王成軍，李 龍，張明坤

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站，安徽 淮南 232001)

由于礦用錨索能提供較高的承載力，而且錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)，往往用在井下支護(hù)的關(guān)鍵部位，即固定于深部穩(wěn)定的巖層中，并在被加固體表面通過(guò)漲拉產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，從而達(dá)到使被加固體穩(wěn)定和限制其變形的目的，隨著井下巷道不斷的擴(kuò)延，錨索的使用量也隨之急劇增加［1－2］。不同的巷道有著不同的地質(zhì)條件，經(jīng)常需要長(zhǎng)度不同的錨索，因此需對(duì)整捆購(gòu)置的錨索按需求的長(zhǎng)度進(jìn)行切割。而目前，國(guó)內(nèi)礦山行業(yè)錨索的切割作業(yè)大都采用人工操作的方式，但由于錨索彈性大，在載架轉(zhuǎn)動(dòng)、牽引送料、錨索放置和作業(yè)使用過(guò)程中，極易擠傷或彈傷操作者，工人人生身安全和生產(chǎn)安全沒(méi)有保障，安全事故時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)有的錨索切割機(jī)大多是單根切割其限位器往往也是解決單根錨索的尺寸控制，對(duì)于雙錨索切割機(jī)位置的控制現(xiàn)在還沒(méi)有行之有效的解決辦法［3－7］。

論文基于TRIZ 發(fā)明理論，對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并設(shè)計(jì)出新的適用于雙錨索切割機(jī)限位器。

1 TRIZ 理論及研究方法

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)理論是“發(fā)明問(wèn)題的解決理論”，它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解［8］。

TRIZ 理論的核心內(nèi)容包含:39 個(gè)通用工程參數(shù)、40 條發(fā)明原理、沖突解決矩陣、物產(chǎn)分析法及76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解及發(fā)明問(wèn)題解決算法(ARIZ)等，其發(fā)明解決過(guò)程模型如圖1所示［9］。

2 錨索切割機(jī)限位開(kāi)關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題分析

單錨索切割機(jī)限位器，其主要組成為推桿、限位開(kāi)關(guān)和復(fù)位彈簧以及相關(guān)的連接機(jī)構(gòu)如圖2所示。

限位開(kāi)關(guān)直接安裝在支架上方，限位開(kāi)關(guān)的寬度尺寸完全占據(jù)支架上表面寬度，限位開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)觸頭與導(dǎo)桿的后端保持接觸;復(fù)位彈簧為拉伸彈簧起驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿自動(dòng)復(fù)位的作用，其兩端分別與支架和導(dǎo)桿固定;導(dǎo)桿可以在支架內(nèi)滑移，其前端固定有限位觸板。

工作時(shí)，錨索向后移動(dòng)并接觸到限位觸板，再推動(dòng)導(dǎo)桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)向后擺動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)位置達(dá)到設(shè)定值時(shí)，限位開(kāi)關(guān)給出停機(jī)和切割指令;切割完成后，錨索離開(kāi)支架，導(dǎo)桿和限位觸板在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位。

該方法對(duì)于單錨索切割機(jī)適用，若用于雙錨索切割機(jī)則存在四個(gè)方面的問(wèn)題:①現(xiàn)有錨索切割機(jī)上用限位開(kāi)關(guān)的體積和寬度很大。需要雙錨索切割時(shí)，因限位開(kāi)關(guān)無(wú)足夠安裝空間，導(dǎo)致設(shè)備整體結(jié)構(gòu)臃腫;②雙錨索切割機(jī)的位置控制同步性能不穩(wěn)定，可靠性差;③不能滿足截取不同長(zhǎng)度錨索的需求;④復(fù)位彈簧由兩根拉簧充當(dāng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于彈簧制造差異可能存在受力不平衡問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析，即從技術(shù)系統(tǒng)抽象的“功能”角度來(lái)分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)執(zhí)行或完成其功能的狀況，建立系統(tǒng)的功能模型。對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行組件模型分析如圖3所示。

通過(guò)組件模型分析，系統(tǒng)中的復(fù)位彈簧A 與復(fù)位彈簧B 功能存在重復(fù)，可裁剪復(fù)位彈簧B，裁剪后將復(fù)位彈簧A 套在導(dǎo)桿上可替代復(fù)位彈簧B的功能，從而精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本;支架A 與支架B 也存在功能重復(fù)，通過(guò)系統(tǒng)裁剪掉支架B，裁剪后可通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)中限位開(kāi)關(guān)等組件的結(jié)構(gòu)，使支架A 完全替代支架B 的功能，裁剪后的組件圖如圖4所示。

2.3 因果分析

因果分析法是通過(guò)因果圖表現(xiàn)出來(lái)，因果圖又稱(chēng)特性要因圖、魚(yú)刺圖或石川圖，是為了尋找產(chǎn)生某種質(zhì)量問(wèn)題的原因，通過(guò)做分析，將所有影響因素反映在一張圖上，就是因果圖。用此圖分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因。對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器進(jìn)行因果分析如圖5所示。

通過(guò)因果分析，引起雙錨索位置控制失效的根本原因是:

1)切割裝置在切割錨索時(shí)的有效切割寬度有限;

2)輸送裝置的輸送能力不足;

3)寬度尺寸較小的新型限位開(kāi)關(guān)缺乏;

4)導(dǎo)桿的長(zhǎng)度不可調(diào)。

2.4 矛盾分析

矛盾分析，即將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ 標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，要求將實(shí)際問(wèn)題的描述轉(zhuǎn)化為39 個(gè)通用工程參數(shù)中的2 項(xiàng)，然后通過(guò)查詢(xún)TRIZ 的技術(shù)矛盾的矛盾矩陣，找到2 個(gè)工程參數(shù)對(duì)應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理。

