基于功能设计的轨道运输车的开发

刘宏勋， 霍孟显

（河北丰维机械制造有限公司，河北邢台 054500）

0 引言

铸造车间环境恶劣，同时存在的诸多不安全因素，可能导致多种危害，需要从管理和技术方面采取措施，减少职业危害。尤其是应当提高自动化水平，减少操作人员。我公司在冶炼车间和浇注车间之间的浇包传统运输方式是以吊车运输和叉车搬运为主，叉车操作人员离浇包较近，可能被飞溅的铁水烫伤，危险性较高。公司在2015年度展开的技改项目中，对浇包的运输方式进行改造，以提高车间安全生产水平，提高工人的安全保障，并保证生产效率。公司立项设计开发载重10 t的轨道运输车，以代替运输叉车在浇包运输中的使用。

1 概念设计

概念设计是产品设计的前端。概念设计的主要任务是根据设计任务提出的产品需求，通过抽象化设计产品的功能结构，再具体化，找到恰当的作用原理并适当地组合，获得原理层次上的产品求解。

20世纪70年代，德国柏林工业大学的Pahl和Beitz教授提出的系统化设计思想[1]，认为产品设计是一个系统的连续具体化过程。在产品的开发和设计实践中，从抽象的设计要求出发，不断地具体化，物化，最终完成设计。日本东京大学吉川弘之等人提出了以元模型为核心的通用设计理论[2]。以上提到的概念设计理论或者提出了概念设计的操作规范，或者提出了概念设计认知规律，给产品设计者提供概念设计理论指导。

2 效 应

效应是TRIZ中一种基于知识的解决问题的工具。对于一个工程问题或者产品设计，运用物理、化学和几何效应可以获得更多解决方案，从中选择较理想和简单的方案。效应通常使用定律描述，定律通常揭示了科学规律中有关的量之间的定量或定性关系[3]。效应依据客观规律实现了输入量向输出量的转化，从而能够实现相应的功能。

效应是发明问题解决理论中一种基于知识的工具。TRIZ中效应知识库中效应的主要信息源是专利[4]。效应从本质上解释了实现功能的科学依据[5]，在功能求解中利用效应能够方便地找到有效的原理解，效应的应用是从原理层次上对产品功能的求解和创新，有利于新原理的采用。

3 功能设计

功能设计是主要在功能、原理层面上对产品进行描述。其基本思想是基于功能对产品进行具体化求解。功能设计的基本任务是用功能描述产品，并通过功能获得产品的原理解与初步的结构解。其基本过程是：设计人员根据用户需求抽象出产品的总功能，并将总功能分解为分功能及功能元，并且绘制由功能与能量、物料、信号三种流组成的网络结构即可得到待设计产品的功能结构，这就获得了功能层次上的产品求解；接下来确定实现每个功能元的原理解，并将所有功能元的原理解组合得到待设计产品的原理解，这就获得了产品在原理上的求解和初步结构信息[6]。

为了利于使用功能结构进行交流，功能结构的绘制应当使用一套统一的标准的符号。目前比较流行的符号如图1所示。

图1 功能结构符号

4 轨道运输车的概念设计

轨道运输车是为了实现平稳地将高温铁水从熔炼车间运输到浇注车间。

4.1 第1阶段:用户需求分析

目前，浇包的运输是工人操作叉车运输，这样工人距离高温铁水很近，对工人的人身安全构成威胁。这次技改项目要求在运输过程中减少工人操作，或者让工人尽可能远离高温铁水。

4.2 第2阶段:轨道运输车功能设计

1）功能分解。抽象：确定轨道运输车总功能。依据技改要求确定轨道运输车的总功能是在粉尘严重的环境里平稳地运输高温铁水，见图2。对运输高温铁水功能进行分解。车间内高温铁水盛放在浇包内，因此运输高温铁水实际上是运输高温浇包，在效应知识库中搜索实现移动固体功能的效应，遵循面向原理的可持续性设计准则评价效应集，选择摩擦。摩擦现象的输出流是运动的浇包，没有副作用。进行输入流分析，摩擦力和运动。先分析产生摩擦力必然同时出现和高温铁水接触的副作用，那么需要解决隔离高温物体功能，在效应知识库中搜索实现传递能量功能的效应，隔离高温是传递能量的反向动作，因为高温是热能，故只展示传递热能的效应，遵循面向原理的可持续性设计准则评价效应集，选择对流效应，其相反动作是阻断对流，选择耐火隔热材料可以实现。

