基于TRIZ理论的高举位叉车设计

王天琪 王宝强 许圆强 于 玲

(黑龙江科技大学 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨，150022 )

0 引言

随着科技的进步和物流行业的发展，叉车应用场景越来越复杂，这对叉车的起升系统提出更高的要求。而土地资源的紧张，高架库的广泛应用，使得叉车高货位作业时对起升系统的结构刚度和承载能力的要求进一步提高。现有的叉车门架前置使重心偏前的问题，限制了叉车作业高度，并且高处作业时驾驶员的视野受限，作业不方便。所以急需一种能同比增加作业高度，又能使得驾驶员方便作业的高效叉车。

1 TRIZ理论

TRIZ理论是解决发明问题的理论，由前苏联发明家根里奇-阿奇舒勒在1946年创立，是研究了世界各地250万份高水平的专利整理和归纳出的一套以解决发明问题为主要目的的实用性理论和方法体系。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。

2 系统分析

TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决矛盾，未克服矛盾的设计不是创新设计，设计中不断发现并解决矛盾，是推动产品理想化的动力。

2.1 生命曲线

现在市场上比较成熟的叉车都是低位作业，而稳定性好，视野宽阔的高位作业叉车很少，仍有很多地方值得改进和创新，根据市场调研和专利数量查询，发现专利级别逐渐下降，专利数量正在上升，因此高位作业的叉车目前处于成熟期，将向着超系统和微观系统进化，生命曲线如图1所示。

图1 生命曲线

图2 功能模型

2.2 功能分析

对系统的组件及组件间的作用关系进行分析，发现内滚轮、内门架之间产生强度危害，建立功能模型如图2所示

图2 功能模型

系统分析后，可知内滚轮对内门架的有害作用，可对有害组件进行剪裁，如图3所示。

图3 剪裁后的模型

图4 因果链

运用剪裁法将原来的内滚轮剪裁掉，用耐磨导轨代替内滚轮，增加抗压能力，使得叉车在高位作业时，门架倾斜角度保持在合理范围内。

2.3 因果链

对于叉车视野小、高位作业易倾覆的问题进行因果链分析，如图4所示。通过因果链分析分析可知，导致叉车高位作业前倾的主要原因有起升系统重心不在车体的几何中心上、驱动桥受力变形。

3 运用TRIZ工具解决问题

3.1 小人法

3.1.1 存在的问题

叉车在叉举货物、高位作业时，容易前倾，造成事故，故建立问题小人模型如图5所示。

图5 问题小人模型

3.1.2 问题描述

叉车货叉(红色色小人)在叉起货物，沿着门架(黄色小人)向上托举的时候，因为配重块(蓝色小人)质量有限，所产生的拉力也有限，所以在托举的重物达到一定高度时，由于重力原因，会导致叉车不稳定，甚至向前翻倒。针对此问题，建立方案小人模型如图6所示。

图6 方案小人模型

3.1.3 技术方案

将叉车货叉连同多级门架一起移动到驾驶室的后侧，位于驾驶室与配重块之间，从而将叉车的起升系统后移。

3.2 技术矛盾

当前存在的问题叉车在高位作业时，容易发生前倾事故。而现在可以增加门架的厚度，来提高叉车的作业高度，但是会导致叉车整体质量会变大，因此列出技术矛盾如图7所示。

图7 技术矛盾

确定要解决的技术矛盾为 TC-(1)，它发生在门架强度与门架质量之间，发生在举升货物时。

问题模型——对应的39个通用工程参数：改善的参数：强度、力；恶化的参数：运动物体的质量。

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为：原理1分割(将一个物体分成相互独立的部分)；原理8质量补偿(通过另一个可以产生某种作用的物体去补偿第一个物体的质量)；原理40复合材料(由单一材料变为多种材料组合)；原理15动态化(将不动物体变为可动或使其子物体可动。以这些发明原理所，提出技术方案。

选取复合材料原理：利用高强度、轻质量的材料来代替原先的刚型门架，既能满足强度要求，又能减轻叉车门架质量，后移重心。

选取分割原理：利用可伸缩臂代替原来的固定长度的货叉架。解决门架后移货叉在叉取低位货物时驾驶室阻碍问题。

3.3 物理矛盾

定义物理矛盾参数：厚度。

门架应该厚度大点 ，以满足强度要求；

门架应该厚度小点，以满足质量要求。

采用空间分离原理所对应的创新原理7嵌套原理(使一个物体穿过另一个物体空腔) 提出技术方案：将二级门架变为多级门架，将普通货叉变为三向货叉。

4 最终方案

采用新型高强度轻质材料代替原先的刚型门架，减轻门架质量，二级门架变为三级门架，将门架的整体位置后移到驾驶室后边，达到将叉车整体重心后移的效果，用可伸缩臂代替原来的固定货叉架，解决门架后移驾驶室阻挡低位叉取货物问题，将原来的单向货叉变为三向货叉，增加叉车工作的灵活性，适应多变的工作环境，最终效果如图8所示

图8 最终效果

5 有限元分析

机械设计，除了机械结构的优化以外，还要满足强度需要，此创新设计用可伸缩臂代替原来的固定货叉架，将货叉的叉取距离变长了，所以，对此结构设计进行有限元分析，看其是否满足强度需要。部分结果如图9-11。

图9 施工载荷工况示意

图11 应力云图

此创新结构采用轻型刚材料，在经过系列分析后得出，符合强度要求，满足叉车叉举重型货物高位作业时所需强度。

6 结论

通过利用TRIZ理论对叉车建立功能模型，进行技术矛盾、物理矛盾分析，结合小人法、因果链等对叉车结构和功能进行创新设计，得出具体方案，并对关键结构进行有限元分析。将叉车门架数量由二级门架变为三级门架，单向货叉变为三向货叉。货叉位置后移到叉车驾驶室的后面，三向货叉能保证叉车工作的灵活性，三级门架可以大大提高叉车作业高度；门架后移将叉车整体物理重心后移，能很好地解决叉车由于重心而前倾的问题，并且驾驶室前置极大地增加了驾驶员的视野宽度，提高了驾驶安全性。该创新应用前景广阔，适应性强，工作环境多变。