基于TRIZ 理论的带式输送机断带抓捕器的研究①

刘训涛， 王爱芳， 刘秀莲， 郝双双

(1.黑龙江科技学院 机械学院，黑龙江 哈尔滨150027;2.哈尔滨职业技术学院 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨150081)

0 引 言

带式输送机以它结构简单、运量范围大、运输物料品种多、基建费用低等优点，正成为散体物料的主要运输工具，广泛的应用于矿山、港口、电厂中，但是在带式输送机使用中，尤其大倾角、大运量运输中，经常发生断带事故，严重影响企业的生产甚至工人的生命安全.现阶段断带抓捕器结构有单向托辊式、偏心托辊式、制动靴式、楔块式、全带宽抓捕等多种形式.但是各种抓捕器都存在响应时间长，抓捕可靠性差、稳定性不高等问题，国内外至今也没有得到很好的解办法.因此如何设计高效断带保护装置，在输送带断裂后，准确检测到断裂信号，快速抓捕住断带，并有效防止二次断带的发生，已成为摆在矿山机械设计者面前的一项意义重大的科研课题［1～5］.

1 TRIZ 理论

TRIZ(萃智)是俄文ТРИЗ(теории решения изобретательских задач)的英文音译Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch 的缩写，其英文全称是Theory of the Solution of Inventive Problems(在欧美国家也可缩写为TIPS)，中文意思为:发明问题解决理论. 是由前苏联发明家根里奇. 阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在研究了世界各地250 万份高水平专利基础上于1946 年创立的.它利用创新的规律，使创新走出了盲目的、高成本的试错和灵光一现式的偶然.为企业节省的大量研发经费，缩短了企业研发产品周期，提高了企业的市场竞争力［6 ～10］.

本文将TRIZ 理论引入带式输送机断带抓捕器的设计，提出了基于TRIZ 理论的机械结构辅助设计方法.将结构设计分成六个阶段:问题的发现、工程问题的提取、标准问题的形成、TRIZ 解决方案求解、最终结构设计.如图1 所示.

图1 TRIZ 理论结构设计的六个阶段

开始设计时，设计者首先寻找技术系统中存在的技术问题，然后通过TRIZ 理论分析工具(九屏法、功能分析、S 进化曲线、小人法、金鱼法)中的一种或几种进行系统分析，分析系统子系统和超系统，查找可利用的资源，将工程问题转化成TRIZ理论标准问题，形成最终理想解，应用TRIZ 工具(矛盾矩阵、物理矛盾、物—场模型、76 个标准解、ARIZ 解决算法、40 个创新原理、效应、进化法则)进行方案求解，最后设计产品具体结构［12～13］.TRIZ 理论可以帮助设计者克服惯性思维，提供清晰解题思路.TRIZ 理论的解题过程如图2 所示.

图2 TRIZ 理论的解题过程

图3 抓捕器物质资源

2 TRIZ 理论在断带抓捕器设计中的应用

2.1 问题描述

由于载荷激增、疲劳破坏等原因经常发生带式输送机的输送带的横向断裂，但现有的抓捕装置响应时间长，性能不稳定，无法有效的实现断带保护.

图4 抓捕器物场模型

2.2 最终理想解

IFR-1:希望能够制造一种抓捕装置，自己完成断带信号检测，准确的完成断带抓捕，且结构简单，响应快，性能稳定.

IFR-2:输送带断带后能瞬间自我停下来.

2.3 断带抓捕器的S 进化曲线

抓捕器的结构设计现在正处于婴儿期到成长期的过渡，现在人们开始重视抓捕器的设计，也出现了一定的专利，但是仍然没有稳定的被广泛接受的经典结构.因此系统内部的资源仍然没有利用完全.

2.4 断带抓捕器的九屏幕法

2.5 资源分析

抓捕器的现成的物质资源有:机架、输送带、物料.场资源:重力场.派生的信息资源:带的张力.

2.6 矛盾的建立

现阶段的抓捕器多数响应时间长，稳定性差，将其转化成TRIZ 理论标准问题为:改善的参数是动物的时间、测量的精度、可靠性，恶化的参数是系统的可靠性、设备复杂性和检测的复杂性，抓捕器的矛盾矩阵如表1 所示.

根据带式输送机工作实际工况，拟选用::1 号分割原理、5 号组合原理、10 号预先作用、11 号预先防范、15 号动态化原理.具体的原理内容如表2所示.

