【摘" "要】" "采用TRIZ理論的九屏幕分析法、功能分析法和因果分析法對托繩輪組件進行問題分析，確定托繩輪裝置中存在的問題。利用“矛盾解決理論”分析及“物場模型”對托繩輪裝置進行創(chuàng)新設(shè)計，提高托繩輪裝置的利用率并減輕磨損，結(jié)合ANSYS軟件對創(chuàng)新設(shè)計的托繩輪裝置進行應(yīng)力與變形分析驗證。結(jié)果表明，設(shè)計的無極繩絞車托繩輪裝置可軸向方向移動，增加工作結(jié)合面積，有效減小鋼絲繩和托繩輪磨損，延長使用壽命，提高利用率。生產(chǎn)工況下最大應(yīng)力為173.69 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.56 mm，滿足設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】" "TRIZ；托繩輪；創(chuàng)新設(shè)計

【Abstract】" " The nine-screen analysis method， functional analysis method and causal analysis method of TRIZ theory are used to analyze the problems of the guide rope wheel components， so as to determine the problems existing in the guide rope wheel device. The \"contradiction solution theory\" and \"field model\" are used to carry out an innovative design for the guide rope wheel device， so as to improve its utilization rate and reducing wear. The stress and deformation of the innovatively designed guide rope pulley are analyzed and verified by using ANSYS software. The results show that the redesigned guide rope wheel device of endless rope winch can move in the axial direction， increase the working combination area， effectively reduce the wear of wire rope and rope supporting pulley， prolong the service life and improve the utilization rate. Under production conditions， the maximum stress is 173.69 MPa and the maximum strain is 0.56 mm， which meet the design requirements.

【Key words】" " "TRIZ; carrier rope wheel; innovative design

〔中圖分類號〕 TU312" " " " " " " " "〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）04 - 0020 - 06

DOI：10.20218/j.cnki.1674-3229.2024.04.003

0" " "引言

對于煤礦井下遠距離運輸，多采用無極繩絞車輔助運輸，無極繩絞車適用于長距離、大傾角多變坡、大噸位工況條件下的設(shè)備與物料運輸［1］。以淮南某礦區(qū)為例，無極繩運輸單行程達3 km左右，最長直線段可達約1 km。因運輸距離長，鋼絲繩支撐距離大，運輸中鋼絲繩由于自重會與地面、道軌等出現(xiàn)摩擦。針對以上問題，煤礦多采用托繩輪支撐鋼絲繩，防止鋼絲繩與地面、道軌磨損。托繩輪一般采用直接固定在地上和托繩輪結(jié)構(gòu)組件支撐兩種方式，煤礦井下多使用無極繩絞車托繩輪結(jié)構(gòu)組件支撐鋼絲繩，托繩輪組件采用雙輪，可各自承載單向鋼絲繩運動。托繩輪組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

絞車運行中，托繩輪與鋼絲繩間摩擦磨損會導致鋼絲繩斷絲，鋼絲繩與托繩輪側(cè)擋磨損會損壞托繩輪組件。鋼絲繩與托繩輪摩擦工作，存在單一繩跡磨損、托繩輪使用不充分、利用率低等問題，導致生產(chǎn)成本高。對于上述鋼絲繩磨損斷絲情況，生產(chǎn)企業(yè)主要采用耐磨蝕聚氨酯復合材料托繩輪降低強度，減少鋼絲繩磨損，增加鋼絲繩壽命。對于單一繩跡磨損、托繩輪利用率低的問題，在生產(chǎn)維護中，采用托繩輪軸向調(diào)轉(zhuǎn)180°和多位置托繩輪互換增加托繩輪繩跡磨損數(shù)，但利用率仍然較低，生產(chǎn)成本仍高。對于鋼絲繩磨損側(cè)擋問題通過更換托繩輪，沒有解決本質(zhì)問題。

因此，本文通過發(fā)明問題求解理論（TRIZ），以期從根本解決以上問題。發(fā)明問題求解理論（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）是前蘇聯(lián)著名發(fā)明家Altshuller領(lǐng)導的研究機構(gòu)在分析了全世界近250萬件高水平專利的基礎(chǔ)上，綜合多學科領(lǐng)域的原理后提出的一套理論方法體系［2-3］，TRIZ理論可有效、快速分析技術(shù)問題，找到問題本質(zhì)或沖突［4-6］。采用TRIZ理論，可獲得多種解決方案，并找到最優(yōu)方案［7-9］，解決托繩輪單一磨損及使用率低下的問題。

