基于TRIZ的海底電纜反應(yīng)力錐切削裝置設(shè)計方案研究與改進(jìn)*

董 輝 高常青 曲愛濤 趙 云 楊 波

(濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國內(nèi)對能源、電力的需求不斷增長，為了適應(yīng)時代要求，黨中央、國務(wù)院提出了“逐漸把我國建設(shè)成海洋經(jīng)濟(jì)強國”的宏偉目標(biāo)。我國廣闊的海洋國土蘊藏了豐富的風(fēng)能、化石能源，而為了開采這些能源，需要大量高強度、大容量、穩(wěn)定耐用的高壓海底電纜，以提供清潔能源調(diào)配與海洋島嶼能源供應(yīng)[1]。

對于跨海輸電工程，大長度的海底電纜是必不可少的，但由于受到設(shè)備能力的限制，無法生產(chǎn)出大長度的無接頭海底電纜，因此需要切削海底電纜形成反應(yīng)力錐，進(jìn)而進(jìn)行海底電纜的連接。但海底電纜反應(yīng)力錐切削方式主要是人工輔助切削，隨著海底電纜截面絕緣層加厚，人工切削效率低且質(zhì)量差，為了提高切削效率及質(zhì)量，相關(guān)的切削設(shè)備逐漸涌現(xiàn)。邢忠海等設(shè)計了一款電纜切削裝置，該切削裝置的形狀為圓筒狀與錐狀，以適應(yīng)電纜的形狀，刀具防止在圓筒狀部分的內(nèi)壁上，并設(shè)有手持機構(gòu)，來保證裝置的平衡性，與現(xiàn)有的人工切削裝置相比，切削表面更加光滑可靠，但仍然需要人力來保持平衡[2]。劉鵬等人設(shè)計了一種電纜處理機床，定位方式是通過機床上的切削軸進(jìn)行定位，與大多設(shè)計不同的是，該裝置切削時，電纜靜止，刀具進(jìn)行回轉(zhuǎn)[3]。趙謙益設(shè)計了一種雙刀切削的切削裝置，切削電纜分為粗車與細(xì)車兩部分，雙刀結(jié)構(gòu)主要是針對細(xì)車部分，該裝置的切削力對稱，可以防止錐套的變形，但是車刀不適合進(jìn)行大截面的電纜的切削[4]。姚德利等人設(shè)計的新型反應(yīng)力錐剝切器，主要結(jié)構(gòu)較為簡單，與其他裝置不同的是，該裝置具有調(diào)節(jié)螺母，可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺母，改變刀具之間的距離，以切割出不同尺寸的反應(yīng)力錐，但是整個過程需要人工進(jìn)行操作，自動化程度較低[5]。隨著海底電纜的廣泛運用，國內(nèi)對于反應(yīng)力錐的制作工藝展開了大量的研究，但是對于反應(yīng)力錐的切削，水平較低，大部分的設(shè)備仍處于專利階段，大部分的裝置仍需要人工進(jìn)行持續(xù)地操作，自動化程度與適用性較低。針對這些問題，設(shè)計了海底電纜反應(yīng)力錐切削裝置，在保留關(guān)鍵機構(gòu)的情況下制作了樣機進(jìn)行試驗。

在多次試驗中，發(fā)現(xiàn)切削時切屑并未像預(yù)想中掉入切屑收集盤所在的位置，而是四處飛濺，部分落到裝置外部，且刀具上黏著切屑較多，在長期切削中，切屑會黏著在齒輪上，不但會影響切削的精度，而且會損壞刀具與齒輪，縮短機器的使用壽命。針對上述問題，本文采用創(chuàng)新方法理論(theory of inventive problem solving，TRIZ)對現(xiàn)有裝置中關(guān)鍵機構(gòu)進(jìn)行分析，提出新的優(yōu)化方案，改進(jìn)原方案中出現(xiàn)的問題[6-7]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及存在問題

1.1 系統(tǒng)組成

現(xiàn)有的海底電纜反應(yīng)力錐切削裝置的三維模型如圖1所示。該裝置主要由卡盤結(jié)構(gòu)、切削結(jié)構(gòu)、頂桿結(jié)構(gòu)、機架、切屑收集盒和驅(qū)動電機等部分組成。切削結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