表1 抓捕器的矛盾矩阵表

表2 选用的创新原理

图5 双弹簧全断面抓捕器的结构示意图

2.7 物—场模型

现阶段的楔块式抓捕器，多数通过单向托辊作为断带信号检测装置，以楔块结构实现断带的抓捕，经常发生抓捕反应时间长，抓捕力太小无法抓住断带，或者抓捕力过大发生输送带二次断裂现象.现有的抓捕器物—场模型属于效应不足的完整物场模型，如图4 所示.为了改变这种情况，建立一个附加场，采用双弹簧结构.

2.8 双弹簧全断面抓捕器的结构设计

利用分割、组合原理设计了弹簧全断面抓捕器，全断面抓捕器由内、外抓捕机构和上面的弧形抓捕板组成，如图5 所示. 内抓捕机构由弧形托辊组、支撑连杆、内弹簧、外弹簧开启滚轮组成.利用TRIZ 预先作用原理提高抓捕机构的响应时间，内抓捕机构的弧形托辊组始终与输送带相接，弹簧力通过弧形托辊组直接施加给由拉紧装置拉紧的输送带上.外抓捕机构由外弹簧、外弹簧锁紧机构、外弹簧锁紧杠杆、外弹簧执行滚轮组成.

当输送带正常工作时，输送带在拉紧力的作用下，输送带绷紧，弧形托辊在内弹簧力作用下与输送带相接触.当输送带断裂后，输送带张力为零，弧形托辊组在内弹簧作用下向上运动，将断带压紧在上面的抓捕板上，实现一级制动.同时，向上运动的弧形托辊组带动弧形托辊杆向上运动，弧形托辊杆下的外弹簧开启滚轮随之向上运动.

为了防止出现二次断带，采用预先防范原理和动态化原理，设计外弹簧抓捕机构，外弹簧锁紧机构正常工作时由锁紧弹簧锁紧，外弹簧与弧形托辊组不接触，亦不参与一级制动.当出现断带时，弧形托辊杆下外弹簧开启滚轮压动外锁紧弹簧执行滚轮，带动外弹簧锁紧机构绕转轴逆时针转动，开启外弹簧，外弹簧压在弧形托辊架上，与内弹簧一起对断带施加抓捕力，实现二次抓捕.

3 结 论

通过TRIZ 理论工具的使用，设计了双弹簧全断面抓捕器，通过内弹簧实时监测断带信息，完成一级抓捕，提高了抓捕器动作的准确性，缩短了抓捕响应时间.设计了外弹簧抓捕机构，减少了二次断带事故的发生，提高了抓捕的可靠性，很好的完成断带抓捕任务.

［1］ 刘训涛.带式输送机断带过程分析与抓捕器的研究［D］. 阜新:辽宁工程技术大学，2005，12 -23.

［2］ 王雷，杨建奎.带式输送机用断带保护装置的研究现状［J］.煤矿机械，2009，(10):118 -119.

［3］ 张晓永.带式输送机断带与捕捉系统的研究设计［D］.泰安:山东科技大学，2011，(5):8 -21.

［4］ 沈国才，王霄梅.断带抓捕器选用计算［J］.煤矿机械，2008，(12):11 -12.

［5］ 郑世增.带式输送机断带抓捕问题的研究［D］.泰安:山东科技大学，2011，5 -31.

［6］ 刘训涛，曹贺，陈国晶. TRIZ 理论及应用［M］.北京:北京大学出版社，2011，5 -31.

［7］ 张鹏，檀润华.TRIZ 辅助功能周期确立方法［J］.机械工程学报，2012，48(11):78 -84.

［8］ 吕桂志.应用TRIZ 理论对钢丝绳电动葫芦导绳器的改进设计［J］.工程设计学报，2012，19(1):71 -73.

［9］ 赵昊昱，蒋涛，李英利，等.基于TRIZ 进化树的滚筒洗衣机柔顺剂供给装置创新设计［J］.工程设计学报，2012，19(1):75-77.

［10］ 刘训涛，吴卫东，李阳星.高速带式输送机调偏装置的设计［J］.黑龙江科技学院学报，2008，(1):5 -8.

［11］ 刘训涛，吴卫东，张岩，等.基于TRIZ 理论的托辊密封的研究［J］.矿山机械，2009，(13):62 -64.

［12］ 曹贺，刘训涛，陈国晶. 基于TRIZ 的传动带结构进化研究［J］.机械科学与技术，2011，(3):415 -417.

［13］ 陈国晶，曹贺，刘训涛.TRIZ 理论在重力选风量调节装置改进设计中的应用［J］.农业装备技术，2010，(2).