基于TRIZ 理论的双锚索下料机行程控制器设计

王成军，李龙，蒋远远

（1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 矿业工程博士后流动站，安徽 淮南 232001）

0 引言

锚索因具其柔性高、承载能力大、运输方便和早期承载高等优点，已成为煤矿巷道支护所采用的主要方式，因此在煤矿生产中锚索的使用量非常大［1］。不同工作条件经常需要不同长度的锚索，而锚索出厂时都是整捆包装，因此需要根据实际需求尺寸对锚索进行切割下料，但是在切割锚索过程中，拖拉锚索、切割锚索等环节都用人工实现，工作效率低，且时常发生锚索弹出伤人或切割片碎裂崩伤人的事故。矿用锚索下料机的出现有效解决了这些问题，提高了工作效率和人身安全。但现有的锚索自动下料机大多是单根下料，其行程控制器往往也是解决单根锚索的尺寸控制，对于双锚索下料机行程的控制现在还没有有效、可行的解决办法。

本文根据TRIZ 发明理论，对现有的单锚索下料机行程控制器进行了结构分析，并设计了一种新的适用于双锚索下料机行程控制器。

1 TRIZ 理论只要内容及研究方法

TRIZ（Theoryof Inventive Problem Solving）理论是“发明问题的解决理论”，由前苏联发明家阿奇舒勒在1946年领导创立的，前苏联集中了大量的人力、财力、物力，分析了全世界250 万份高质量的发明专利，总结出来的发明问题解决理论［2-3］。TRIZ 理论的核心内容包含：技术系统演变8 个模式、39 个 通 用工程参数、40条发明原理、冲突解决矩阵、物理矛盾分离原理、物产分析法及76 个标准解、发明问题解决算法（ARIZ）以及工程知识库等，其发明解决过程模型如图1 所示。

图1 基于TRIZ 理论的发明问题解决问题模型

2 基于TRIZ 理论的双锚索下料机行程开关的设计

2.1 问题分析

单锚索下料机行程控制器主要组成为推杆、行程开关、复位弹簧以及相关的连接机构，如图2 所示。

图2 单锚索下料机行程控制器

推杆放置于矿用工字钢一侧内腔，行程开关固定在矿用工字钢上方，通过铰链与推杆连接，复位弹簧一端与矿用工字钢固连，另一端固连在推杆上，当加工的锚索抵触推杆时，推杆滑动带动行程开关、复位弹簧一起运动，到达预定位置，行程开关给出电位，整机停转，即得到需要的长度；卸料后由于复位弹簧作用，行程控制器回到初始状态。该方法对于单锚索下料机适用，若用于双锚索下料机则存在3 个方面的问题：1）因行程开关体积过大而无足够安装空间，进而导致整体结构大而臃肿，同时开放式的结构设计易锈蚀、不防尘；2）不能满足对双锚索下料机的行程控制需要；3）不能满足截取不同长度锚索的需求，即在最小的结构改变下功能的多样化。

2.2 建立问题模型

建立问题模型，即将现实问题转化为TRIZ 标准问题，要求将实际问题的描述转化为39 个通用工程参数中的2 项，然后确定工程参数之间的技术矛盾。

现有的单锚索下料机行程控制器，整体结构过大且结构过于臃肿，如果要适用于双锚索下料机体积必须减小，整体结构势必发生改变。需要改善的工程参数可定义为静止物体的体积，恶化的参数定义为形状，则可构建静止物体的体积与形状之间的技术矛盾。现有的行程控制只是对单根锚索行程控制，如果变成双锚索行程控制，同样要改变双锚索下料机行程控制器的结构，但会提高双锚索下料机行程控制器的适应性及通用性，相应可以定义为适应性及通用性与形状之间的技术矛盾。

对于双锚索下料机行程控制器，在设计时希望其可满足对不同长度锚索的控制，这就要求必须改变双锚索下料机行程控制器的长度，但会改变双锚索下料机行程控制器的结构，同样可以定义为静止物体的长度与形状之间的技术矛盾。

2.3 解决方案

根据分析得到的工程参数，通过查询TRIZ 技术矛盾的矛盾矩阵，找到2 个工程参数对应的方格，得到方格中推荐的发明原理，如表1 所示。

该矩阵表达了TRIZ 提示的改进原理，通过查找表1冲突矩阵交汇处所对应的原理，结合实际情况，拟采用编号1、7、15 所对应的发明原理，其创新思维方法如表2所示。

表1 双锚索下料机行程控制器的冲突矩阵

表2 冲突解决原理

创新原理应用技巧如下：1）1 号分割原理。将双锚索下料机行程控制器整体结构分割成几个独立的子系统来设计，这样可以优化各子系统的设计，减小双锚索下料机行程控制器体积，同时采用冗余设计减少设计难度。2）2号嵌套原理。尽量将整个产品嵌入到矿用工字钢尾部，同时将推杆贯穿复位弹簧之中，用以减少双锚索下料机行程控制器体积。3）15 号动态化原理。用滚轮或挡板使产品的各子系统相对移动，避免采用铰链连接，提高了产品的灵活性。

