列分析后得出，符合強(qiáng)度要求，滿足叉車叉舉重型貨物高位作業(yè)時(shí)所需強(qiáng)度。

6 結(jié)論

通過利用TRIZ理論對叉車建立功能模型，進(jìn)行技術(shù)矛盾、物理矛盾分析，結(jié)合小人法、因果鏈等對叉車結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得出具體方案，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。將叉車門架數(shù)量由二級門架變?yōu)槿夐T架，單向貨叉變?yōu)槿蜇洸?。貨叉位置后移到叉車駕駛室的后面，三向貨叉能保證叉車工作的靈活性，三級門架可以大大提高叉車作業(yè)高度；門架后移將叉車整體物理重心后移，能很好地解決叉車由于重心而前傾的問題，并且駕駛室前置極大地增加了駕駛員的視野寬度，提高了駕駛安全性。該創(chuàng)新應(yīng)用前景廣闊，適應(yīng)性強(qiáng)，工作環(huán)境多變。