锚索切割机限位器的优化设计

王成军+李龙++张明坤

摘 要：TRIZ作为逻辑型发明方法的代表，在技术行业有着重要的地位，由此产生出许多行业的创新方法，解决了众多发明中的技术难题。论文针对双锚索切割机位置控制存在的问题，运用TRIZ理论描述了设计及使用中存在的技术问题，并采用TRIZ理论中常用的系统分析、因果分析、矛盾分析、物场分析等方法，综合考虑，给出了相应的、可行的结构设计方案。有效的解决了双锚索切割机限位器的结构松散、长度控制、不同长度需求等问题，提高了双锚索切割机的切割效率。

关键词：锚索切割机；限位器；位置控制；优化设计

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2015）02-0027-05

（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China； 2. Mining Engineering Post-doctoral Mobile Station， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：On behalf of the TRIZ as the logical type method， plays an important role in the technology industry， the resulting from the many innovations in the industry， to solve the technical problem of many inventions. Aiming at the existing problems of double anchor cable cutter location control， describe the technical problems existed in design using TRIZ theory， and use of system analysis， causal analysis， contradiction analysis， substance field analysis method commonly used in TRIZ theory， comprehensive consideration， gives the structure of the corresponding and feasible design， Effectively solves the problem of double cable cutting machine of loose structure， the length of the limiter control， different length requirements and other issues， improved double anchor cutting machine efficiency.

Key words：anchor cable cutting machine； displacement restrictor； position control； optimal design

由于矿用锚索能提供较高的承载力， 而且锚固长度较长， 往往用在井下支护的关键部位，即固定于深部稳定的岩层中， 并在被加固体表面通过涨拉产生预应力， 从而达到使被加固体稳定和限制其变形的目的，随着井下巷道不断的扩延，锚索的使用量也随之急剧增加[1-2]。不同的巷道有着不同的地质条件，经常需要长度不同的锚索，因此需对整捆购置的锚索按需求的长度进行切割。而目前，国内矿山行业锚索的切割作业大都采用人工操作的方式，但由于锚索弹性大，在载架转动、牵引送料、锚索放置和作业使用过程中，极易挤伤或弹伤操作者，工人人生身安全和生产安全没有保障，安全事故时有发生。现有的锚索切割机大多是单根切割其限位器往往也是解决单根锚索的尺寸控制，对于双锚索切割机位置的控制现在还没有行之有效的解决办法[3-7]。

论文基于TRIZ发明理论，对现有的单锚索切割机限位器进行了结构分析，并设计出新的适用于双锚索切割机限位器。

1 TRIZ理论及研究方法

TRIZ （Theory of Inventive Problem Solving）理论是“发明问题的解决理论”，它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解[8]。

TRIZ理论的核心内容包含：39个通用工程参数、40条发明原理、冲突解决矩阵、物产分析法及76个标准解及发明问题解决算法（ARIZ）等，其发明解决过程模型如图1所示[9]。

图1 TRIZ理论的发明问题解决模型2 锚索切割机限位开关的优化设计

21 问题分析

单锚索切割机限位器，其主要组成为推杆、限位开关和复位弹簧以及相关的连接机构如图2所示。1.复位弹簧A； 2.导杆； 3，10.限位触板； 5，8.锚索；

6.支架A； 7.复位弹簧B； 9.支架B； 11.卸料挡板

图2 单锚索切割机限位器

限位开关直接安装在支架上方，限位开关的宽度尺寸完全占据支架上表面宽度，限位开关的开关触头与导杆的后端保持接触；复位弹簧为拉伸弹簧起驱动导杆自动复位的作用，其两端分别与支架和导杆固定；导杆可以在支架内滑移，其前端固定有限位触板。

工作时，锚索向后移动并接触到限位触板，再推动导杆驱动开关触点向后摆动，当移动位置达到设定值时，限位开关给出停机和切割指令；切割完成后，锚索离开支架，导杆和限位触板在复位弹簧的作用下复位。endprint

