黃 蕾，鄧援超

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

基于TRIZ理論的水泥自動(dòng)裝車機(jī)研究

黃 蕾，鄧援超

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

針對(duì)現(xiàn)有水泥裝車機(jī)的工作形式，提出全自動(dòng)水泥智能裝車機(jī)，研究用智能機(jī)械替代人工裝車。由于自動(dòng)裝車機(jī)是一種全新的產(chǎn)品，其技術(shù)難度高，開發(fā)困難。利用TRIZ創(chuàng)新方法，解決設(shè)計(jì)中的不同難題，并將得到的方案應(yīng)用在實(shí)物樣機(jī)中，取得了理想的結(jié)果。

運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖； 自由度； TRIZ； 創(chuàng)新原理； 物場(chǎng)模型； 物理矛盾； 水泥智能裝車機(jī)

提高水泥包裝和裝載運(yùn)輸?shù)男适撬嗥髽I(yè)創(chuàng)造效益的關(guān)鍵一環(huán)，越來越多的水泥企業(yè)出現(xiàn)多達(dá)幾十輛貨車等待裝車的現(xiàn)象有待解決[1]。袋裝水泥裝車機(jī)至今基本是一種半自動(dòng)化的生產(chǎn)方式，因此現(xiàn)有對(duì)提高裝車效率方面的研究多是袋裝水泥人工裝車，裝車工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，而且工人長(zhǎng)期在這種惡劣環(huán)境下工作，健康會(huì)受到極大的損壞,所以，實(shí)現(xiàn)用機(jī)械替代人工成為核心問題。

1 全自動(dòng)水泥裝車機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1 水泥裝車機(jī)現(xiàn)狀分析

袋裝水泥經(jīng)過廠房上面的水平輸送皮帶運(yùn)至斜皮帶機(jī)上，斜皮帶機(jī)通過電動(dòng)提升機(jī)吊掛在水平皮帶的機(jī)架前端。當(dāng)袋裝水泥運(yùn)送至斜皮帶機(jī)末端時(shí)，就由站在車廂里面的工人將水泥搬下擺放在車廂內(nèi)，圖1中每排車廂擺放了4列袋裝水泥。這個(gè)方向的擺放是由工人自行排列，當(dāng)碼放到一定層數(shù)后，可以通過電動(dòng)提升機(jī)調(diào)節(jié)斜皮帶機(jī)的高度，提升的高度由工人決定。

圖1 現(xiàn)有水泥裝車機(jī)

1.2 全自動(dòng)水泥裝車機(jī)方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)現(xiàn)有水泥裝車機(jī)的分析，若去掉人工操作，機(jī)械要代替人完成的動(dòng)作包括：1)將斜皮帶機(jī)上的水泥運(yùn)至車廂；2)水泥袋運(yùn)至車廂內(nèi)時(shí)水泥袋要基本平整；3)要將水泥在車廂內(nèi)平齊擺放4列。

在現(xiàn)有水泥裝車機(jī)中能夠代替人執(zhí)行其功能的只有斜皮帶機(jī)。因?yàn)樾逼C(jī)同時(shí)有支撐和輸送水泥袋的功能，且斜皮帶機(jī)是運(yùn)送水泥袋至車廂內(nèi)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)部件。

但斜皮帶機(jī)只能實(shí)現(xiàn)將水泥袋運(yùn)至車廂的動(dòng)作。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)證明，從斜皮帶機(jī)上掉下來的水泥袋不能保證在車廂內(nèi)平整，更不能完成一排4列的擺放動(dòng)作。

采用TRIZ理論標(biāo)準(zhǔn)解法第二級(jí)第一個(gè)子級(jí)中的標(biāo)準(zhǔn)解，在此使用擴(kuò)展物-場(chǎng)中的聯(lián)系，在S2與S1之間加入一個(gè)F2—S1的環(huán)節(jié)來提高有用效應(yīng)，其解的物場(chǎng)模型見圖2。

圖 2 原有物場(chǎng)模型

根據(jù)解的模型尋找解決的方案，最終確定在斜皮帶機(jī)尾端再添加一個(gè)暫稱為裝車平臺(tái)的裝置，。平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)人工所有功能。平臺(tái)處于待裝車箱的正上方，水泥袋在裝車平臺(tái)的閘門上垂直落入車廂內(nèi)。