图2 轨道运输车功能模型图

图3 实现轨道运输车总功能的功能结构

运动需要增加产生运动功能，在效应知识库中搜索实现把电能转化为机械能的效应，在这里选择电动效应。电动效应的输出流是运动，没有副作用。继续进行输入流分析：输入流有电能和控制信号，控制信号来源于运动速度。需要增加检测速度，并转变成电信号的操作。在效应知识库搜索实现的效应，遵循面向原理的可持续性设计准则评价效应集，选择光电效应。采用光电效应的测速传感器可以从超系统中获得。

至此总功能分解完毕，功能元的输入流可以从可用资源获得，并且输出流具有可持续性。确定分功能及功能元，并按功能关系绘制功能结构,优化功能结构。功能结构如图3所示。

2）功能求解。隔离高温功能采用的效应是对流效应的反向动作。实现中采用耐火砖，这种材料已经标准化，只需选择砖型号。产生运动功能采用的效应是电动效应。实现电动效应的结构已经标准化。需要根据载重计算，选择电动机。移动浇包功能采用的效应是摩擦，没有标准件，利用浇包重力与耐火砖产生的摩擦力。检测速度采用的效应是光电效应，实现这种效应的结构测速传感器已经标准化，并且能够输出电信号控制电动机产生运动。只需要根据传感器性能选择。

至此，功能元已经全部求解。需要对相邻结构进行连续性判断。对于实现产生运动功能的电动机和移动浇包功能的运动，电动机输出的是转动，移动浇包的运动时是平动，运动形式不同，需要给运输车增加车轮，把移动浇包功能的输入变成转动，但是电动机速度较大，不能直接传给车轮，应当增加变速结构，实现结构上的连续性。

现在可以布置部件和确定连接方式。任务要求是在粉尘严重环境下平稳地运输浇包，因此将电动机和变速结构、传动结构布置在车体内部，并封闭起来，同时采用车盖和车身组合结构方便维护。将耐火砖布置在轨道运输车上面和浇包接触。

5 轨道运输车的结构设计

1）功率计算。载重10 t，设计能力12 t，自重按1 t，总重13 t，匀速运动速度10 m/min=1/6 m/s。匀速运动功率为P=G·f·υ=13000×9.8×0.15÷6=3.185 kW。电动机选用功率为5.5 kW，4级的直流永磁无刷电动机。

2）工字钢选型。根据车体总高900 mm及承载能力，车盖选用20号工字钢，车身选用25号工字钢。

3）车轮直径确定。根据技改任务确定的车速10 m/min，初步选定的电动机输出转速，确定车轮直径290 mm。

4）传动设计及减速机链传动选型。根据车速，计算驱动轴转速n2=（60×υ）÷（0.14×2×π）=（60×1÷6）÷（0.14×2×3.14）=11.3739 r/min，减速比i=n1÷n2=1500÷12=125。拟定减速机速比71，经比较选用直联式摆线针减速机BWD2-71。链传动速比1.3，经计算采用12A传动链，节距p=19.05 mm。

5）驱动轴设计。计算转矩T=9550×5.5÷12=4377 N·m，d≥（5×T÷τ）×1/3=85 mm。确定驱动轴、从动轴结构及轴距，依据轨距确定轮距为1110 mm。

车身采用上下结构，方便动力装置的维护、维修。车盖采用20号工字钢支承20 cm厚钢板承载，承载面1240 mm×1710 mm，钢板上铺设黏土质耐火砖，直形砖，T2型号。承载钢板四角布置4根方管支承，中间两侧分别布置2根定位方管。车盖结构见图4（a）。车身采用两轴承载，前轴驱动，后轴从动，轴距1120 mm。四周采用20 cm厚钢板承载及安装轴承，两轴均通过布置一组两件UC9321型带座球轴承固定到承载钢板上，底部采用厚10 cm的钢板承载减速机、电动机及电瓶等部件。车轮直径290 mm，采用40M材质铸件，具有较好耐磨性和吸振性能。车轮与轴通过键连接，轴采用45钢材质。随车控制柜布置在后侧，见图4（b）。

采用护板将车体封闭起来，以免将电动机、减速机及传动机构等暴露在粉尘严重的车间环境中，见图5（a）。运输车投入车间使用实物图见图5（b）。

图4 车体结构图

图5 车身效果及实物图

6 结语

概念设计决定了产品的功能、原理以及初步的结构。效应的应用有利于高级别创新的产生。本设计遵循功能设计流程，进行了运输高温铁水的轨道运输车的设计，并将轨道运输车投入生产使用，既提高了浇包运输效率，又使工人远离高温铁水，提高了车间安全生产等级。使用效果证明了此次技改中开发的轨道运输车，采用直流电动机驱动，既减少了工人近距离接近高温铁水的危险，又无电缆随行困扰，技改效果明显。验证了在产品设计过程中遵循功能设计流程展开，并利用效应知识能够高效地进行产品设计。

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