该方法对于单锚索切割机适用，若用于双锚索切割机则存在四个方面的问题：①现有锚索切割机上用限位开关的体积和宽度很大。需要双锚索切割时，因限位开关无足够安装空间，导致设备整体结构臃肿；②双锚索切割机的位置控制同步性能不稳定，可靠性差；③不能满足截取不同长度锚索的需求；④复位弹簧由两根拉簧充当，结构复杂，由于弹簧制造差异可能存在受力不平衡问题。

22 系统分析

系统分析，即从技术系统抽象的“功能”角度来分析系统，分析系统执行或完成其功能的状况，建立系统的功能模型。对现有的单锚索切割机限位器进行组件模型分析如图3所示。

图3 单锚索切割机限位器组件模型 通过组件模型分析，系统中的复位弹簧A与复位弹簧B功能存在重复，可裁剪复位弹簧B，裁剪后将复位弹簧A套在导杆上可替代复位弹簧B的功能，从而精简结构，降低系统成本；支架A与支架B也存在功能重复，通过系统裁剪掉支架B，裁剪后可通过优化系统中限位开关等组件的结构，使支架A完全替代支架B的功能，裁剪后的组件图如图4所示。

图4 单锚索切割机限位器裁剪模型

23 因果分析

因果分析法是通过因果图表现出来，因果图又称特性要因图、鱼刺图或石川图，是为了寻找产生某种质量问题的原因，通过做分析，将所有影响因素反映在一张图上，就是因果图。用此图分析产生问题的原因。对现有的单锚索切割机限位器进行因果分析如图5所示。

图5 因果分析框图通过因果分析，引起双锚索位置控制失效的根本原因是：

1） 切割装置在切割锚索时的有效切割宽度有限；

2） 输送装置的输送能力不足；

3） 宽度尺寸较小的新型限位开关缺乏；

4） 导杆的长度不可调。

24 矛盾分析

矛盾分析，即将现实问题转化为TRIZ标准问题，要求将实际问题的描述转化为39个通用工程参数中的2项，然后通过查询TRIZ的技术矛盾的矛盾矩阵，找到2个工程参数对应的方格，得到方格中推荐的发明原理。

通过前述系统分析及因果分析发现，对于限位器本身而言，列举的四条根本原因，其中3、4条属于限位器自身的缺陷，故对第3、4条进行分析。

对于第3条缺陷，从技术进化的角度出发，通过缩小限位开关的宽度，设计新结构的限位开关，满足双锚索切割机对限位开关的并列安装要求，即可初步解决双锚索切割位置控制失效的问题。并且现有的企业内具有能设计限位开关的技术人员和制造限位开关机械零件的材料，电子元器件外购即可完成。

对于第4条缺陷，根据因果分析，引起双锚索双位置控制失效的原因是导杆装置长度不可调。如果改变导杆结构设计，改为长度可调导杆，将导致导杆长度的增大。技术矛盾： 改善的参数：运动物体的长度；恶化的参数：运动物体的重量。查询冲突矩阵如表1所示。

创新原理应用技巧如下：如图6所示，将导杆结构改为可伸缩式结构，内伸缩导杆插入设有螺钉孔的外伸缩导杆内，并用锁紧螺钉固定内伸缩导杆的长度，外伸缩导杆插入设有螺钉孔的导杆套内，同样的用锁紧螺钉固定外伸缩导杆的长度，两者长度相加实现了导杆的长度可调功能。同时为了减少重量，导杆采用管状结构。将导杆结构改为可伸缩式管状结构的基础上再将导杆的材料改为密度小的轻质材料，这样在增加导杆的长度可调功能的同时还可减少导杆装置的摩擦阻力。

1.导杆套； 2.外伸缩导杆； 3.内伸缩导杆

图6 可伸缩式管状导杆结构图25 物质—场分析

物质—场分析原理认为，所有的功能都可分解为两种物质及一种场，即一种功能由两种物质及一种场的三元件组成. 产品是功能的一种实现，因此，可用物质—场分析产品的功能。

双锚索切割机限位器设计时有一个衍生危害，即当推杆长度变化过大时，由于重心的偏移会对支架产生严重的磨损，加快双锚索切割机限位器老化，同时也影响双锚索切割机限位器的工作效果。

