基于TRIZ理論的拋掛裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王成軍，張玉平，沈豫浙

(1.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，這已引起全世界的普遍關(guān)注[1]。傳統(tǒng)外部救援采用舉高消防車和消防逃生氣墊等方式。國內(nèi)目前配備的舉高消防車的最大救援高度多數(shù)在50 m左右，無法達(dá)到高層建筑救援的要求。而高度超百米的消防車數(shù)量有限，且受橋梁、隧道限高、轉(zhuǎn)彎半徑等影響，往往無法及時(shí)趕到救援現(xiàn)場[2]。

對(duì)于高層以及超高層建筑的逃生救援來說，逃生氣墊的安全性不高。JIANG Hua等[3]設(shè)計(jì)了一種多功能懸掛式消防機(jī)器人，但該機(jī)器人體積較大，且救援時(shí)需要利用直升機(jī)將機(jī)器人本體釋放到指定救援位置，而在實(shí)際情況中很難做到；LI Bin等[4]研究了一種破窗爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人由攀爬機(jī)械臂和救援吊艙兩部分組成，救援時(shí)機(jī)械臂破窗掛窗，帶動(dòng)救援吊艙向救援位置行進(jìn)，該設(shè)備簡單，但機(jī)器人的攀爬速度過慢。

若采用新型高層建筑外部救援系統(tǒng)[5-6]，可使救援人員不受火災(zāi)現(xiàn)場高度限制，且設(shè)備操作方便，救援成本低、效率高、可靠性高。

利用TRIZ理論能夠使設(shè)計(jì)者清晰地分析技術(shù)題，快速找到問題的本質(zhì)或沖突[7-9]。針對(duì)高層建筑外部救援系統(tǒng)中的拋掛裝置存在的不足之處，筆者基于TRIZ理論設(shè)計(jì)新型拋掛裝置，并對(duì)掛鉤進(jìn)行靜力學(xué)分析與優(yōu)化。

1 問題分析

1.1 問題描述

高層建筑外部救援系統(tǒng)采用在高層建筑外部搭建臨時(shí)救援通道的方式進(jìn)行施救。救援系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 高層建筑外部救援系統(tǒng)示意圖

高層建筑外部救援系統(tǒng)具體救援方式如下：

(1)當(dāng)建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，位于建筑物頂部的掛鉤裝置斷電展開，地面消防員控制多功能專用救援車攜帶的無人機(jī)飛至樓頂，通過高清攝像頭觀察火場狀況，利用無人機(jī)下方的夾爪將繩索收放器拋向掛鉤裝置；

(2)如圖1(a)所示，當(dāng)繩索收放器與掛鉤裝置連接后，卷筒以掛鉤裝置為起點(diǎn)下落至地面，在地面與掛鉤裝置之間形成一套快速運(yùn)輸系統(tǒng)，協(xié)助消防員運(yùn)送必要的救援物資及逃生設(shè)備至建筑物頂部；

(3)如圖1(b)所示，利用快速運(yùn)輸系統(tǒng)將鋼絲繩與專用救援車上的可折疊式逃生通道相連接，將其上端牽引并固定在建筑物頂部的掛鉤裝置上，進(jìn)而在建筑物和救援車之間形成一條緩降式安全救援通道供被困人員逃生。

在救援系統(tǒng)工作過程中，需要將無人機(jī)攜帶的繩索收放器與掛鉤裝置可靠連接。為了提高連接成功率和系統(tǒng)的安全性，筆者采用因果分析法對(duì)原始拋掛裝置進(jìn)行分析。

1.2 因果分析

因果分析法是一種通過構(gòu)建因果鏈探明事件發(fā)生的原因和產(chǎn)生的結(jié)果之間關(guān)系的分析方法。

拋掛裝置由掛鉤裝置和繩索收放器兩部分組成，其因果軸分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 拋掛系統(tǒng)因果分析圖

由圖2可知，拋掛裝置主要存在的問題有：繩套數(shù)量不足、卷筒下落度過快、掛鉤裝置無法移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)、掛鉤與繩套的連接剛度不足以及掛鉤受力方向不穩(wěn)定，等。

2 運(yùn)用TRIZ理論工具解決問題

根據(jù)TRIZ理論解決問題需要先分析系統(tǒng)中存在的問題，利用因果軸分析找出問題產(chǎn)生的根本原因，再運(yùn)用TRIZ工具得出解決方案[10-11]。