通過(guò)前述系統(tǒng)分析及因果分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于限位器本身而言，列舉的四條根本原因，其中3、4 條屬于限位器自身的缺陷，故對(duì)第3、4 條進(jìn)行分析。

對(duì)于第3 條缺陷，從技術(shù)進(jìn)化的角度出發(fā)，通過(guò)縮小限位開(kāi)關(guān)的寬度，設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的限位開(kāi)關(guān)，滿足雙錨索切割機(jī)對(duì)限位開(kāi)關(guān)的并列安裝要求，即可初步解決雙錨索切割位置控制失效的問(wèn)題。并且現(xiàn)有的企業(yè)內(nèi)具有能設(shè)計(jì)限位開(kāi)關(guān)的技術(shù)人員和制造限位開(kāi)關(guān)機(jī)械零件的材料，電子元器件外購(gòu)即可完成。

對(duì)于第4 條缺陷，根據(jù)因果分析，引起雙錨索雙位置控制失效的原因是導(dǎo)桿裝置長(zhǎng)度不可調(diào)。如果改變導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改為長(zhǎng)度可調(diào)導(dǎo)桿，將導(dǎo)致導(dǎo)桿長(zhǎng)度的增大。技術(shù)矛盾:改善的參數(shù):運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度;惡化的參數(shù):運(yùn)動(dòng)物體的重量。查詢(xún)沖突矩陣如表1所示。

表1 雙錨索切割機(jī)限位器的沖突矩陣

通過(guò)查找創(chuàng)新原理，結(jié)合實(shí)際情況選擇適用于本項(xiàng)目的1 號(hào)原理和35 號(hào)原理，其創(chuàng)新思維方法如表2所示。

表2 沖突解決原理

創(chuàng)新原理應(yīng)用技巧如下:如圖6所示，將導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)改為可伸縮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)伸縮導(dǎo)桿插入設(shè)有螺釘孔的外伸縮導(dǎo)桿內(nèi)，并用鎖緊螺釘固定內(nèi)伸縮導(dǎo)桿的長(zhǎng)度，外伸縮導(dǎo)桿插入設(shè)有螺釘孔的導(dǎo)桿套內(nèi)，同樣的用鎖緊螺釘固定外伸縮導(dǎo)桿的長(zhǎng)度，兩者長(zhǎng)度相加實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)桿的長(zhǎng)度可調(diào)功能。同時(shí)為了減少重量，導(dǎo)桿采用管狀結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)改為可伸縮式管狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再將導(dǎo)桿的材料改為密度小的輕質(zhì)材料，這樣在增加導(dǎo)桿的長(zhǎng)度可調(diào)功能的同時(shí)還可減少導(dǎo)桿裝置的摩擦阻力。

2.5 物質(zhì)—場(chǎng)分析

物質(zhì)—場(chǎng)分析原理認(rèn)為，所有的功能都可分解為兩種物質(zhì)及一種場(chǎng)，即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場(chǎng)的三元件組成.產(chǎn)品是功能的一種實(shí)現(xiàn)，因此，可用物質(zhì)—場(chǎng)分析產(chǎn)品的功能。

雙錨索切割機(jī)限位器設(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)衍生危害，即當(dāng)推桿長(zhǎng)度變化過(guò)大時(shí)，由于重心的偏移會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，加快雙錨索切割機(jī)限位器老化，同時(shí)也影響雙錨索切割機(jī)限位器的工作效果。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用TRIZ 理論的物場(chǎng)分析方法求解:

1)確定物場(chǎng)模型元素:機(jī)械力(F)、推桿(S1)、支架(S2)。

2)建立物場(chǎng)模型:從上述元素分析中，元素齊全，但實(shí)現(xiàn)功能不足，建立如圖7所示的物場(chǎng)模型。

3)確定物場(chǎng)模型的一般解法。從一般解法表中查得，可以采用解法4、5、6 求解本題，這里主要應(yīng)用一般解法6 來(lái)求解，即引入新的物質(zhì)S3和場(chǎng)F2來(lái)加強(qiáng)原有效果，引入第三種物質(zhì)直線軸承(S3)，第二種場(chǎng)機(jī)械力(F2)，其物場(chǎng)模型如圖8所示。

2.5 具體解決方案

通過(guò)對(duì)1 號(hào)、35 號(hào)創(chuàng)新原理以及物質(zhì)——場(chǎng)分析，以此為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路，可得到最終的雙錨索切割機(jī)限位器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

采用縮小限位開(kāi)關(guān)寬度，用輕質(zhì)材料設(shè)計(jì)可伸縮式導(dǎo)桿并裝配直線軸承，復(fù)位彈簧由原來(lái)的拉伸彈簧改為壓縮彈簧，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積減小，適應(yīng)于雙錨索切割機(jī)位置控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有的單錨索切割機(jī)限位器存在的結(jié)構(gòu)松散，雙錨索控制，不同長(zhǎng)度錨索控制，工效低等問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ 理論的問(wèn)題分析，提出雙錨索切割機(jī)存在問(wèn)題;系統(tǒng)分析，對(duì)錨索切割機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精簡(jiǎn);因果分析，找出錨索位置控制失效的根本原因;矛盾分析，提出了解決根本原因的設(shè)計(jì)方案;物場(chǎng)分析，對(duì)推桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。綜合實(shí)際情況，提出了雙錨索切割機(jī)限位器的設(shè)計(jì)方案，該方案能夠滿足雙錨索切割機(jī)對(duì)位置控制的需求，可按需求截取不同長(zhǎng)度錨索，同時(shí)也減少了加工制造成本，提高了生產(chǎn)率。產(chǎn)品樣機(jī)的試制證明該方案是可行可靠的。為T(mén)RIZ 理論在機(jī)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

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