2.4 物理矛盾分析

当一个技术系统的工程参数具有相反的需求时，就出现了物理矛盾。本设计物理矛盾为希望满足截取不同长度锚索需求，即长与短的物理矛盾。针对这个问题，采用TRIZ 理论的物理冲突求解工具，通过分析，利用时间分离原理可以求解，就是在加工不同长度的锚索时，推杆的长度也可以随之相应变化，根据这个思路，将双锚索下料机行程控制器的推杆设计成伸缩式的。

2.5 物质-场分析

物质-场分析原理认为，所有的功能都可分解为两种物质及一种场，即一种功能由两种物质及一种场的三元件组成。产品是功能的一种实现，因此，可用物质-场分析产品的功能。

双锚索下料机行程控制器设计时有一个衍生危害，即当推杆长度变化过大时，由于重心的偏移会对支架产生严重的磨损，加快双锚索下料机行程控制器老化，同时也影响双锚索下料机行程控制器的工作效果。

针对这个问题，采用TRIZ 理论的物场分析方法求解：

1）确定物场模型元素：机械力（F）、推杆（S1）、支架（S2）。

2）建立物场模型：从上述元素分析中，元素齐全，只是产生了有害作用。建立如图3 所示的物场模型。

3）确定物场模型的一般解法。从一般解法表中查得，可以采用解法2、3 求解本题，这里主要应用一般解法2 来求解，即引入第三种物质S3来阻止有害作用，引入第三种物质——直线轴承（S3），其物场模型如图4 所示。

图3 支架支撑推杆的物场模型

图4 支架和直线轴承共同支撑推杆的物场模型

2.6 具体解决方案

通过对1 号、7 号和15 号创新原理以及物理矛盾、物质-场分析，以此为创新设计的思路，可得到最终的双锚索下料机行程控制器创新设计方案，如图5 所示。

将整个双锚索下料机行程控制器拆分成复位弹簧、导杆装置、支撑架和行程开关共4 部分。支撑架用来支撑双锚索下料机行程控制器其余部件，复位弹簧由原来的拉伸弹簧改为压缩弹簧，增加系统的稳定性，支撑架的横支板上面设有安装孔，可通过螺栓将双锚索下料机行程控制器安装于矿用工字钢的腰板上，行程开关与推杆之间采用滚轮与触板的设计，摒弃了原有的铰链设计，提高了产品的灵活性。整体结构采用冗余设计，降低了设计难度，结构简单，体积减小，适应于双锚索下料机行程控制。

图5 创新双锚索下料机行程控制器的结构设计

3 结语

针对现有的单锚索下料机行程控制器存在的结构松散，双锚索控制，不同长度锚索控制等问题，应用TRIZ 理论的通用工程参数定义技术矛盾，查询矛盾矩阵对应的创新原理，同时运用物理冲突求解工具、物质-场分析模型，结合实际情况，提出了双锚索下料机行程控制器的设计方案，该方案能够满足双锚索下料机对行程控制的需求，结构紧凑、简单，体积小，占用空间小，可按需求截取不同长度锚索。产品样机的试制证明该方案是可行可靠的。

［1］王成军，韩董董，李龙，等.防爆型矿用双锚索自动下料机：中国，201310606922.2［P］.2014-02-26.

［2］王成军，沈豫浙.应用创造学［M］.北京：北京大学出版社，2010.

［3］蒯苏苏，马履中TRIZ 理论机械创新设计工程训练教程［M］.北京：北京大学出版社，2011.

［4］陈凡.基于TRIZ 理论的液压剪结构创新设计［J］.煤矿机械，2012，33（1）：34-35.

［5］韩彦良.基于TRIZ 理论斗式提升机传动滚筒的创新设计［J］.煤炭机械，2012，33（1）：13-14.

［6］刘志峰，杨明，张雷.基于TRIZ 的可拆卸连接结构设计研究［J］.中国机械工程，2010，21（7）：852-859.

［7］冷崇杰，项辉字，闰晓玲.基于TRIZ 理论的产品结构创新设计［J］.制造业自动化，2010，32（8）：27-30.

［8］江帆，王一军，胡一丹.基于TRIZ 理论的机构创新设计实例分析［J］.广州大学学报：自然科学版，2013，2（1）：75-80.

［9］袁峰，丁泽新，朱俊.基于TRIZ 的传动片送料装置研究设计［J］.郑州大学学报：工学版，2012，11（6）：88-91.

［10］Savransky S D.Engineering of Creativity［M］.Boca Raton：CRC Press，2000.