每袋水泥包的長(zhǎng)度在680mm左右，一排4列就是2700mm，略大于一般貨廂的寬度，所以在碼放時(shí)有少量重疊部分。由這一特性可知，水泥裝車時(shí)貨廂的側(cè)板是關(guān)上的，否則就會(huì)導(dǎo)致裝完后車廂側(cè)板關(guān)不上的情況。水泥袋從高處往下掉落能夠承受的高度為1m，而貨廂側(cè)板高度有一部分貨車超出了1m。若想保證水泥袋不被摔破，裝車平臺(tái)需進(jìn)入車廂內(nèi)部，但是又由于裝車平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)4列的碼放，裝車平臺(tái)比車廂寬，裝車平臺(tái)是進(jìn)不到車廂內(nèi)部的。

問題描述：因?yàn)椴糠诸愋偷呢涇噦?cè)板超過了水泥袋下落不摔破的極限值1m，為了讓水泥裝車機(jī)可以適用于各種類型的貨車，裝車平臺(tái)需要進(jìn)入車廂內(nèi)再卸載水泥。而4列水泥袋長(zhǎng)度略等于一般貨廂，裝車平臺(tái)因?yàn)橐a放4列水泥袋所以其寬度大于一般貨廂的寬度，其進(jìn)入車廂內(nèi)肯定會(huì)與車廂側(cè)板干涉。

需要改善的方面：適用于各種類型貨車。

造成惡化的方面：運(yùn)動(dòng)的裝車平臺(tái)因?qū)挾忍笈c車廂側(cè)板干涉。

用TRIZ中的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)來定義沖突。

改善的參數(shù)：適應(yīng)性，通用性

惡化的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度

利用技術(shù)矛盾解的工具矛盾矩陣，查找到對(duì)應(yīng)的原理：35,1,29,2。

通過對(duì)各原理的分析，可利用原理1(分割)和原理2(抽取)。裝車平臺(tái)上的閘門是運(yùn)送水泥袋至車廂的關(guān)鍵構(gòu)件，抽取這一主要功能，即將原來固定在裝車平臺(tái)上的閘門分割開來，使其變成可以運(yùn)動(dòng)的部件，由其單獨(dú)運(yùn)送水泥袋而并非裝車平臺(tái)整體，這樣就不會(huì)存在裝車平臺(tái)必須進(jìn)入車廂而與車廂側(cè)板干涉打架的問題。

1-裝車平臺(tái)；2-導(dǎo)柱；3-電葫蘆；4-鋼絲繩；5-二樓廠房地面；6-水平皮帶機(jī)；7-斜皮帶機(jī)；8-碼垛裝置

圖 3 全自動(dòng)水泥裝車機(jī)方案

經(jīng)過設(shè)計(jì)研究，完成的水泥智能裝車機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖1中所示部分均為裝車平臺(tái)，它安裝在斜皮帶機(jī)的末端。原水泥裝車機(jī)中，斜皮帶機(jī)由電動(dòng)提升機(jī)的鋼絲繩懸吊；新斜皮帶機(jī)和裝車平臺(tái)通過鉸鏈連接，裝車平臺(tái)則由電葫蘆的鋼絲繩懸掛在待裝車廂的上方。原裝車機(jī)只有鋼絲繩的柔性連接，所以在移動(dòng)中均有很大的晃動(dòng)；新裝車平臺(tái)與二樓水平支架之間用導(dǎo)桿和滑套的組合實(shí)現(xiàn)剛性連接，晃動(dòng)問題有很大改善。裝車平臺(tái)代替人的所有工作，將自斜皮帶機(jī)運(yùn)輸過來的袋裝水泥碼垛至車廂內(nèi)部。當(dāng)碼放完一定層數(shù)后，裝車平臺(tái)在電葫蘆帶動(dòng)下沿著導(dǎo)柱直線上升，繼續(xù)碼垛。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 水泥包卸載問題

2.1.1 5why分析 5why分析法是一種診斷技術(shù)，是常見的因果分析方法，用來識(shí)別和說明因果關(guān)系鏈，能夠恰當(dāng)?shù)亩x問題。

要實(shí)現(xiàn)正確裝車，水泥包要平整、準(zhǔn)確地落在車廂內(nèi)，但現(xiàn)有的斜皮帶機(jī)不能實(shí)現(xiàn)。使用5個(gè)為什么來分析目前的系統(tǒng)問題如4所示。

