王成軍+李龍++張明坤

摘 要：TRIZ作為邏輯型發(fā)明方法的代表，在技術(shù)行業(yè)有著重要的地位，由此產(chǎn)生出許多行業(yè)的創(chuàng)新方法，解決了眾多發(fā)明中的技術(shù)難題。論文針對(duì)雙錨索切割機(jī)位置控制存在的問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論描述了設(shè)計(jì)及使用中存在的技術(shù)問(wèn)題，并采用TRIZ理論中常用的系統(tǒng)分析、因果分析、矛盾分析、物場(chǎng)分析等方法，綜合考慮，給出了相應(yīng)的、可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。有效的解決了雙錨索切割機(jī)限位器的結(jié)構(gòu)松散、長(zhǎng)度控制、不同長(zhǎng)度需求等問(wèn)題，提高了雙錨索切割機(jī)的切割效率。

關(guān)鍵詞：錨索切割機(jī)；限位器；位置控制；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1098（2015）02-0027-05

（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China； 2. Mining Engineering Post-doctoral Mobile Station， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：On behalf of the TRIZ as the logical type method， plays an important role in the technology industry， the resulting from the many innovations in the industry， to solve the technical problem of many inventions. Aiming at the existing problems of double anchor cable cutter location control， describe the technical problems existed in design using TRIZ theory， and use of system analysis， causal analysis， contradiction analysis， substance field analysis method commonly used in TRIZ theory， comprehensive consideration， gives the structure of the corresponding and feasible design， Effectively solves the problem of double cable cutting machine of loose structure， the length of the limiter control， different length requirements and other issues， improved double anchor cutting machine efficiency.

Key words：anchor cable cutting machine； displacement restrictor； position control； optimal design

由于礦用錨索能提供較高的承載力， 而且錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)， 往往用在井下支護(hù)的關(guān)鍵部位，即固定于深部穩(wěn)定的巖層中， 并在被加固體表面通過(guò)漲拉產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力， 從而達(dá)到使被加固體穩(wěn)定和限制其變形的目的，隨著井下巷道不斷的擴(kuò)延，錨索的使用量也隨之急劇增加[1-2]。不同的巷道有著不同的地質(zhì)條件，經(jīng)常需要長(zhǎng)度不同的錨索，因此需對(duì)整捆購(gòu)置的錨索按需求的長(zhǎng)度進(jìn)行切割。而目前，國(guó)內(nèi)礦山行業(yè)錨索的切割作業(yè)大都采用人工操作的方式，但由于錨索彈性大，在載架轉(zhuǎn)動(dòng)、牽引送料、錨索放置和作業(yè)使用過(guò)程中，極易擠傷或彈傷操作者，工人人生身安全和生產(chǎn)安全沒(méi)有保障，安全事故時(shí)有發(fā)生。現(xiàn)有的錨索切割機(jī)大多是單根切割其限位器往往也是解決單根錨索的尺寸控制，對(duì)于雙錨索切割機(jī)位置的控制現(xiàn)在還沒(méi)有行之有效的解決辦法[3-7]。

論文基于TRIZ發(fā)明理論，對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并設(shè)計(jì)出新的適用于雙錨索切割機(jī)限位器。

1 TRIZ理論及研究方法

TRIZ （Theory of Inventive Problem Solving）理論是“發(fā)明問(wèn)題的解決理論”，它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解[8]。

TRIZ理論的核心內(nèi)容包含：39個(gè)通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、沖突解決矩陣、物產(chǎn)分析法及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解及發(fā)明問(wèn)題解決算法（ARIZ）等，其發(fā)明解決過(guò)程模型如圖1所示[9]。

圖1 TRIZ理論的發(fā)明問(wèn)題解決模型2 錨索切割機(jī)限位開(kāi)關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

21 問(wèn)題分析

單錨索切割機(jī)限位器，其主要組成為推桿、限位開(kāi)關(guān)和復(fù)位彈簧以及相關(guān)的連接機(jī)構(gòu)如圖2所示。1.復(fù)位彈簧A； 2.導(dǎo)桿； 3，10.限位觸板； 5，8.錨索；

6.支架A； 7.復(fù)位彈簧B； 9.支架B； 11.卸料擋板

圖2 單錨索切割機(jī)限位器

限位開(kāi)關(guān)直接安裝在支架上方，限位開(kāi)關(guān)的寬度尺寸完全占據(jù)支架上表面寬度，限位開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸頭與導(dǎo)桿的后端保持接觸；復(fù)位彈簧為拉伸彈簧起驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿自動(dòng)復(fù)位的作用，其兩端分別與支架和導(dǎo)桿固定；導(dǎo)桿可以在支架內(nèi)滑移，其前端固定有限位觸板。

