基于物理矛盾分析的带式输送机托辊专利规避设计

王麒郦，李艳，刘富，张彦辉

（1.北京印刷学院2.数字化装备北京市重点实验室3.印刷装备北京市高校工程研究中心，北京市 102600 4.北京科技大学机械工程学院,北京市 100083）

绿色包装研究Green Packaging Research

基于物理矛盾分析的带式输送机托辊专利规避设计

王麒郦1,2,3，李艳1,2,3，刘富1,2,3，张彦辉4

（1.北京印刷学院2.数字化装备北京市重点实验室3.印刷装备北京市高校工程研究中心，北京市 102600 4.北京科技大学机械工程学院,北京市 100083）

本文提出一种基于物理矛盾分析的专利规避创新设计流程，通过专利检索获取要规避的目标专利，运用TRIZ工具对目标专利进行问题分析，通过分析物理矛盾得出初始设计方案，构建原始解的功能模型，辅助功能裁剪，得到最终结构设计方案，并进行专利侵权判定，最后用带式输送机托辊验证流程的可行性。

带式输送机；托辊；物理矛盾；裁剪；专利规避

1 引言

经济全球化的大趋势下，市场竞争日趋激烈，使得新产品的研发周期越来越短。企业为满足市场需求，必须缩短产品研发周期，抢占市场先机，因此企业必须找到一种新的方法来提升自身创造力。企业要提高核心竞争力，关键是要重视知识产权的创造与应用，重组技术创新和专利战略[1]。因此，通过专利规避设计突破国内外领先者设置的专利壁垒并形成自主知识产权，对于技术单薄，资金薄弱的中小型企业在研发创造的过程中尤为重要[2,3,4]。

带式输送机是一种输送松散物料的主要设备，因其具有输送能力大、投资费用相对较低等特点而被广泛应用于港口、码头和煤矿井下的物料输送[5]。带式输送机一般由机架、输送带、托辊、张紧装置以及传动装置组成。其中托辊是带式输送机中，分布最多，用量最广的组件。托辊承受着输送带以及所输送物品的全部重量，是带式输送机中最易发生故障、损坏消耗最多、存在噪音源最多的部件。本文提出一种基于TRIZ中物理矛盾分析的专利规避创新设计流程，并以带式输送机中的托辊为对象，验证该流程的可行性。

2 基于物理矛盾分析的专利规避设计

2.1 物理矛盾

物理矛盾是TRIZ理论中解决问题的模型。物理矛盾指的是同一个参数具有相反的并且合乎情理的需求。当对一个子系统具有相反的要求时，就出现了物理矛盾[6]。

2.2 专利规避

专利规避是以专利侵权的判定原则为依据，通过分析已有专利，使产品的技术方案借鉴现有的专利技术，但不落入其专利保护范围的研发活动，是一种为避免侵害某一专利之专利范围，所进行的一种可持续创新与设计的活动，同时也是一种创新新产品的设计、决策过程[7]。

2.3 专利侵权判定

专利侵权判定就是指判定被指控的产品或方法是否构成专利侵权。在规避的过程中主要遵循四个原则。第一：全面覆盖原则；第二：等同原则；第三：禁止反悔原则；第四：多余指定原则[7]。

2.4 专利规避流程

专利规避的具体流程如图1所示。

3 带式输送机托辊的专利规避设计

托辊是带式输送机中用量最大，更换频率最高的零部件，是影响输送机使用效果的关键部件之一。占整机重量的 30%～40%，占整机价格的 25%～30%[8]。托辊工作效率低下，直接引起整机的工作效率低。因此提高托辊的工作效率，对提高带式输送机的工作效率有着深刻的意义。目前带式输送机托辊所存在的主要问题有使用寿命短、旋转阻力大、重量大、噪音大等[9]。本文就托辊旋转阻力大这一问题，应用专利规避的方法对目标托辊专利进行分析，确定现有托辊技术难点与规避对象，通过TRIZ工具设计出新型的托辊结构。降低托辊运行过程中的旋转阻力，提高带式输送机的工作效率。

图1 专利规避流程

3.1 专利筛选

以“托辊”为关键词，检索国家知识产权局的专利库，检索专利类型为发明专利，共检索出有效的发明专利为137件。检索背景表见表1。

表1 专利检索背景表

表2 备选规避专利明细

用专利判定法则筛选搜索到的发明专利，最终筛选出备选规避专利有3个，见表2。

本文选择第1个专利进行专利规避设计。

3.2 问题分析

3.2.1 功能分析

功能分析是一个分析问题的工具，一种识别系统和超系统组件的功能、特点及其成本的分析工具。功能分析分为三步：组件分析、相互作用分析和功能建模[10]。

1）组件分析是指将系统和超系统加以区分，并分类列出来。现有托辊的内部结构如图2所示，其中包括外托辊、内托辊、轴承座、迷宫密封圈、端头压紧盖、弹性挡圈、主动密封圈、主动密封支座、轴承、托辊轴等组件组成。