裝置的工作流程為：通過萬向輪將裝置移動到指定位置，將海纜通過卡盤結(jié)構(gòu)與頂桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位與夾緊，通過滑動調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整銑刀的位置，啟動裝置，進(jìn)行海纜的切削，切削產(chǎn)生的切屑通過切屑收集盤進(jìn)行收集。

為了方便進(jìn)行試驗，在保證切削方式不變的前提下，對反應(yīng)力錐切削裝置模型進(jìn)行簡化，省略進(jìn)給機構(gòu)及夾持機構(gòu)，做出了核心切削機構(gòu)的試驗機模型。如圖3所示。

1.2 主要作業(yè)結(jié)構(gòu)及存在問題

在試驗過程中，會出現(xiàn)切屑四處飛濺、部分落到裝置外部，且刀具上黏著切屑較多，在長期切削中，部分切屑會在齒輪嚙合的部分積累的問題，不能達(dá)到理想效果。

針對以上海纜在切削過程中出現(xiàn)的問題，利用TRIZ理論進(jìn)行分析，尋找滿足系統(tǒng)要求的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2 基于TRIZ的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

2.1 關(guān)于TRIZ的介紹

TRIZ理論是前蘇聯(lián)科學(xué)家Altshuller G S(根里奇·阿奇舒勒)在分析大量專利和創(chuàng)新案例的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的一種系統(tǒng)性的創(chuàng)新方法，成功地揭示了發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)在規(guī)律和原理。TRIZ理論的強大作用正在于它為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具。TRIZ不但可以為解決設(shè)計過程中的沖突和矛盾提供新的思路，并能進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計，最重要的是，它涉及各個技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新：概念設(shè)計可以從無到有的設(shè)計一款創(chuàng)新性的產(chǎn)品；進(jìn)化理論可以主動預(yù)測未來技術(shù)的發(fā)展，掌握技術(shù)發(fā)展可能的方向;發(fā)明原理可以通過分離原理與矛盾矩陣用來解決系統(tǒng)中存在的技術(shù)沖突與物理沖突；資源分析可以挖掘子系統(tǒng)與超系統(tǒng)之中隱藏的資源，提高資源的利用率與產(chǎn)品的理想化程度[8-9]。

當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)問題的結(jié)構(gòu)屬性比較明顯時，適合采用物質(zhì)—場分析法來分析問題并解決問題。物質(zhì)—場分析法(S—F分析法)是TRIZ理論的基礎(chǔ)，并指出1個存在的功能必定由3個基本元件(2種物質(zhì)及1種場)組成[10]。物質(zhì)可以是任何形式的零件，場是一種能量形式。該方法通過建立系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)化模型來正確的描述問題，用符號化語言來清楚地表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)的功能，正確地描述系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)要素及其之間的作用關(guān)系，進(jìn)而通過標(biāo)準(zhǔn)解找到解決實際問題的思路，最終找到切實可行的有效方案[11]。

本文利用TRIZ理論，通過物質(zhì)—場分析這種工具對現(xiàn)有問題進(jìn)行分析解決，從76個標(biāo)準(zhǔn)解中找到解決方法，物質(zhì)—場76個標(biāo)準(zhǔn)解應(yīng)用流程如圖4所示。[12]

2.2 問題識別

通過分析現(xiàn)有機構(gòu)存在的問題，針對切屑四處飛濺、黏著在刀具與齒輪上和無法掉入切屑收集盤所在位置的現(xiàn)象，首先對裝置系統(tǒng)出現(xiàn)問題的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到表1所示的系統(tǒng)組件分析表[13]。

表1 組件分析表

通過組件分析表明確關(guān)鍵組件、作用對象與超系統(tǒng)組件后，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型來描述各組件之間的相互作用關(guān)系，人字形交叉網(wǎng)格線中的黑點表示兩個組件之間，至少有1個或多個相互作用[14]。反應(yīng)力錐切削裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖如圖5所示。

明確各組件之間的相互關(guān)系后，建立圖6所示組件功能模型分析圖，確定海纜切削過程中各組件之間相互作用關(guān)系以及相互作用關(guān)系的類型。圖7為關(guān)鍵問題存在位置及組件相互作用關(guān)系。