工作時(shí)，錨索向后移動(dòng)并接觸到限位觸板，再推動(dòng)導(dǎo)桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)向后擺動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)位置達(dá)到設(shè)定值時(shí)，限位開(kāi)關(guān)給出停機(jī)和切割指令；切割完成后，錨索離開(kāi)支架，導(dǎo)桿和限位觸板在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位。endprint

該方法對(duì)于單錨索切割機(jī)適用，若用于雙錨索切割機(jī)則存在四個(gè)方面的問(wèn)題：①現(xiàn)有錨索切割機(jī)上用限位開(kāi)關(guān)的體積和寬度很大。需要雙錨索切割時(shí)，因限位開(kāi)關(guān)無(wú)足夠安裝空間，導(dǎo)致設(shè)備整體結(jié)構(gòu)臃腫；②雙錨索切割機(jī)的位置控制同步性能不穩(wěn)定，可靠性差；③不能滿(mǎn)足截取不同長(zhǎng)度錨索的需求；④復(fù)位彈簧由兩根拉簧充當(dāng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于彈簧制造差異可能存在受力不平衡問(wèn)題。

22 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析，即從技術(shù)系統(tǒng)抽象的“功能”角度來(lái)分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)執(zhí)行或完成其功能的狀況，建立系統(tǒng)的功能模型。對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行組件模型分析如圖3所示。

圖3 單錨索切割機(jī)限位器組件模型 通過(guò)組件模型分析，系統(tǒng)中的復(fù)位彈簧A與復(fù)位彈簧B功能存在重復(fù)，可裁剪復(fù)位彈簧B，裁剪后將復(fù)位彈簧A套在導(dǎo)桿上可替代復(fù)位彈簧B的功能，從而精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本；支架A與支架B也存在功能重復(fù)，通過(guò)系統(tǒng)裁剪掉支架B，裁剪后可通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)中限位開(kāi)關(guān)等組件的結(jié)構(gòu)，使支架A完全替代支架B的功能，裁剪后的組件圖如圖4所示。

圖4 單錨索切割機(jī)限位器裁剪模型

23 因果分析

因果分析法是通過(guò)因果圖表現(xiàn)出來(lái)，因果圖又稱(chēng)特性要因圖、魚(yú)刺圖或石川圖，是為了尋找產(chǎn)生某種質(zhì)量問(wèn)題的原因，通過(guò)做分析，將所有影響因素反映在一張圖上，就是因果圖。用此圖分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因。對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行因果分析如圖5所示。

圖5 因果分析框圖通過(guò)因果分析，引起雙錨索位置控制失效的根本原因是：

1） 切割裝置在切割錨索時(shí)的有效切割寬度有限；

2） 輸送裝置的輸送能力不足；

3） 寬度尺寸較小的新型限位開(kāi)關(guān)缺乏；

4） 導(dǎo)桿的長(zhǎng)度不可調(diào)。

24 矛盾分析

矛盾分析，即將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，要求將實(shí)際問(wèn)題的描述轉(zhuǎn)化為39個(gè)通用工程參數(shù)中的2項(xiàng)，然后通過(guò)查詢(xún)TRIZ的技術(shù)矛盾的矛盾矩陣，找到2個(gè)工程參數(shù)對(duì)應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理。

通過(guò)前述系統(tǒng)分析及因果分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于限位器本身而言，列舉的四條根本原因，其中3、4條屬于限位器自身的缺陷，故對(duì)第3、4條進(jìn)行分析。

對(duì)于第3條缺陷，從技術(shù)進(jìn)化的角度出發(fā)，通過(guò)縮小限位開(kāi)關(guān)的寬度，設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的限位開(kāi)關(guān)，滿(mǎn)足雙錨索切割機(jī)對(duì)限位開(kāi)關(guān)的并列安裝要求，即可初步解決雙錨索切割位置控制失效的問(wèn)題。并且現(xiàn)有的企業(yè)內(nèi)具有能設(shè)計(jì)限位開(kāi)關(guān)的技術(shù)人員和制造限位開(kāi)關(guān)機(jī)械零件的材料，電子元器件外購(gòu)即可完成。

對(duì)于第4條缺陷，根據(jù)因果分析，引起雙錨索雙位置控制失效的原因是導(dǎo)桿裝置長(zhǎng)度不可調(diào)。如果改變導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改為長(zhǎng)度可調(diào)導(dǎo)桿，將導(dǎo)致導(dǎo)桿長(zhǎng)度的增大。技術(shù)矛盾： 改善的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度；惡化的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)物體的重量。查詢(xún)沖突矩陣如表1所示。