圖 4 5 why分析

要想將水泥包平整、準(zhǔn)確地卸在車廂內(nèi)，需要在斜皮帶機(jī)的后面增加一個(gè)裝置。這個(gè)裝置很容易想到閘門，因?yàn)殚l門可以使水泥包卸載到車廂內(nèi)時(shí)受力平衡，而水泥包從斜皮帶機(jī)到閘門之間需要一個(gè)運(yùn)送裝置，在此選用小皮帶機(jī)，但小皮帶機(jī)上的水泥包在落至閘門上時(shí)出現(xiàn)問題。

2.1.2 解決問題 問題描述：當(dāng)將水泥包從斜皮帶機(jī)上運(yùn)至閘門處時(shí)，希望小皮帶機(jī)存在；當(dāng)水泥包運(yùn)至車廂里面時(shí)，不希望小皮帶機(jī)存在。

1)物理矛盾 針對(duì)這種問題，采用TRIZ理論中物理矛盾[2]的方法來解決。

定義物理矛盾：

希望小皮帶機(jī)存在----要將水泥包從斜皮帶機(jī)上運(yùn)至閘門處

不希望小皮帶機(jī)存在----要卸載水泥包

解決物理矛盾有4種方法，從對(duì)問題的描述，采用條件分離的方法。基于條件的分離原理，可以利用以下13個(gè)創(chuàng)新原理：1、5、6、7、8、13、14、22、24、25、27、33、35。

根據(jù)提供的原理方法，找到幾種解決方案。

a)原理1(分割) 原小皮帶機(jī)固定在裝車平臺(tái)機(jī)架上，只能沿Y方向運(yùn)動(dòng)。若將小皮帶機(jī)和裝車平臺(tái)分割開來，當(dāng)小皮帶機(jī)運(yùn)動(dòng)至閘門處時(shí)，使其能夠一邊傾斜上升，一邊固定不動(dòng)，那么水泥包就可在自身重力作用下滑至閘門上，其原理如圖5a所示，其驅(qū)動(dòng)裝置為氣缸，通過連桿2將小皮帶機(jī)1的右側(cè)頂起。

1-小皮帶機(jī)；2-連桿；3-氣缸

V1-小皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速；V2-小皮帶機(jī)直線運(yùn)行速度

圖 5 分割

1-水泥包；2-推板；3-連桿；4-氣缸

b)原理13(反向作用)和原理25(自服務(wù)) 現(xiàn)在思考的方向是怎樣將小皮帶機(jī)上的水泥包卸載，若采用反向作用的原理和自服務(wù)原理，可以將思考方向改為水泥包不動(dòng)，將小皮帶機(jī)撤走，這樣也可以實(shí)現(xiàn)卸載水泥包。原理如圖5b所示，小皮帶機(jī)在裝車平臺(tái)上可以直線運(yùn)行運(yùn)輸水泥包，小皮帶機(jī)也可以通過自身電機(jī)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。當(dāng)小皮帶機(jī)運(yùn)行至閘門上方時(shí)，小皮帶機(jī)一邊直線返回，一邊自轉(zhuǎn)，但這兩個(gè)速度方向要相反，當(dāng)v1和v2相等時(shí)，小皮帶機(jī)上方的水泥包相對(duì)速度為0，水泥包即可原位置掉落在閘門上。

2)物場(chǎng)模型 原有系統(tǒng)的物場(chǎng)模型[3]是一種不完整的模型，構(gòu)建的新物場(chǎng)模型如圖6a所示。

針對(duì)原有不完整模型，新物場(chǎng)模型的解是補(bǔ)齊所缺失的元素，使其成為一個(gè)完整的模型。根據(jù)解想到方案，可以添加裝置，利用裝置將水泥包卸載下來。原理如圖6b所示，即氣缸4通過連桿3帶動(dòng)推板2將水泥包從小皮帶機(jī)上推下。

2.2 斜皮帶機(jī)旋轉(zhuǎn)問題

現(xiàn)在不考慮水平機(jī)架整體水平移動(dòng)，只考慮電葫蘆帶動(dòng)裝車平臺(tái)上升的問題，所以將水平機(jī)架當(dāng)做固定不動(dòng)的架子來分析。裝車機(jī)整體機(jī)構(gòu)作運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(圖7)結(jié)構(gòu)分析如下：