明確關(guān)鍵問題組件相互作用關(guān)系后，建立如圖8所示的因果分析圖，從問題出發(fā)，逐步挖掘問題產(chǎn)生的原因[15]。

通過分析發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)切屑亂飛、落入裝置外部、黏著在刀具與齒輪上和無法落入切屑收集盒位置的現(xiàn)象，根本原因是在刀具對海纜進(jìn)行切削時，由于刀具的旋轉(zhuǎn)速度比較快，產(chǎn)生的較大離心力會導(dǎo)致切屑不僅會受到重力的作用，還會受到慣性力的作用，在兩者共同作用下切屑無法垂直落入下方的切屑收集盒。

2.3 問題分析與解決

對于2個組件有用與有害作用關(guān)系并存的情況，依據(jù)圖4中76個標(biāo)準(zhǔn)解應(yīng)用原則，應(yīng)在第1.2類標(biāo)準(zhǔn)解中進(jìn)行查找。本文選定第1.2類標(biāo)準(zhǔn)解中的1.2.1與1.2.4兩個標(biāo)準(zhǔn)解對問題進(jìn)行分析，進(jìn)而得到解決方案。

所選標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1的內(nèi)容為：在一個系統(tǒng)中，有用與有害作用同時存在時，且無法限制S1和S2接觸，可以在S1和S2之間引入新的物質(zhì)S3，從而消除有害作用。

所選標(biāo)準(zhǔn)解1.2.4的內(nèi)容為：在一個系統(tǒng)中，有用與有害作用同時存在時，且S1及S2必須處于接觸狀態(tài)，則增加場F2使之抵消場F1的影響，或?qū)⒂泻ψ饔棉D(zhuǎn)換為有用作用。

上述兩種標(biāo)準(zhǔn)解問題模型及解決方案模型如圖9所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1，本文擬通過添加物質(zhì)S3來抵消有害作用。考慮到無法限制刀具與切屑的接觸狀態(tài)，引入的物質(zhì)S3應(yīng)是流體，且該流體不會影響到刀具的使用壽命，防止新資源引入新的有害作用[11]。通過上述限制條件對流體進(jìn)行篩選后，選擇切削液來對切削過程中產(chǎn)生的切屑進(jìn)行沖洗，防止切屑飛濺，同時可以有效地降低切削溫度。

除此之外，也可為齒輪增加防護(hù)罩作為新物質(zhì)S3，對飛濺的切屑進(jìn)行阻擋，防止切屑飛濺到齒輪上，降低齒輪的使用壽命。

上述兩種方案的物場模型如圖10所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.4，可通過增加新的能量場F2來抵消有害作用?？紤]到在進(jìn)行切削時，刀具與海纜、切屑的接觸狀態(tài)和裝置的材料無法改變，引入的資源不能對當(dāng)前系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，且選擇的能量場容易獲得，優(yōu)先從系統(tǒng)與超系統(tǒng)中已存在的物質(zhì)中選擇新資源，最終決定利用超系統(tǒng)中的空氣資源，形成風(fēng)場來作為新的能量場。使用風(fēng)能來防止飛濺的切屑黏著在齒輪與刀具上，影響切削的精度及裝置的使用壽命。該方案的物場模型如圖11所示。

2.4 具體優(yōu)化方案

分析上述3種方案，發(fā)現(xiàn)該3種方案都存在著優(yōu)缺點，具體見表2。

表2 3種方案的優(yōu)缺點

基于上述分析以及物場模型，最終優(yōu)化方案為將第2種與第3種方案相結(jié)合，具體方案為：

(1)在使用風(fēng)能吹切屑的同時，給暴露在外的齒輪添加防護(hù)罩，增加防護(hù)的可靠性。由于切削結(jié)構(gòu)中的小錐齒輪與大錐齒輪繞海纜轉(zhuǎn)動的速度不同，為了防止防護(hù)罩影響到裝置的正常運行，且刀架對于小齒輪遠(yuǎn)離海纜的部分本身具有一定的防護(hù)作用，所以防護(hù)罩只對接近海纜的部分進(jìn)行遮擋。

