劉訓(xùn)濤， 王愛(ài)芳， 劉秀蓮， 郝雙雙

(1.黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027;2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150081)

0 引 言

帶式輸送機(jī)以它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)量范圍大、運(yùn)輸物料品種多、基建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，正成為散體物料的主要運(yùn)輸工具，廣泛的應(yīng)用于礦山、港口、電廠(chǎng)中，但是在帶式輸送機(jī)使用中，尤其大傾角、大運(yùn)量運(yùn)輸中，經(jīng)常發(fā)生斷帶事故，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)甚至工人的生命安全.現(xiàn)階段斷帶抓捕器結(jié)構(gòu)有單向托輥式、偏心托輥式、制動(dòng)靴式、楔塊式、全帶寬抓捕等多種形式.但是各種抓捕器都存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，抓捕可靠性差、穩(wěn)定性不高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外至今也沒(méi)有得到很好的解辦法.因此如何設(shè)計(jì)高效斷帶保護(hù)裝置，在輸送帶斷裂后，準(zhǔn)確檢測(cè)到斷裂信號(hào)，快速抓捕住斷帶，并有效防止二次斷帶的發(fā)生，已成為擺在礦山機(jī)械設(shè)計(jì)者面前的一項(xiàng)意義重大的科研課題［1～5］.

1 TRIZ 理論

TRIZ(萃智)是俄文ТРИЗ(теории решения изобретательских задач)的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch 的縮寫(xiě)，其英文全稱(chēng)是Theory of the Solution of Inventive Problems(在歐美國(guó)家也可縮寫(xiě)為T(mén)IPS)，中文意思為:發(fā)明問(wèn)題解決理論. 是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇. 阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在研究了世界各地250 萬(wàn)份高水平專(zhuān)利基礎(chǔ)上于1946 年創(chuàng)立的.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.為企業(yè)節(jié)省的大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)，縮短了企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品周期，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［6 ～10］.

本文將TRIZ 理論引入帶式輸送機(jī)斷帶抓捕器的設(shè)計(jì)，提出了基于TRIZ 理論的機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)方法.將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分成六個(gè)階段:問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、工程問(wèn)題的提取、標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的形成、TRIZ 解決方案求解、最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).如圖1 所示.

圖1 TRIZ 理論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的六個(gè)階段

開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先尋找技術(shù)系統(tǒng)中存在的技術(shù)問(wèn)題，然后通過(guò)TRIZ 理論分析工具(九屏法、功能分析、S 進(jìn)化曲線(xiàn)、小人法、金魚(yú)法)中的一種或幾種進(jìn)行系統(tǒng)分析，分析系統(tǒng)子系統(tǒng)和超系統(tǒng)，查找可利用的資源，將工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化成TRIZ理論標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，形成最終理想解，應(yīng)用TRIZ 工具(矛盾矩陣、物理矛盾、物—場(chǎng)模型、76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ 解決算法、40 個(gè)創(chuàng)新原理、效應(yīng)、進(jìn)化法則)進(jìn)行方案求解，最后設(shè)計(jì)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)［12～13］.TRIZ 理論可以幫助設(shè)計(jì)者克服慣性思維，提供清晰解題思路.TRIZ 理論的解題過(guò)程如圖2 所示.

圖2 TRIZ 理論的解題過(guò)程

圖3 抓捕器物質(zhì)資源

2 TRIZ 理論在斷帶抓捕器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 問(wèn)題描述

由于載荷激增、疲勞破壞等原因經(jīng)常發(fā)生帶式輸送機(jī)的輸送帶的橫向斷裂，但現(xiàn)有的抓捕裝置響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，性能不穩(wěn)定，無(wú)法有效的實(shí)現(xiàn)斷帶保護(hù).

圖4 抓捕器物場(chǎng)模型

2.2 最終理想解

IFR-1:希望能夠制造一種抓捕裝置，自己完成斷帶信號(hào)檢測(cè)，準(zhǔn)確的完成斷帶抓捕，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，性能穩(wěn)定.

IFR-2:輸送帶斷帶后能瞬間自我停下來(lái).

2.3 斷帶抓捕器的S 進(jìn)化曲線(xiàn)

抓捕器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在正處于嬰兒期到成長(zhǎng)期的過(guò)渡，現(xiàn)在人們開(kāi)始重視抓捕器的設(shè)計(jì)，也出現(xiàn)了一定的專(zhuān)利，但是仍然沒(méi)有穩(wěn)定的被廣泛接受的經(jīng)典結(jié)構(gòu).因此系統(tǒng)內(nèi)部的資源仍然沒(méi)有利用完全.

2.4 斷帶抓捕器的九屏幕法

2.5 資源分析

抓捕器的現(xiàn)成的物質(zhì)資源有:機(jī)架、輸送帶、物料.場(chǎng)資源:重力場(chǎng).派生的信息資源:帶的張力.

