基于TRIZ 的煤矿立井提升罐道绳智能维检机设计

龙大鹏，刘博磊，闫 萍，陈子春

（开滦能源化工股份有限公司信息与控制中心，河北 唐山 063108）

1 概 况

随着信息化和智能化的快速发展，自动化技术在煤炭矿业应用也得到广泛的应用，随着科学技术的快速发展，煤炭矿业提出“机械化换人，自动化减人，智能化少人”科技专项技术改革等活动。煤矿的罐道是联接地面与地下的重要设备，其运行的安全直接关系煤矿的安全生产和员工的生命安全。煤矿立井罐道多采用钢丝绳做导轨，长期在重载及湿润的环境下运行，需要进行定期检测和维护。目前对煤矿立井罐道的钢丝进行检测维护主要是检测是否断丝、绳股挤出、扭结及生锈等情况，需要多人进行协作，检测和维护环境恶劣，且操作不便，因此检测与维护效果不佳，具有一定的危险性。笔者通过对实际工作环境的考察，基于TRIZ 创新理论，研究一种煤矿立井钢丝绳罐道的钢丝绳智能维检设备，可以提高检测质量和检测效率，节约人工成本。

2 TRIZ 理论解决问题路线分析

TRIZ (Teoriya Resheniyva Izobretatel’ skikh Zadatch)理论是由前苏联人阿奇舒勒(G.S.Altshuller)于1946 年创立的发明问题解决理论。该理论解决发明问题的主要方式包括：首先是提出问题（明确其定义）；二是将提出问题利用技术矛盾分析、物理矛盾分析、物质-场分析及功能化模型分析工具将其转化为标准问题；三是利用TRIZ 工具，通过针对性的分析给出解决问题的具体方法；四是通过分析给出的解决方法结合已有的知识、技术和经验，将问题进行解决。如图1所示。

图1 TRIZ理论解决问题的路径Fig.1 The path of TRIZ theory to solve the problem

3 煤矿立井提升罐道绳智能维检机的设计

3.1 方案设计

应用TRIZ 理论对煤矿立井钢丝绳罐道的钢丝绳检测与维护的设计进行具体分析。由于传统的维检工作过多依靠维检人员进行，工作效率较低、维护检测质量得不到有效保证、操作人员危险系数较大；采用自动化程度较高的检测设备既不能满足维护要求，也改善不了工作质量，所以就形成了冲突矛盾。利用TRIZ 理论转化为标准问题就是“改善生产效率”与“装置的复杂性”之间的冲突。查询TRIZ 理论中的冲突矩阵表得出解决该冲突的发明原理，见表1。

表1 冲突及解决方法Table 1 Conflicts and solutions

通过创新设计分析可知在“模块化设计”中，整个设备主要包括机械模块、传动模块及控制模块3 部分。其中机械模块设计方案包括手持检测仪（A1）、自动维检设备（A2）、智能维检机（A3）；控制模块的设计方案包括PLC 控制（B1）、单片机（B2）、微机控制（B3）三种方式；传动模块设计方案包括气动传动（C1）、液压传动（C2）、机械传动（C3）、电气传动（C4）和人工传动（C5）5 种方式。

3.2 设备功能方案求解

通过分析设计方案，将各模块功能与设备总体功能利用“原理解法”，其函数关系为：原理解法=f（物理作用，作用件）。

综上所述，该设计方案的解法均决定于物理作用和作用件，设备的3 大功能模块对应解用形态学矩阵表示为：

因此煤矿立井提升罐道绳智能维检机的设计方案的组合矩阵F=A·B·C，通过形态学矩阵可以设计方案的组合数为45 种。

根据各功能模块和结合生产效率及制作维护成本综合比较，放弃机械模块中手持检测仪（A1），控制模块中单片机（B2）以及传动模块中的液压传动（C2）、机械传动（C3）和人工传动（C5），初步筛选出符合需求的8 种方案：A2+B1+C1、A2+B1+C4、A2+B3+C1、A2+B3+C4、A3+B1+C1、A3+B1+C4、A3+B3+C1、A3+B3+C4。