针对这个问题，采用TRIZ理论的物场分析方法求解：

1） 确定物场模型元素：机械力（F）、推杆（S1）、支架（S2）。

2） 建立物场模型：从上述元素分析中，元素齐全，但实现功能不足，建立如图7所示的物场模型。

图7 支架支撑推杆的物场模型

3） 确定物场模型的一般解法。从一般解法表中查得，可以采用解法4、5、6求解本题，这里主要应用一般解法6来求解，即引入新的物质S3和场F2来加强原有效果，引入第三种物质直线轴承（S3），第二种场机械力（F2），其物场模型如图8所示。

图8 支架和直线轴承共同支撑推杆的物场模型25 具体解决方案

通过对1号、35号创新原理以及物质——场分析，以此为创新设计的思路，可得到最终的双锚索切割机限位器创新设计方案如图9所示。

1.复位弹簧； 2.导杆组件； 21.外导套杆； 22.内导杆； 3，10.限位触板； 4.限位开关组件； 41.左限位开关； 42.右限位开关； 5，8锚索； 6.支架； 7，9直线轴承

图9 创新双锚索切割机限位器的结构设计

采用缩小限位开关宽度，用轻质材料设计可伸缩式导杆并装配直线轴承，复位弹簧由原来的拉伸弹簧改为压缩弹簧，增加系统的稳定性。整体结构简单，体积减小，适应于双锚索切割机位置控制。

3 结束语

针对现有的单锚索切割机限位器存在的结构松散，双锚索控制，不同长度锚索控制，工效低等问题，应用TRIZ理论的问题分析，提出双锚索切割机存在问题；系统分析，对锚索切割机结构进行了精简；因果分析，找出锚索位置控制失效的根本原因；矛盾分析，提出了解决根本原因的设计方案；物场分析，对推杆结构进行了优化。综合实际情况，提出了双锚索切割机限位器的设计方案，该方案能够满足双锚索切割机对位置控制的需求，可按需求截取不同长度锚索，同时也减少了加工制造成本，提高了生产率。产品样机的试制证明该方案是可行可靠的。为TRIZ理论在机构工程领域的应用提供了参考。endprint

参考文献：

[1] 王成军，韩董董，李龙，等.防爆型矿用双锚索自动切割机：中国，2013106069222[P]. 2014-02-26.

[2] A KILIC，E YASAR，C D ATIS. Effect of bar shape on the pull-out capacity of fully-grouted rock bolts. Tunneling and Underground Space Technology. 2003，18（1）：1-6.

[3] 丁秀丽， 盛谦. 预应力锚索锚固机理的数值模拟试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2002， 21（7）： 980-988.

[4] HOLLENBECK E，MARLOTH R，ES-SAID O S.Case study-seams in anchor studs[J].Engineering Failure Analysis. 2003，10：209-213.

[5] 顾金才， 沈俊， 陈安敏， 等. 锚索预应力在岩体内引起的应变状态模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2000 （z1）： 917-921.

[6] Phillips S H E. Factors affecting the design of anchorages in rock[M].london：Cementation Recerach Ltd，1970：8-200.

[7] 尤春安， 战玉宝. 预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2005， 24（6）： 925-928.

[8] 王成军，沈豫浙.应用创造学[M].北京：北京大学出版社，2010：10-150.

[9] 蒯苏苏，马履中.TRIZ理论机械创新设计工程训练教程[M]. 北京：北京大学出版社，2011：1-200.

[10] 邹尝一. 基于TRIZ理论的新型工业设计体系构建与应用[D].广州：华南理工大学，2010.

[11] 苏启棠，范卫国，彭秀英，等. TRIZ在挖掘机液压系统设计中的应用研究[J]. 液压与气动，2007，10：32-33.

[12] SAVRANSKY S D. Engineering of Creativity[M].Boca Raton： CRC Press，2000.endprint