基于TRIZ理论的圆盘剪刀盘滴油装置创新设计

贾海亮，景群平，冀俊杰，张康武，邓良丰，李建文，张宁国

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.武汉钢铁有限公司硅钢事业部，湖北 武汉 430083)

0 前言

切边圆盘剪是金属板带精整作业线(重卷、纵剪、拉矫、酸洗等机组)上的核心设备之一。用来将带钢两侧边不合格部分剪切掉，并保证整个带钢宽度一致，提高带钢的宽度精度。剪切时, 上下两个圆盘刀以相等于板带的运动速度做圆周运动, 形成一对无端点的剪刃，对带钢进行连续剪切。板带剪切过程是上下刀的刃口距离随着刀盘不断转动逐渐减小,中间的板带被刀片不断地切入, 使板带材料发生变形, 最终被完全切断的过程[1-4]。刀盘剪切钢板时会产生热量和铁屑，导致刀盘发热磨损，降低刀盘使用寿命，从而导致刀具损耗增加，换刀频繁，占用生产时间增加，生产成本提高。通常在圆盘剪上设置刀盘滴油装置，用来对刀盘进行润滑冷却清扫，提高剪切质量，延长刀盘使用寿命，降低生产成本。但在实际使用中，经常出现刀盘润滑冷却清扫效果不好，以致刀盘磨损加剧，因此，对圆盘剪刀盘滴油装置进行升级换代势在必行。

TRIZ 理论是在归纳总结了海量发明专利的基础上，提出的基于知识的、面向人的发明问题解决理论和系统化的方法学。由分析问题、解决问题和实现创新设计的各种方法及工具组成。将TRIZ 理论应用到产品创新设计过程中，有条理地、系统地指导产品的创新设计，能够大大缩短产品的设计周期，提高问题解决的效率[5-9]。本文基于TRIZ 理论对圆盘剪刀盘滴油装置进行了系统分析，找出装置的不足与缺陷之处，并对其进行了创新设计。

1 圆盘剪刀盘滴油装置问题分析

圆盘剪刀盘滴油装置通常设置在圆盘剪顶部，由油箱、管接头、开关球阀、流量调节球阀、钢管、软管和海绵布等组成，如图1所示。油箱通过支架固定在圆盘剪机架顶部，海绵布通过海绵布支架固定在圆盘剪机架侧面，海绵布设置在圆盘剪刀盘上部且与刀盘接触；油箱侧面设置有油标，油箱顶部设置有油箱盖；海绵布支架一侧加工环形槽，用细铁丝将海绵布固定在支架的环形槽处。

图1 圆盘剪刀盘滴油装置

油箱、开关球阀、管接头、钢管、流量调节球阀、软管、海绵布组成滴油系统；油箱设置在滴油装置的最高位，依靠重力的作用对圆盘剪刀盘进行滴油润滑冷却；管路中设置有开关球阀，当刀盘工作时，由操作工将开关球阀打开，开始滴油，当刀盘停止工作时，由操作工将开关球阀关闭，停止滴油；管路中设置有流量调节球阀，可以对滴油量进行调节；管路的末端设置有海绵布，海绵布与刀盘轻微接触，可使刀盘得到均匀的润滑油且将刀盘上的铁屑擦掉。

根据图1各组件之间的关系，建立刀盘滴油装置的功能模型，如图2所示。

结合圆盘剪刀盘滴油装置功能模型及实际使用中存在的问题，现有圆盘剪刀盘滴油装置存在以下3个方面的问题。(1)当圆盘剪工作时，经常出现操作工忘记打开开关球阀，滴油装置无法滴油，影响刀盘使用寿命；当圆盘剪停止工作时，操作工忘记关闭开关球阀，滴油装置继续滴油，造成油的浪费。因此开关球阀对润滑油的控制功能和操作工对开关球阀的控制功能属于不足功能。(2)海绵布与刀盘接触，刀盘旋转会导致海绵布磨损，海绵布磨损后无法将刀盘上的铁屑擦掉，也无法将润滑油均匀的刷到刀盘上，且海绵布磨损后更换不便，影响刀盘使用寿命。分析得出刀盘对海绵布的磨损属于有害功能，海绵布对刀盘的清扫和对润滑油的分散属于不足功能。(3)流量调节球阀用的是普通球阀，对润滑油调节不精确，属于不足功能。

图2 圆盘剪刀盘滴油装置功能模型

对圆盘剪刀盘滴油装置进行因果轴分析，得出圆盘剪刀盘滴油装置因果轴分析图，如图3所示。

图3 圆盘剪刀盘滴油装置因果轴分析

针对圆盘剪刀盘滴油装置中出现的问题，应用物质-场问题求解策略、冲突理论和裁剪法对问题进行求解。

2 圆盘剪刀盘滴油装置创新设计

2.1 开关球阀创新设计

针对问题1，开关球阀对润滑油的控制功能和操作工对开关球阀的控制功能不足，应用TRIZ理论的物质-场工具进行分析[10-11]，构建物质-场分析模型，如图4所示。其中, S2对S1的作用为不足作用，采用76个标准解中第2.2子类加强物场模型的启示进行求解，其中第2.2子类包含的标准解如表1所示。