1" " "基于TRIZ的托繩輪組件問題模型

1.1" "當前技術(shù)問題

無極繩絞車托繩輪結(jié)構(gòu)在承載鋼絲繩工作中，托繩輪通過軸支撐固定在托繩輪架上，托繩輪架焊接在支撐框架上，支撐架整體通過螺栓壓緊墊片與鋼軌產(chǎn)生的摩擦力固定在鋼軌工字鋼上，支撐架位置固定，無法移動，因此，鋼絲繩與托繩輪摩擦位置固定，托繩輪單一繩跡磨損，導致輪面與托繩輪使用率低。

1.2" "基于“九屏幕法”分析托繩輪組件

九屏幕分析法是TRIZ理論中的創(chuàng)新思維五大方法之一［10-11］，是系統(tǒng)思維的一種方法，它是把問題當成一個系統(tǒng)來研究，關(guān)注系統(tǒng)的整體性、層級性、目的性。關(guān)注系統(tǒng)的動態(tài)性、關(guān)聯(lián)性，即各要素之間的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用時間和系統(tǒng)兩個維度對無極繩托繩輪組件進行系統(tǒng)思考和分析［12］，九屏幕系統(tǒng)分析如圖2所示。以固定無極繩托繩輪組件為當前系統(tǒng)，對固定無極繩托繩輪組件進行九屏幕方法分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)托繩輪組件系統(tǒng)無法軸向移動，從而出現(xiàn)托繩輪繩跡磨損單一，整體使用率低、壽命短。

通過圖2可知，采用可移動無極繩絞車托繩輪組件替代固定無極繩絞車托繩輪組件，可增加使用壽命，提高托繩輪利用率。

1.3" "基于功能組件分析托繩輪組件

以俄羅斯系統(tǒng)工程師索伯列夫為代表的TRIZ研究者基于價值工程的功能分析方法，提出了基于組件的功能分析方法，實現(xiàn)了對已有技術(shù)系統(tǒng)的功能建模。通過對已有技術(shù)系統(tǒng)進行分析，得到正常功能、不足功能、過剩功能和有害功能，以幫助工程師更詳細地理解技術(shù)系統(tǒng)中部件之間的相互作用。其目的是優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)功能，簡化技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進行較少的改變就能解決技術(shù)系統(tǒng)的問題，并最終實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)理想度的提升。以組件的功能分析作為TRIZ識別問題與分析問題的功能引入，極大地豐富了TRIZ的知識體系［13］。

依據(jù)TRIZ功能分析方法，對固定托繩輪構(gòu)成組件進行詳細劃分，可分為托繩輪、軸、托繩輪架、支撐框架、螺栓、螺母、彈簧墊圈、壓片等構(gòu)件。根據(jù)實物存在問題與各構(gòu)件關(guān)系，對部件進行系統(tǒng)組件關(guān)系矩陣分析，理清各部件間相互作用，建立系統(tǒng)組件網(wǎng)絡(luò)功能模型，如圖3所示。

依據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組件功能模型，分析技術(shù)系統(tǒng)中各組件間關(guān)系，得到各組件間功能關(guān)系，如圖4所示。

根據(jù)系統(tǒng)功能模型，簡化系統(tǒng)模型，優(yōu)化改進技術(shù)系統(tǒng)功能，以解決無極繩托繩輪組件技術(shù)系統(tǒng)問題，最終提高技術(shù)系統(tǒng)理想度，可以通過系統(tǒng)裁剪來實現(xiàn)［14］。原結(jié)構(gòu)固定通過螺栓、螺母、彈簧墊圈將壓力傳導至壓片，固定在鋼軌下板上下表面，安裝更換托繩輪組件時固定四角壓片復雜困難，需多人合作安裝，效率低下。因此，彈簧墊圈、螺母、壓片、托繩輪架組件可進行裁剪。裁剪后托繩輪組件的固定通過將螺栓改為可伸縮螺桿壓緊在鋼軌側(cè)面，并改進支撐框架結(jié)構(gòu)，使軸直接由支撐框架支撐，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，一人便可安裝、更換，裁剪后系統(tǒng)組件功能模型如圖5所示。

