劉承桓，魯衛(wèi)濤，張 淼，劉東明

(1.廊坊凱博建設(shè)機械科技有限公司，河北 廊坊 065000；2.中國建設(shè)教育協(xié)會，北京 010000)

教學電動裝載機的投入使用消除了裝載機實操培訓時的產(chǎn)生的廢氣排放和高噪聲污染，降低實操成本，增加了實操機時，提高了實訓效果，減少環(huán)保政策給裝載機實操培訓帶來的不利影響，但教學電動裝載機的供電系統(tǒng)在電纜柔性卷取、卷線速度同步調(diào)節(jié)、安全性和可靠性等方面仍需優(yōu)化，本文通過TRIZ 理論對教學電動裝載機供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和參數(shù)進行分析，建立“物-場模型”，應(yīng)用“沖突解決原理”化解了結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中遇到的“技術(shù)沖突”和“物理沖突”，對教學電動裝載機供電系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究。

1 TRIZ理論解決問題的流程

應(yīng)用TRIZ 理論解決發(fā)明問題時，首先要將待解決的具體問題用TRIZ 標準模式進行描述，建立TRIZ問題模型，然后分析判定問題的類型，TRIZ 標準模式將發(fā)明問題分為3 類，即一般問題、結(jié)構(gòu)問題和參數(shù)問題。完成分析判定后應(yīng)選擇相應(yīng)的TRIZ 工具按程序步驟對問題進行分析解答得到若干TRIZ 的解決方案模型，下一步需要對方案模型進行評價、修正，在確定此方案正確以后，應(yīng)用專業(yè)知識分析可實現(xiàn)性，找到解決此問題的最佳方案，進而求得具體問題的解。應(yīng)用TRIZ 解決具體問題的流程如圖1 所示。

圖1 TRIZ理論解決發(fā)明一般流程

2 應(yīng)用TRIZ理論分析與研究

2.1 問題提出

教學電動裝載機使用過程中電纜卷線速度與裝載機運動速度匹配性較差，裝載機運動速度加快后電纜卷線速度不能隨之增加，電纜塔桿完成立桿使用一段時間后架空鋼絲繩垂度逐漸變大，調(diào)整張緊架空鋼絲繩的難度很大。

2.1.1 定義技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

技術(shù)系統(tǒng)纜式架空供電裝置和電纜卷取裝置實現(xiàn)的功能見表1 和表2。

表1 拖纜式架空供電裝置的功能

表2 電纜卷取裝置的功能

2.1.2 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

教學電動裝載機的供電系統(tǒng)由拖纜式架空供電裝置、車載回轉(zhuǎn)支撐架、電纜卷取裝置和其他附件組成，其中拖纜式架空供電裝置由導電滑環(huán)、動滑輪、換輪軸、卡線裝置、架空鋼絲繩、桿塔、接地裝置、防水配電箱等組成，電纜卷取裝置由彈簧式電纜卷筒、電纜導輪及其輔助部件組成。電纜卷取裝置安裝在車載回轉(zhuǎn)支撐架上，車載回轉(zhuǎn)支撐架安裝在裝載機頂部或者后部機蓋上。

2.1.3 當前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題

1）問題一 拖纜式架空供電裝置的架空鋼絲繩預緊安裝使用一段時間后會松弛，導致鋼絲繩垂度增大。

2）問題二 電纜卷筒收線同步性較差，電纜卷筒的扭矩不恒定，偶爾出現(xiàn)過拉傷電纜的現(xiàn)象。

2.2 問題分析

2.2.1 系統(tǒng)組件功能分析與功能建模

針對所述的問題應(yīng)用TRIZ 理論分析系統(tǒng)組件的相互作用。功能組件分析表見表3，組件的相互作用，見圖2 和圖3。

表3 功能組件分析表

圖2 電纜卷取裝置組件相互作用圖

圖3 拖纜式架空供電裝置組件相互作用圖

2.2.2 資源分析

對技術(shù)系統(tǒng)纜式架空供電裝置和電纜卷取裝置進行資源分析，具體見表4 和表5。

表4 纜式架空供電裝置資源分析表

表5 電纜卷取裝置資源分析表

2.2.3 因果分析

在技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能分析和功能建模析的基礎(chǔ)上對問題一和問題二進行因果分析，具體如圖4 和圖5 所示。

圖4 問題二的因果分析圖

圖5 問題一的因果分析圖

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 運用“物質(zhì)—場”分析方法求解問題一

使拖纜式架空供電裝置的鋼絲繩時刻保持張緊狀態(tài)是解決問題的主要矛盾。

3.1.1 建立“物質(zhì)—場”模型

針對拖纜式架空供電裝置技術(shù)系統(tǒng)建立“物質(zhì)—場”模型，具體如圖6 所示。

圖6 原“物質(zhì)-場”模型

通過“物質(zhì)—場”模型可以看出在F1重力和拉力場的作用下S2緊固裝置對S1鋼絲繩的預緊緊固作用不足。

3.1.2 優(yōu)化“物質(zhì)—場”模型

引入S3鋼絲繩預緊裝置優(yōu)化改進“物質(zhì)—場”模型，S3的引入產(chǎn)生了預緊力場F2，增加了對S1鋼絲繩的預緊作用，改進了緊固裝置S2，支撐安裝了S3鋼絲繩預緊裝置（圖7）。