1-裝車平臺(tái)；2-斜皮帶機(jī)；3-水平機(jī)架

圖7機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖通過自由度[5]分析，機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件有裝車平臺(tái)和斜皮帶機(jī)兩個(gè)，低副有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副，高副的數(shù)目是0。機(jī)構(gòu)自由度

式中n表示構(gòu)件的個(gè)數(shù)，PL表示低副的個(gè)數(shù)，PH表示高副的個(gè)數(shù)，則

F=3×2-2×3=0

機(jī)構(gòu)的自由度為0，表示機(jī)構(gòu)不能動(dòng)，那么此結(jié)構(gòu)在原理上是有問題的。現(xiàn)在來分析如何解決這個(gè)問題。當(dāng)構(gòu)件1上下移動(dòng)時(shí)，若想構(gòu)件2能夠運(yùn)動(dòng)，需要構(gòu)件3的水平部分能夠前后移動(dòng)，可是構(gòu)件3又是不能動(dòng)的機(jī)架。要使構(gòu)件3部分既能不動(dòng)又能動(dòng)，得將構(gòu)件3分為兩個(gè)部分，一部分充當(dāng)機(jī)架作用，一部分充當(dāng)移動(dòng)作用。得到新機(jī)構(gòu)如圖8所示，水平皮帶機(jī)分為兩段，前面部分是水平機(jī)架，后面部分是水平皮帶機(jī)，兩者之間用滑套導(dǎo)柱連接，可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1-裝車平臺(tái)；2-導(dǎo)柱；3-電葫蘆；4-鋼絲繩；5-二樓廠房地面；6-水平機(jī)架；7-斜皮帶機(jī)；8-碼垛裝置；9-導(dǎo)柱滑套機(jī)械；10-水平皮帶機(jī)；

進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，構(gòu)件為1、2、3共3個(gè)，分別有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)移動(dòng)副，則F=3×3-2×4=1，機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件為1的上下移動(dòng)，原動(dòng)件的個(gè)數(shù)與自由度的個(gè)數(shù)相等，所以機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是確定的(圖9)。

1-裝車平臺(tái)；2-斜皮帶機(jī)；3-水平皮帶機(jī)；4-水平機(jī)架

3 結(jié)論

利用TRIZ創(chuàng)新方法, 得到水泥包卸載問題中的3個(gè)方案：第1個(gè)方案是通過改變小皮帶機(jī)傾角的方式使水泥袋滑落至閘門上，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于水泥性狀柔軟特點(diǎn)，滑落的水泥袋很容易變形，且其滑落的位置不定，不利于接下來將其碼垛至車廂；通過對(duì)小皮帶機(jī)和水泥袋做實(shí)驗(yàn)，第2個(gè)方案能達(dá)到理想結(jié)果，且不用借助任何外來資源，利用自身資源即可解決問題； 第3個(gè)方案中，氣缸利用推板施加給水泥袋的力只能通過調(diào)節(jié)氣缸運(yùn)行速度來改善，速度快使得水泥袋變形嚴(yán)重且其掉落位置不準(zhǔn)確，氣缸和推板的增加也使得空間布置變得復(fù)雜。所以綜合選定第2種方案。經(jīng)過對(duì)水泥自動(dòng)裝車機(jī)的創(chuàng)新

設(shè)計(jì)，制作完成了全自動(dòng)水泥裝車機(jī)的樣機(jī)。樣機(jī)能很好完成將斜皮帶機(jī)上水泥運(yùn)至車廂、水泥袋落至車廂時(shí)平整準(zhǔn)確和水泥袋在車廂內(nèi)按一定規(guī)則排列的人工動(dòng)作，效果令人滿意。

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[責(zé)任編校： 張 眾]

The Research of Cement Automatic Loader based on TRIZ

HUANG Lei，DENG Yuanchao

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

The article in view of the work form of the existing cement carloader and put forward the intelligent and automatic cement carloader .It researchs how to use machinery to replace manual work.It taked many problems in the design process because of the machine is a new product ,and its technical is highly difficulty.The article using the innovation method of TRIZ to solve different problems in the design.Put the scheme in the physical model machine and achieved ideal results.

Kinematic sketch,Degrees of freedom,TRIZ,Innovation principle,Physical field model,Physical contradiction,cement automatic carloader

2015-04-20

黃 蕾(1989-)，女，湖北漢川人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)

1003-4684(2015)04-0104-04

TH122

A