3.3 方案对比分析

机械模块的选取，结合煤矿立井提升罐道绳智能维检机实际的工作环境和条件，维检位置位于煤矿立井提升罐道的罐笼上，长期工作在湿润环境下会对精密仪器和零件造成损害，采用智能维检机（A3）会造成设备的成本和维护费用增加，因此机械模块选取成本较低、结构较简单的自动维检设备（A2）。

控制模块的选取，主要参考控制性能的稳定性、操作的简单特性和安全性，通过对比PLC 控制（B1）系统更为符合系统的需求。

传动模块的选取，主要考虑传动的准确性、稳定性及易控性，通过综合比较，采用电气传动更为符合设备的实际需求，其实现容易同时也便于操作人员进行调试维护。

通过组织专家研讨和相关技术对比，对上述8种方案进行经济技术评价，最终选取选取A2+B1+C4这个方案为最优设计方案。

4 煤矿立井提升罐道绳智能巡检机总体设计方案

4.1 煤矿立井提升罐道绳智能巡检机结构设计

通过应用TRIZ 理论分析，选择最优设计方案A2+B1+C4对煤矿立井提升罐道绳智能巡检机进行结构设计，设计结构如图2 所示。

图2 煤矿立井提升罐道绳智能巡检机结构示意图Fig.2 Coal mine shaft hoisting rope intelligent inspection machine structure diagram

图2 中的煤矿立井提升罐道绳智能巡检机机械结构考虑了固定、定位、检测、操作、油温和安全固定等条件设计了主体机械结构。煤矿立井提升罐道绳智能巡检机设计简便，便于操作，该设备检测准确、维护到位、操作简单、工作可靠稳定，与传统罐道钢丝绳检测维护相比可节约大量人工，降低了企业的成本，提高了罐道绳的安全运行系数和社会经济效益。

煤矿立井提升罐道绳智能巡检机控制系统设置上位监控平台、无线主控机站和现场多台维检机械手群构成的立井钢丝绳罐道维检系统，实现不间断实时检测。无线集中管控实现机械手集群式管理。通过上位机平台对井筒做业的数台钢丝绳罐道维检机械执行机构进行无线自动控制或手动控制（手动调节或急停）。机械执行机构在动态状态下，通过无线接收程序指令，同时完成钢丝绳罐道的360°全方位自动实时断丝检测和自动刷油、均油等操作。整个防腐维护、断丝检测、数据传输以及阈值参数报警等工作过程，全部通过逻辑程序控制自动完成，整个过程实现“无人值守”。

4.2 煤矿立井提升罐道绳智能巡检机工作原理

外部卷筒旋转通过传送带带动天轮旋转，随着天轮旋转，带动立井内的一个罐笼下放的同时另一个罐笼提升；在罐笼的移动过程中，操作人员通过主控机站控制断丝检测模块和喷油模块，对罐笼两侧的罐道绳进行断丝检测和喷油；在罐笼的移动过程中，拉力感应模块和测距模块持续检测提升绳的拉力以及罐笼底部与立井底部之间的竖直距离，拉力感应模块、测距模块和断丝检测模块将采集到的拉力数据、距离数据以及断丝情况传输至无线信号发射模块；无线信号接收模块接收无线信号发射模块传输的数据信息并发送至控制模块，控制模块将数据信息打包汇总后传输至人机交互模块，人机交互模块将数据信息展示给操作人员，操作人员根据数据信息点按控制面板进行手动控制；操作人员根据人机交互模块显示的数据信息手动控制报警模块和/或急停模块，或者控制模块根据采集的拉力数据、距离数据和断丝情况自动控制报警模块和/或急停模块。

5 结 语

本文分析了煤矿立井罐道的钢丝绳检测维护现状，针对目前人工操作造成危险系数较大和检测维护不到位的问题，基于TRIZ 创新理论，通过方案设计提出了“改善生产效率”与“装置的复杂性”之间的冲突；利用TRIZ 工具进行功能方案求解，得出初步设计方案；最后通过技术方案对比、技术实现及专家研讨确定能够解决上述问题的煤矿立井提升罐道绳智能维检机。分析了煤矿立井提升罐道绳智能维检机的机械结构组成和控制工作原理，该设备可以做到检测准确、维护到位、操作简单、工作可靠稳定，与传统罐道钢丝绳检测与维护相比能够节约大量人工，降低了企业的成本，提高了罐道绳的安全运行系数和社会经济效益。