从系统的功能入手，识别主要功能、系统和超系统，对托辊进行组件分析，见表3。

图2 托辊内部结构图

表3 托辊组件分析

2）相互作用分析是识别组件两两之间的相互作用，为以后的功能模型建立打下基础。托辊系统相互关系矩阵见表4。

3）建立功能模型是指识别组件之间的具体功能，并根据其执行功能的性能加以评估，最后形成功能模型图。托辊系统的功能模型如图3所示。

3.2.2 因果链分析

表4 托辊系统相互关系矩阵

带式输送机在运行过程中，主要出现的问题有，输送带跑偏、打滑，托辊旋转阻力大，驱动滚筒打滑，张紧装置失效，电动机功率分配不均衡，清扫装置失效等问题，本文针对托辊的旋转阻力大的问题展开研究。结合功能分析，建立的托辊旋转阻力大的因果链，如图4所示。

图3 托辊系统功能模型

图4 托辊系统因果链分析

同时拥有负面影响因素（-）与正面影响因素（+）的不利点即为物理矛盾[11]。由上述因果链分析可知，托辊系统存在两对物理矛盾，本文选择托辊的自重大这一物理矛盾进行解决。

4 物理矛盾分析

4.1 描述关键问题，写出物理矛盾

本文的核心问题是：托辊的自重大导致托辊运行过程中的惯性大，在运行过程中所受的冲击较大，旋转阻力就大，托辊就容易发生弯曲折断，噪音大，寿命缩短；而托辊自重小又会导致托辊的抗冲击能力和极限承载能力弱。这两个核心问题相互组成一个物理矛盾。物理矛盾分析见表5。

表5 物理矛盾分析

4.2 确定适用的分离原理

通过4.1的分析可以确定适用的分离原理是基于空间分离。

4.3 选择对应的发明原理

基于空间分离的发明原理一用共六个：发明原理1：分割；发明原理2：抽取；发明原理3：局部质量；发明原理4：非对称；发明原理5：嵌套；发明原理6：空间维数变化。本文中采用的原理是1号，分割[10]。

4.4 产生具体的解决方案

将托辊的支撑板分割成单个的支撑柱，使其离散化，使得托辊的自重大大减轻，既提高了托辊的抗冲击和极限承载能力，又有效的降低了托辊工作时的旋转阻力，成功解决矛盾。

5 裁剪

密封也是造成旋转阻力的主要原因，当自重减轻的时候，旋转阻力将得到有效的减轻，而相应的密封这个原因也得到了削弱，因此再运用裁剪来简化托辊的结构，实现创新设计。经裁剪后的功能模型如图5所示。

最终方案的结构模型如图6所示。

图5 最终方案功能模型

图6 最终方案结构模型

6 侵权判定

运用2.4的专利判定原则判断此规避设计是否成功。最终得出该设计符合规避设计的要求结果，不存在侵权现象，规避成功。

7 结论

本文通过TRIZ理论中分析问题的工具对目标专利的技术系统进行分析，确定目标专利中存在问题的根本原因，进而对可以改进的方面进行基于物理矛盾的规避设计，获得新型的规避方案。并将此方法应用于带式输送机托辊的规避设计中，成功的设计出新型的托辊装置，降低了托辊的旋转阻力，提高了托辊的工作效率。

[1]魏纪林,龙丹,魏芳,等.提升我国企业核心竞争力的专利战略初探[J].法学杂志,2005(4):47-49.

[2]江屏,罗平亚，孙建广,檀润华.基于功能裁剪的专利规避设计[J].机械工程学报,2012,48(11):46-54.

[3]王浩伦.基于TRIZ和专利规避设计的产品创新方法[J].组合机床与自动化加工技术.2014(5):66-68.

[4]成思源,王瑞,杨雪荣,赵荣丽.基于TRIZ的专利规避创新设计[J]包装工程, 2014 (22) :68-72.

[5]张战胜.带式输送机的现状与发展趋势[J],科技创新与应用.2013(27):124-124.

[6]赵新军.技术创新理论及应用[M]北京,化学工业出版社,2004,57-64.

[7]颜惠庚,杜存臣.技术创新方法实践-TRIZ训练与应用[M].北京:化学工业出版社,2013:321-328.

[8]刘广建,韩伟.非金属托辊的研究应用现状[J].煤矿机械,2013,34(09):214-215.

[9]刘振.带式输送机高速托辊的研究与应用分析[D].山东:山东科技大学,2011.

[10] 孙永伟.谢尔盖·伊克万科.TRIZ:打开创新之门的金钥匙Ⅰ[M].北京:科学出版社,2015:34-170.

[11]许栋梁, 侯俊亭.萃智系统化组件削剪手法及设备再设计创新[J],国际系统创新杂志.2012,2(1):2-21.

Patent Circumvention of Belt Conveyor Based on Physical Contradiction Analysis

WANG Qi-li, LI Yan, LIU Fu, ZHANG Yan-hui

In this paper, a patent based on physical contradiction analysis to avoid the innovative design process, through patent search to get to avoid the target patent, the use of TRIZ tools to target the problem of patent analysis, through the analysis of physical contradictions to obtain the initial design, model, auxiliary function trim, get the fnal structural design, and patent infringement decision, and fnally with the belt conveyor roller verifcation process feasibility.

belt conveyor; roller; physical contradiction; trimming; patent circumvention

TB486

A

1400 (2017) 08-0041-06

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.08.001

王麒郦（1991－），女（汉族），河南省周口市人，硕士在读，主要研究方向为印刷装备创新设计与仿真技术。

李艳（1965－），女（汉族），北京人，北京印刷学院机电工程学院教授，硕士生导师，现为数字化印刷装备北京市重点实验室暨印刷装备北京市高等学校工程研究中心副主任，主要研究方向为印刷装备创新设计与仿真技术。