S1-润滑油;S2-为开关球阀;F-机械场图4 物质-场分析模型

子类标准解S2 2加强物场模型S2 2 1使用更可控制的场S2 2 2增加物质的分割程度S2 2 3使用毛细管和多孔的物质S2 2 4使系统更加动态化S2 2 5使用异构场S2 2 6使用异构物质

根据标准解S 2.2.1 用更加容易控制的场代替原来不容易控制的场，或者叠加到不容易控制的场上的启示，将S′2电动马达叠加到S2开关球阀上，制成微型电动球阀，当刀盘工作时，微型电动球阀打开，开始滴油，当刀盘停止工作时，微型电动球阀关闭，停止滴油，微型电动球阀开闭靠电气程序控制，实现自动滴油。

2.2 海绵布创新设计

针对问题2，为提高润滑油对刀盘的润滑冷却效果，需要海绵布强度增大，以确保海绵布不容易磨损，长期给刀盘提供良好润滑并将铁屑清扫掉；但海绵布强度提高后，会导致加工制造困难，可制造性变差。因此，可将强度作为改善的参数，将可制造性作为恶化的参数，建立如表2所示的矛盾矩阵[12-13]。

表2 矛盾矩阵

根据矛盾矩阵可知，可能解决此问题的发明原理有：11事先防范原理；3局部质量原理；10预先作用原理；32颜色改变原理。对上述原理进行分析，可知运用发明原理10能解决此问题。

发明原理10预先作用原理：(1)预先对物体(全部或部分)施加必要的改变；(2)预先安置物体，使其在最方便的位置，开始发挥作用而不浪费运送的时间。具体到本次需要解决的问题中时，可预先将海绵布或高强度的棕榈毛的一端固定到螺纹接头上，同时在毛刷支架上加工螺纹接头，海绵布或棕榈毛可以和螺纹接头提前批量加工，提高其可制造性，如图5所示。

图5 毛刷

2.3 流量调节球阀创新设计

流量调节球阀用的是普通球阀，对润滑油调节不精确，可运用裁剪法解决[14-15]，如图6所示，其原理为：技术系统的新添组件可以完成组件A的功能。

图6 裁剪模型

具体到该问题中就是将系统中的普通球阀裁剪掉，用流量调节更精确的针阀代替，如图7所示。

图7 用针阀代替普通球阀

3 改进后的圆盘剪刀盘自动滴油装置

根据开关球阀、海绵布和流量调节球阀的创新设计对系统进行整体升级改进，改进后的圆盘剪刀盘自动滴油装置如图8所示，包括：油箱、微型电动球阀、管接头、钢管、管夹、针阀、快插接头、软管、毛刷、毛刷支架、油箱支架、油标、油箱盖和合页；油箱通过油箱支架固定在圆盘剪机架顶部，毛刷通过毛刷支架固定在圆盘剪机架侧面，毛刷设置在圆盘剪刀盘上部且刷毛与刀盘接触；油箱侧面设置有油标，油箱顶部设置有油箱盖，油箱盖与油箱之间通过合页连接；毛刷支架一侧加工外螺纹，用于与毛刷连接，另一侧加工内螺纹，用于与快插接头连接。

1.油箱 2.微型电动球阀 3.管接头 4.钢管 5.管夹 6.针阀 7.快插接头 8.软管 9.毛刷 10.毛刷支架 11.油箱支架 12.油标 13.油箱盖 14.合页 15.圆盘剪刀盘 16.圆盘剪机架图8 圆盘剪刀盘自动滴油装置

油箱、微型电动球阀、管接头、钢管、针阀、快插接头、软管、毛刷组成自动滴油系统；油箱设置在滴油装置的最高位，依靠重力的作用对圆盘剪刀盘进行滴油润滑冷却；管路中设置有微型电动球阀，实现自动滴油，当刀盘工作时，微型电动球阀打开，开始滴油，当刀盘停止工作时，微型电动球阀关闭，停止滴油，微型电动球阀开闭靠电气程序控制；管路中设置有针阀，可以对滴油量进行精确控制；管路的末端设置有毛刷，刷毛与刀盘轻微接触，可使刀盘得到均匀的润滑油，且接触面积大，润滑冷却清扫效果好。

该圆盘剪刀盘自动滴油装置已成功申请发明专利(ZL 201410193075.6)，且在实际生产中得到了很好的应用。

4 结论

利用TRIZ理论可以大大地加快人们创造发明的进程，进而能得到高质量的创新产品。应用此方法对圆盘剪刀盘滴油装置进行了功能分析和因果分析，找出模型中存在的问题，应用物质-场问题求解策略、冲突理论和裁剪法分别对开关球阀、海绵布和流量调节球阀进行创新设计，得到了圆盘剪刀盘自动滴油装置。该装置自动化程度高，滴油量控制精确，对切边圆盘剪刀盘的润滑冷却清扫效果好，且避免了润滑油的浪费。

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