(2)由于切削結(jié)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)緊湊，在切削海纜時刀架與刀具一直轉(zhuǎn)動，噴頭難以固定到切削結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此將噴頭設(shè)計為可以調(diào)整位置。噴頭的數(shù)量為兩個，對稱分布，保證在同一時刻，至少有1個噴頭可以吹到切削部分。

(3)針對切屑難以收集的問題，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1，添加擋板作為新物質(zhì)來消除有害作用。在切屑收集盒的上方增加擋板，用于防止因風(fēng)能所造成的切屑的飛濺，落入裝置外部。將擋板設(shè)計為可開關(guān)，防止擋板影響海纜的夾緊、刀具的調(diào)節(jié)。擋板中部選擇可視性好的材料，便于切削時查看切削情況。在擋板內(nèi)部增加導(dǎo)向孔，用來為噴頭進(jìn)行導(dǎo)向。

(4)針對切屑收集盒進(jìn)行改進(jìn)，擴(kuò)大切屑收集盒的尺寸，將切屑收集盒底部增加孔洞作為出氣口，氣流的流動便于切屑的收集。

(5)在切屑收集盒上方添加一個可拆卸的濾網(wǎng)，便于收集切屑。

優(yōu)化方案的三維模型圖如圖12～13所示。

3 方案驗證

針對上述優(yōu)化方案，通過現(xiàn)有的試驗樣機進(jìn)行實驗。但由于在試驗樣機制作初是為了驗證切削海纜的可行性與切削質(zhì)量，與三維圖相比，只具備關(guān)鍵部分，結(jié)構(gòu)比較緊湊，沒有放置切屑收集盒，因此在驗證上述方案的可行性時，對上述方案進(jìn)行了部分簡化與修改。且由于齒輪距離刀具與海纜接觸部分有一段距離，短時切削齒輪之間積累的切屑較少，效果不明顯。因此本次實驗主要針對效果較為明顯的刀具部分進(jìn)行對比實驗，觀察刀具上黏著的切屑量與切屑在底部的分布情況。

實驗具體內(nèi)容如下：分別使用優(yōu)化前與優(yōu)化后的裝置進(jìn)行10～15 min的海纜切削，然后觀察刀具上切屑的黏著量與切屑在底部的分布情況。實驗開始前，對裝置進(jìn)行清潔，保證實驗的可靠性，優(yōu)化后的裝置使用鼓風(fēng)機來提供風(fēng)力。優(yōu)化方案后的設(shè)備圖如圖14所示。實驗結(jié)果對比圖如圖15所示。

通過觀察實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化前的裝置切削結(jié)束后，刀具上黏著的切屑較多，且存在大塊切屑，部分切屑落到裝置外部。優(yōu)化后的裝置切削結(jié)束后，刀具上基本沒有黏著切屑，切屑未落到裝置外部。

實驗結(jié)果表明：該優(yōu)化方案顯著改善了切屑在刀具上的黏著問題，大大減少了切屑在刀具上的的黏著量，且由于擋板的存在，阻擋了切屑，防止切屑落入裝置外部，有利于切屑的收集，提高了原有系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。

4 結(jié)語

TRIZ作為代表性的創(chuàng)新理論在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文運用TRIZ創(chuàng)新理論中的物場分析方法，對反應(yīng)力錐切削裝置中存在的切屑四處飛濺、黏著在刀具與齒輪上，無法落入切屑收集盤位置的問題進(jìn)行了解決。通過對裝置進(jìn)行組件分析、建立功能模型、原因分析、物場分析與標(biāo)準(zhǔn)解應(yīng)用等步驟，提出了具體優(yōu)化方案。并通過實驗進(jìn)行了驗證，確定了方案的可行性。由此可以看出TRIZ理論的確可為設(shè)計者在解決問題的過程中提供清晰的思路，使設(shè)計者有的放矢、抓住重點，從而使問題簡單化，過程層次化。

本方案能夠大大減少切屑在刀具上的黏著量，后續(xù)詳細(xì)設(shè)計過程中還可以進(jìn)一步結(jié)合CAE軟件對噴頭的位置和放置角度進(jìn)行分析與優(yōu)化。