2.6 矛盾的建立

現(xiàn)階段的抓捕器多數(shù)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定性差，將其轉(zhuǎn)化成TRIZ 理論標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題為:改善的參數(shù)是動(dòng)物的時(shí)間、測(cè)量的精度、可靠性，惡化的參數(shù)是系統(tǒng)的可靠性、設(shè)備復(fù)雜性和檢測(cè)的復(fù)雜性，抓捕器的矛盾矩陣如表1 所示.

根據(jù)帶式輸送機(jī)工作實(shí)際工況，擬選用::1 號(hào)分割原理、5 號(hào)組合原理、10 號(hào)預(yù)先作用、11 號(hào)預(yù)先防范、15 號(hào)動(dòng)態(tài)化原理.具體的原理內(nèi)容如表2所示.

表1 抓捕器的矛盾矩陣表

表2 選用的創(chuàng)新原理

圖5 雙彈簧全斷面抓捕器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.7 物—場(chǎng)模型

現(xiàn)階段的楔塊式抓捕器，多數(shù)通過(guò)單向托輥?zhàn)鳛閿鄮盘?hào)檢測(cè)裝置，以楔塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷帶的抓捕，經(jīng)常發(fā)生抓捕反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，抓捕力太小無(wú)法抓住斷帶，或者抓捕力過(guò)大發(fā)生輸送帶二次斷裂現(xiàn)象.現(xiàn)有的抓捕器物—場(chǎng)模型屬于效應(yīng)不足的完整物場(chǎng)模型，如圖4 所示.為了改變這種情況，建立一個(gè)附加場(chǎng)，采用雙彈簧結(jié)構(gòu).

2.8 雙彈簧全斷面抓捕器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用分割、組合原理設(shè)計(jì)了彈簧全斷面抓捕器，全斷面抓捕器由內(nèi)、外抓捕機(jī)構(gòu)和上面的弧形抓捕板組成，如圖5 所示. 內(nèi)抓捕機(jī)構(gòu)由弧形托輥組、支撐連桿、內(nèi)彈簧、外彈簧開(kāi)啟滾輪組成.利用TRIZ 預(yù)先作用原理提高抓捕機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，內(nèi)抓捕機(jī)構(gòu)的弧形托輥組始終與輸送帶相接，彈簧力通過(guò)弧形托輥組直接施加給由拉緊裝置拉緊的輸送帶上.外抓捕機(jī)構(gòu)由外彈簧、外彈簧鎖緊機(jī)構(gòu)、外彈簧鎖緊杠桿、外彈簧執(zhí)行滾輪組成.

當(dāng)輸送帶正常工作時(shí)，輸送帶在拉緊力的作用下，輸送帶繃緊，弧形托輥在內(nèi)彈簧力作用下與輸送帶相接觸.當(dāng)輸送帶斷裂后，輸送帶張力為零，弧形托輥組在內(nèi)彈簧作用下向上運(yùn)動(dòng)，將斷帶壓緊在上面的抓捕板上，實(shí)現(xiàn)一級(jí)制動(dòng).同時(shí)，向上運(yùn)動(dòng)的弧形托輥組帶動(dòng)弧形托輥桿向上運(yùn)動(dòng)，弧形托輥桿下的外彈簧開(kāi)啟滾輪隨之向上運(yùn)動(dòng).

為了防止出現(xiàn)二次斷帶，采用預(yù)先防范原理和動(dòng)態(tài)化原理，設(shè)計(jì)外彈簧抓捕機(jī)構(gòu)，外彈簧鎖緊機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)由鎖緊彈簧鎖緊，外彈簧與弧形托輥組不接觸，亦不參與一級(jí)制動(dòng).當(dāng)出現(xiàn)斷帶時(shí)，弧形托輥桿下外彈簧開(kāi)啟滾輪壓動(dòng)外鎖緊彈簧執(zhí)行滾輪，帶動(dòng)外彈簧鎖緊機(jī)構(gòu)繞轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)啟外彈簧，外彈簧壓在弧形托輥架上，與內(nèi)彈簧一起對(duì)斷帶施加抓捕力，實(shí)現(xiàn)二次抓捕.

3 結(jié) 論

通過(guò)TRIZ 理論工具的使用，設(shè)計(jì)了雙彈簧全斷面抓捕器，通過(guò)內(nèi)彈簧實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷帶信息，完成一級(jí)抓捕，提高了抓捕器動(dòng)作的準(zhǔn)確性，縮短了抓捕響應(yīng)時(shí)間.設(shè)計(jì)了外彈簧抓捕機(jī)構(gòu)，減少了二次斷帶事故的發(fā)生，提高了抓捕的可靠性，很好的完成斷帶抓捕任務(wù).

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