1.4" "基于“因果分析法”分析托繩輪組件

因果分析法是TRIZ理論中一種常用的分析問題方法，是研究事物發(fā)展的結(jié)果與產(chǎn)生原因之間的關(guān)系，并對影響結(jié)果的因素進行分析的方法［13］。采用因果分析法分析問題，可通過因果鏈找出事件發(fā)生原因和產(chǎn)生結(jié)果之間的關(guān)系［15］。

無極繩托繩輪組件可分為托繩輪、軸、托繩輪架、支撐框架等主要結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖1存在問題進行因果分析，分析結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6因果分析，得出無極繩托繩輪組件主要存在以下問題：（1）缺乏可移動結(jié)構(gòu)；（2）支撐框架寬度、軌道寬度限制支撐框架長度；（3）托繩輪與鋼絲繩接觸為線接觸，接觸面小。

2" " "應(yīng)用TRIZ理論解決問題

2.1" "基于“矛盾解決原理”進行無極繩托繩輪組件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

矛盾解決原理為TRIZ理論工具解決問題方法之一。矛盾理論主要有管理矛盾、技術(shù)矛盾、物理矛盾3種，對于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計主要是后兩種矛盾。技術(shù)矛盾在解決方案中會出現(xiàn)一個參數(shù)得到優(yōu)化，而另一個參數(shù)被惡化。物理矛盾主要集中在系統(tǒng)同一物理參數(shù)會出現(xiàn)矛盾化，既會出現(xiàn)有益功能，也會出現(xiàn)有害功能［16］。

原有托繩輪組件如圖1中所示，在運行中，托繩輪支撐鋼絲繩，隨鋼絲繩線性運動而滾動，托繩輪受到壓力和摩擦力，鋼絲繩同托繩輪呈線接觸，加劇托繩輪磨損，從而造成托繩輪壽命較短，使用率較低。托繩輪通過軸固定在托繩輪架上，托繩輪架焊接在支撐框架上，托繩輪架上承載雙向兩個輪子，托繩輪在寬度和長度方向皆不能移動，從而托繩輪與鋼絲繩單一繩跡磨損，不能多位置支撐，適用性差、使用率低。

根據(jù)以上分析，需要增加托繩輪與鋼絲繩的接觸面積，從而增加結(jié)構(gòu)的復雜性。對于單一繩跡磨損，需要增加托繩輪適應(yīng)性，能夠軸向長度充分磨損，但現(xiàn)有尺寸情況限制托繩輪適用性、通用性。結(jié)合因果分析鏈得出根本原因，將上述技術(shù)矛盾沖突總結(jié)為：運動物體的面積同設(shè)備復雜性之間的矛盾沖突，適用性、通用性與靜止物體尺寸之間的矛盾。

根據(jù)矩陣對應(yīng)參數(shù)和原理，結(jié)合托繩輪組件具體情況，選取合適、有價值原理如下：14 曲面化原理、01 分割原理；35 改變特征原理（物理或化學參數(shù)改變）。查找Altshuller矛盾矩陣表，確立本系統(tǒng)子矩陣，如表1所示。

依據(jù)表1矛盾矩陣表，做出以下具體方案：（1）設(shè)計托繩輪圓柱滾筒為圓弧曲面滾筒；（2）將托繩輪軸向長度分離為多個繩道滾筒；（3）設(shè)計優(yōu)化支撐框架、托繩輪架結(jié)構(gòu)。

2.2" "基于“物-場模型”進行托繩輪組件創(chuàng)新設(shè)計

在TRIZ理論中，采用兩種物質(zhì)和一種場的方式來表達技術(shù)系統(tǒng)中相互作用和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的符號模型稱為物質(zhì)-場模型。物質(zhì)和物質(zhì)間通過場相互作用，場是產(chǎn)生作用的一種能量，兩個物質(zhì)（S）和一個場（F）就可組成最小的物場模型［17］，結(jié)合托繩輪組件物場分析模型，得到相應(yīng)創(chuàng)新方法。

依據(jù)因果鏈分析，若增加托繩輪軸線方向長度，可增加托繩輪使用率，但過長會干涉反向運動鋼絲繩，因此形成一對物理矛盾，可通過引入移動機構(gòu)來解決，因此建立鋼絲繩托繩輪物-場模型如圖7所示。增加移動機構(gòu)，可以使托繩輪移動，在軸線方向移動，增加托繩輪使用率。

2.3" "托繩輪組件結(jié)構(gòu)方案總結(jié)