2.1 基于“矛盾解決原理”的掛鉤裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

發(fā)明問題的核心是解決矛盾，對(duì)于技術(shù)矛盾可利用矛盾矩陣表找到相應(yīng)的發(fā)明原理，找出解決矛盾的方法[12]。因?yàn)楦邔咏ㄖ獠烤仍到y(tǒng)在火災(zāi)救援中發(fā)揮極其重要的作用，要求其具有高適用性和高安全性。

原始拋掛裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—掛鉤1;2—掛鉤2;3—掛鉤3;4—掛鉤4;5—掛鉤5;6—掛鉤6;7—掛鉤基座;8—掛鉤底座;9—橫梁

1—繩套;2—連接套筒;3—定滑輪;4—卷筒圖3 拋掛裝置結(jié)構(gòu)圖

在工作過程中，高層建筑外部救援系統(tǒng)掛鉤裝置需要承載逃生通道的重力以及被困人員逃生時(shí)產(chǎn)生的牽引力和摩擦力。圖3(a)中，坐標(biāo)指示的“外”為建筑物外側(cè)，若無人機(jī)將繩套拋至掛鉤裝置外側(cè)的4、5、6掛鉤上，可在任一掛鉤與地面的專用救援車之間形成一條緩降救援通道；若無人機(jī)將繩索收放器拋下時(shí)繩套懸掛在內(nèi)側(cè)的1、2、3掛鉤上，在搭建救援通道時(shí)，牽引力會(huì)使掛鉤裝置產(chǎn)生傾覆力矩，存在較大的安全隱患，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。此外，即使繩套準(zhǔn)確地投放在外側(cè)掛鉤上，由于掛鉤結(jié)構(gòu)的不合理，也可能使已經(jīng)連接成功的逃生通道因繩套與掛鉤連接不穩(wěn)定而脫落；

依據(jù)以上分析可知，圖3(b)中的繩套能否準(zhǔn)確拋至掛鉤組件上，不僅與掛鉤裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與繩套的數(shù)量有關(guān)。

結(jié)合因果軸分析得出的根本原因，可將上述矛盾沖突的問題歸納為：力(內(nèi)側(cè)掛鉤存在的牽引力)與適應(yīng)性(掛鉤的適用性)之間的沖突、運(yùn)動(dòng)物體的作用時(shí)間(繩套在掛鉤上的作用時(shí)間)與可靠性(掛鉤系統(tǒng)的安全性)之間的矛盾、可操作性(繩子與掛鉤連接成功率)與可靠性(掛鉤系統(tǒng)的穩(wěn)定性)之間的矛盾。

通過查找阿奇舒勒矛盾矩陣表，可建立適合于本問題的子矩陣，如表1所示。

表1 拋掛裝置的矛盾沖突矩陣

對(duì)表1中的發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，有價(jià)值的原理有：11(預(yù)先防范原理)、15(動(dòng)態(tài)化原理)、17(空間維數(shù)變化原理)，筆者采用11(預(yù)先防范原理)和15(動(dòng)態(tài)化原理)解決掛鉤裝置無法移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的矛盾。

故具體的方案如下：(1)設(shè)計(jì)新型掛鉤底座，使其在橫桿上可控移動(dòng)，如將橫移機(jī)構(gòu)與初步設(shè)計(jì)的掛鉤底座組合形成一個(gè)新的可移動(dòng)式掛鉤裝置；(2)在掛鉤底座與掛鉤組件之間增加旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使掛鉤組件能夠自由旋轉(zhuǎn)；(3)將最初單層排布的繩套改為多層交錯(cuò)排列。

改進(jìn)后的繩套裝置圖4所示。

1—橫移電機(jī);2—齒輪;3—齒條;4—中心防滑鉤;5—掛鉤組件;6—新型防滑鉤;7—掛鉤底座

圖4 優(yōu)化后的掛鉤裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于“物-場模型”的繩索收放器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

物-場分析法是指從物質(zhì)和場的角度來分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論與方法。

根據(jù)繩索收放器結(jié)構(gòu)，繩索收放器中的卷筒以自由落體形式下落過程中會(huì)受到周圍復(fù)雜環(huán)境的影響，其下落軌跡無法捕捉，且下落速度過快，地面的沖擊力太大會(huì)對(duì)卷筒造成無法修復(fù)的損害。因此，根據(jù)TRIZ理論中有害效應(yīng)的完整物-場模型，應(yīng)用一般解法3，可通過引入一個(gè)機(jī)械場F2來解決下落速度過快的問題。

在卷筒內(nèi)部設(shè)置小型雙頭電機(jī)，通過電機(jī)與限速桿的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)卷筒在下落過程中速度的可控。建立卷筒下落過程物-場模型，如圖5所示。