圖7 改進的“物質(zhì)-場”模型

3.2 運用“沖突解決原理”求解問題二

電纜卷線裝置是一個復合系統(tǒng)，系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)多個功能受到同一個參數(shù)控制和影響的情況或者多個技術(shù)參數(shù)相互促進、相互制約的狀況。當前的主要矛盾就是電纜卷線速度不能隨著裝載機運動速度變化而變化且卷線扭矩不可調(diào)整，偶爾出現(xiàn)拉傷電纜的現(xiàn)象。

3.2.1 規(guī)范描述

電纜卷筒的扭矩即要求大又要求小，當裝載機運動速度快時要求收線速快，當裝載機運動速度慢時又要求收線速度慢。即：對扭矩和速度兩個參數(shù)提出了兩種不同的要求，發(fā)明問題屬于物理沖突。

3.2.2 根據(jù)分離方法和發(fā)明原理進行創(chuàng)新設(shè)計

解決物理沖突的核心方法是實現(xiàn)矛盾雙方的分離，每種分離方法對應(yīng)相應(yīng)的發(fā)明原理，當確定了使用某種分離方法后，可選擇應(yīng)用對應(yīng)的發(fā)明原理得出方案。根據(jù)規(guī)范描述可知扭矩和速度兩個參數(shù)的兩對矛盾均在關(guān)鍵子系統(tǒng)（電纜卷筒）出現(xiàn)，而在其他子系統(tǒng)、系統(tǒng)或超系統(tǒng)中均未出現(xiàn)，應(yīng)使用系統(tǒng)分離方法解決問題。系統(tǒng)分離方法對應(yīng)發(fā)明原理見表6。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)及可使用資源實際情況可以選擇40 條發(fā)明原理中的3 條發(fā)明原理（28.機械系統(tǒng)替代原理，35.物理或化學參數(shù)改變原理，29.氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理）進行創(chuàng)新方案設(shè)計。

1）方案一 應(yīng)用第28 號發(fā)明原理——機械系統(tǒng)替代原理，使用可控性強、性能更好的新的子系統(tǒng)替換現(xiàn)有系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)解決了問題。

2）方案二 應(yīng)用第35 號發(fā)明原理——物理或化學參數(shù)改變原理，改變現(xiàn)有系統(tǒng)的物理參數(shù)，使現(xiàn)有系統(tǒng)滿足要求。

表6 系統(tǒng)分離方法對應(yīng)發(fā)明原理

3）方案三 應(yīng)用第29 號發(fā)明原理，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加新的氣壓和液壓機構(gòu)，改善現(xiàn)有系統(tǒng)的性能，使現(xiàn)有系統(tǒng)滿足要求。

4 問題的解與最終方案

4.1 問題一的解

在原有系統(tǒng)的其中一個塔桿中部加裝鋼絲繩預緊裝置，上部加裝導向定滑輪，當鋼絲繩直線度下降時可及時預緊鋼絲繩，具體方案見圖8。

圖8 加裝鋼絲繩預緊裝置方案圖

4.2 問題二的解

首先經(jīng)整體分析，當前技術(shù)系統(tǒng)的空間資源緊張不能夠滿足TRIZ 創(chuàng)新方案所述的引入新結(jié)構(gòu)的要求，其次改變現(xiàn)有系統(tǒng)的物理參數(shù)基本不可行性，問題二的3 個TRIZ 創(chuàng)新方案只有方案一可行性強。

將子系統(tǒng)整體替換，在機械領(lǐng)域具體是采用恒張力電纜卷筒代替彈簧式電纜卷筒，恒張力電纜卷筒帶有液壓式的扭矩調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)現(xiàn)場不同的情況進行扭矩調(diào)節(jié)，力矩調(diào)節(jié)范圍大，不拉傷拉斷電纜；由三相異步電機驅(qū)動能自動跟蹤移動設(shè)備，同步性好，自制動能力強，供電連續(xù)平穩(wěn)，安全可靠；結(jié)構(gòu)緊湊現(xiàn)有空間資源滿足方案需求。

恒張力電纜卷筒使用三相異步電機驅(qū)動，但是現(xiàn)有系統(tǒng)及其子系統(tǒng)均沒有三相電資源，對電纜卷線裝置來說，電纜是其作用對象也屬于超系統(tǒng)的資源，進一步利用超系統(tǒng)的資源可解決恒張力電纜卷筒的供電問題。

5 結(jié)語

本文采用 TRIZ 理論對教學電動裝載機供電系統(tǒng)進行了研究，分析了拖纜式架空供電裝置和電纜卷取裝置的結(jié)構(gòu)和功能，對當前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題進行了系統(tǒng)組件功能分析與功能建模、資源分析和因果分析，運用“物質(zhì)—場模型”和“沖突解決原理”對現(xiàn)有系統(tǒng)進行了創(chuàng)新設(shè)計，得到了TRIZ創(chuàng)新方案，最后使用機械領(lǐng)域?qū)I(yè)知識對創(chuàng)新方案進行了評價和實施，得到了具體問題的解。