綜合九屏幕法、系統(tǒng)功能裁剪、技術(shù)矛盾分析、物場模型等分析結(jié)果，共得出8種方案，對各方案經(jīng)濟性、技術(shù)可行性、穩(wěn)定性及實施可能性分析如表2所示。

綜合分析，淘汰方案4和方案6，最終選取方案1、方案2、方案3、方案5、方案7、方案8共計6種可行改進方案。

根據(jù)可行改進方案，設(shè)計改進無極繩托繩輪裝置如圖8所示，將兩組托繩輪從托繩輪架分離，將軸加長，直接支撐在支撐框架上。托繩輪由原整體托繩輪分離為寬度略大于繩直徑寬度的多個托繩輪，且都可在軸線移動，單向鋼絲繩可由單個或一對托繩輪共同承擔，使每個托繩輪都得到充分使用。輪面設(shè)計為曲面，增加鋼絲繩與輪摩擦面接觸面積，減輕磨損，提高使用壽命，原托繩輪通過螺栓、螺母、錐形墊片固定在鋼軌底面，優(yōu)化通過腳杯螺栓結(jié)構(gòu)聯(lián)接壓緊產(chǎn)生摩擦力支撐，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。

3" " "優(yōu)化設(shè)計托繩輪組件理論計算與仿真

3.1" "軸理論應(yīng)力計算

無極繩絞車鋼絲繩和拖繩輪重量由軸支撐，軸的安全性決定拖繩輪組件安全性，需要達到強度要求。設(shè)計選取軸直徑為18 mm，材料為45號調(diào)質(zhì)鋼，許用彎曲應(yīng)力為［σ］=410 MPa，長為700 mm，軸兩端固定支撐。

依據(jù)淮南某礦無極繩絞車使用鋼絲繩直徑為22.5 mm，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》查表，鋼絲直徑：1.4 mm，參考重力：1658 N/100 m，依據(jù)設(shè)計三維模型，繩輪與軸承總重量為174 N。

基于煤礦生產(chǎn)實際使用中，約每10 m放置一個拖繩輪組件，考慮巷道坡度問題，為確保安全，將拖繩輪兩側(cè)共20 m皆考慮施加于單輪上，由單軸承擔，根據(jù)應(yīng)力、撓度最大化最壞情況驗算，將力施加于軸中間位置。由于拖繩輪滾動，摩擦力較小，對軸扭矩較小，因此忽略。

式中，G為重力；L為軸長度；M為彎矩；σ為彎曲應(yīng)力；W為抗彎截面系數(shù)；n為安全系數(shù)。

通過上述計算，軸彎曲強度最大值為154.6 MPa，小于許用彎曲強度，安全系數(shù)為2.65，符合要求。

3.2" "軸靜力學分析

對軸兩端施加全約束支撐［18］，施加重力，因桿件中間位置彎矩最大，考慮最極端情況，在軸中間位置施加鋼絲繩、繩輪等效重力505.6 N，進行靜力學分析，結(jié)果得出最大應(yīng)力為173.69 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.56 mm，軸等效應(yīng)力云圖和軸應(yīng)變云圖如圖9和圖10所示。結(jié)果同理論計算結(jié)果基本相同，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4" " "結(jié)論

本文通過TRIZ理論的九屏幕分析、因果分析、系統(tǒng)功能組件簡化分析、矛盾解決理論分析及物-場模型方法，總結(jié)出8種設(shè)計方案，經(jīng)評價分析，選出6種設(shè)計方案。綜合6種方案，設(shè)計改進了無極繩絞車托繩輪裝置，同改進前結(jié)構(gòu)相比，使用壽命大大延長，避免了更換托繩輪發(fā)生工傷事故的安全隱患，并且安裝方便、移動便捷。通過理論計算得出軸彎曲強度最大值為154.6 MPa，小于許用彎曲強度，安全系數(shù)為2.65；運用ANSYS workbench軟件對結(jié)構(gòu)進行了靜力學分析，結(jié)果顯示設(shè)計改進結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為173.69 MPa，變形0.56 mm，滿足使用要求。

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責任編輯" "曹秀利

［收稿日期］" "2024-01-24

［基金項目］" "礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室開放基金項目（ZKSYS202106）；國家創(chuàng)新方法工作專項（2018）

［作者簡介］" "劉國慶（1987- ），男，碩士，淮南師范學院機械與電氣工程學院講師 ，研究方向：研發(fā)與制造。