圖5 繩索收放器優(yōu)化設(shè)計(jì)圖1—限速桿;2—卷筒;3—雙頭電機(jī)

3 理論計(jì)算與仿真

3.1 掛鉤理論應(yīng)力計(jì)算

救援系統(tǒng)工作過程中，掛鉤裝置需承載整條救援通道及人員的重量，須具有一定的強(qiáng)度。系統(tǒng)選用的掛鉤為特制掛鉤，采用GB/T 10051.1-2010標(biāo)準(zhǔn)[13]中規(guī)定的P級(jí)強(qiáng)度，其力學(xué)性能如表2所示。

表2 掛鉤材料力學(xué)性能

掛鉤簡化模型及所求應(yīng)力截面如圖6所示。

圖6 掛鉤及受力截面圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所述，掛鉤A-A截面應(yīng)力為：

(1)

(2)

式中：δC—C點(diǎn)拉應(yīng)力，MPa；Q—掛鉤所受拉力，N；F—截面面積，mm2；KB—依截面形狀定的曲梁系數(shù)；e1—截面重心至內(nèi)緣距離，mm；e2—截面重心至外緣距離，mm；x—計(jì)算KB的自變量；dF—微分面積；R0—截面重心軸線至鉤腔中心線距離，mm。

救援系統(tǒng)工作時(shí)，在建筑物頂端與地面救援車之間搭建臨時(shí)安全逃生通道，考慮到建筑物高度、救援車與建筑物之間的距離，將通道的方向以垂直方向向外偏移30°，作為掛鉤所受拉力Q的方向，設(shè)安全工作載荷為15 000 N。

根據(jù)掛鉤三維模型計(jì)算出公式(1～2)中所需的其他各參數(shù)，代入后求得掛鉤的曲梁系數(shù)KB=0.027，可得A-A截面處的拉應(yīng)力δC=131.28 MPa。

3.2 掛鉤靜力學(xué)分析與優(yōu)化

將基于Pro/E建立的掛鉤模型導(dǎo)入Workbench中，添加靜力學(xué)分析模塊Static Structural[14-17]。掛鉤材料選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(DG20Mn)，采用全局網(wǎng)格控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為2 mm；對(duì)掛鉤的根部施加固定約束并在凹槽內(nèi)施加載荷，最后在結(jié)果中添加總變形和等效應(yīng)力。

求解后得出的結(jié)果如圖7所示。

圖7 掛鉤仿真分析結(jié)果圖

由圖7可知：

(1)掛鉤A-A截面處的拉應(yīng)力與掛鉤的最大變形量分別為115.33 MPa和0.795 96 mm，與公式(1)拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果大致相等；

(2)掛鉤的最大等效應(yīng)力為148.29 MPa，位于其頸部，考慮其工作過程中頸部應(yīng)力較大，故須對(duì)掛鉤的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步優(yōu)化。

對(duì)掛鉤頸部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，將原頸部下側(cè)有槽的部位改為平滑過渡結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

將優(yōu)化后的掛鉤再次導(dǎo)入Workbench中，仿真得到等效應(yīng)力與變形結(jié)果如圖9所示。

圖8 頸部優(yōu)化后掛鉤

圖9 優(yōu)化后掛鉤仿真分析結(jié)果圖

由圖9可知：掛鉤A-A截面處的最大應(yīng)力為105.46 MPa，最大變形量為0.710 21 mm，優(yōu)化后頸部的最大等效應(yīng)力為135.59 MPa，相對(duì)優(yōu)化前有所減小，增強(qiáng)了掛鉤承載的能力，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的整體安全性。

4 結(jié)束語

(1)運(yùn)用TRIZ理論中的因果分析法、沖突矩陣及物-場模型，筆者設(shè)計(jì)了適用于高層建筑外部救援系統(tǒng)的新型拋掛裝置；與優(yōu)化之前的拋掛裝置相比，實(shí)現(xiàn)了掛鉤裝置在橫梁上的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了卷筒下落過程的穩(wěn)定性及繩套與掛鉤的連接剛度；

(2)運(yùn)用ANSYS/Workbench軟件對(duì)掛鉤進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)掛鉤薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化與仿真實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：掛鉤的最大應(yīng)力由148.29 MPa降至135.59 MPa，最大變形由0.795 96 mm降至0.710 21 mm，優(yōu)化后掛鉤承載能力增強(qiáng)，提高了拋掛裝置的安全性。