創(chuàng)新原理應(yīng)用技巧如下：如圖6所示，將導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)改為可伸縮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)伸縮導(dǎo)桿插入設(shè)有螺釘孔的外伸縮導(dǎo)桿內(nèi)，并用鎖緊螺釘固定內(nèi)伸縮導(dǎo)桿的長(zhǎng)度，外伸縮導(dǎo)桿插入設(shè)有螺釘孔的導(dǎo)桿套內(nèi)，同樣的用鎖緊螺釘固定外伸縮導(dǎo)桿的長(zhǎng)度，兩者長(zhǎng)度相加實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)桿的長(zhǎng)度可調(diào)功能。同時(shí)為了減少重量，導(dǎo)桿采用管狀結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)改為可伸縮式管狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再將導(dǎo)桿的材料改為密度小的輕質(zhì)材料，這樣在增加導(dǎo)桿的長(zhǎng)度可調(diào)功能的同時(shí)還可減少導(dǎo)桿裝置的摩擦阻力。

1.導(dǎo)桿套； 2.外伸縮導(dǎo)桿； 3.內(nèi)伸縮導(dǎo)桿

圖6 可伸縮式管狀導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)圖25 物質(zhì)—場(chǎng)分析

物質(zhì)—場(chǎng)分析原理認(rèn)為，所有的功能都可分解為兩種物質(zhì)及一種場(chǎng)，即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場(chǎng)的三元件組成. 產(chǎn)品是功能的一種實(shí)現(xiàn)，因此，可用物質(zhì)—場(chǎng)分析產(chǎn)品的功能。

雙錨索切割機(jī)限位器設(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)衍生危害，即當(dāng)推桿長(zhǎng)度變化過(guò)大時(shí)，由于重心的偏移會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，加快雙錨索切割機(jī)限位器老化，同時(shí)也影響雙錨索切割機(jī)限位器的工作效果。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用TRIZ理論的物場(chǎng)分析方法求解：

1） 確定物場(chǎng)模型元素：機(jī)械力（F）、推桿（S1）、支架（S2）。

2） 建立物場(chǎng)模型：從上述元素分析中，元素齊全，但實(shí)現(xiàn)功能不足，建立如圖7所示的物場(chǎng)模型。

圖7 支架支撐推桿的物場(chǎng)模型

3） 確定物場(chǎng)模型的一般解法。從一般解法表中查得，可以采用解法4、5、6求解本題，這里主要應(yīng)用一般解法6來(lái)求解，即引入新的物質(zhì)S3和場(chǎng)F2來(lái)加強(qiáng)原有效果，引入第三種物質(zhì)直線(xiàn)軸承（S3），第二種場(chǎng)機(jī)械力（F2），其物場(chǎng)模型如圖8所示。

圖8 支架和直線(xiàn)軸承共同支撐推桿的物場(chǎng)模型25 具體解決方案

通過(guò)對(duì)1號(hào)、35號(hào)創(chuàng)新原理以及物質(zhì)——場(chǎng)分析，以此為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路，可得到最終的雙錨索切割機(jī)限位器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

1.復(fù)位彈簧； 2.導(dǎo)桿組件； 21.外導(dǎo)套桿； 22.內(nèi)導(dǎo)桿； 3，10.限位觸板； 4.限位開(kāi)關(guān)組件； 41.左限位開(kāi)關(guān)； 42.右限位開(kāi)關(guān)； 5，8錨索； 6.支架； 7，9直線(xiàn)軸承

圖9 創(chuàng)新雙錨索切割機(jī)限位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用縮小限位開(kāi)關(guān)寬度，用輕質(zhì)材料設(shè)計(jì)可伸縮式導(dǎo)桿并裝配直線(xiàn)軸承，復(fù)位彈簧由原來(lái)的拉伸彈簧改為壓縮彈簧，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積減小，適應(yīng)于雙錨索切割機(jī)位置控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器存在的結(jié)構(gòu)松散，雙錨索控制，不同長(zhǎng)度錨索控制，工效低等問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ理論的問(wèn)題分析，提出雙錨索切割機(jī)存在問(wèn)題；系統(tǒng)分析，對(duì)錨索切割機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精簡(jiǎn)；因果分析，找出錨索位置控制失效的根本原因；矛盾分析，提出了解決根本原因的設(shè)計(jì)方案；物場(chǎng)分析，對(duì)推桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。綜合實(shí)際情況，提出了雙錨索切割機(jī)限位器的設(shè)計(jì)方案，該方案能夠滿(mǎn)足雙錨索切割機(jī)對(duì)位置控制的需求，可按需求截取不同長(zhǎng)度錨索，同時(shí)也減少了加工制造成本，提高了生產(chǎn)率。產(chǎn)品樣機(jī)的試制證明該方案是可行可靠的。為T(mén)RIZ理論在機(jī)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。endprint

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