TRIZ理论在井下运输设备研制中的应用

赵媛媛

摘要：本文基于TRIZ创新理论，利用因果分析等分析方法发掘井下煤炭运输活动中影响连续高效运输的问题，挖掘出关键的技术矛盾，查矛盾矩阵表找出对应的创新原理，根据创新原理的指导，建立数字模型，对受力情况、弯曲参数等进行分析，优化可弯曲胶带机的结构，为胶带运输机在井下长距离连续运输提高适应性。

关键词：巷道运输；TRIZ创新方法；因果分析；技术矛盾；连续运输

中图分类号：TD52 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）12-0058-02

Abstract： in this paper， based on the theory of TRIZ innovation， using analysis methods such as causal analysis excavation of underground coal transportation activities affect the continuous and efficient transportation problem， dig out the key technology of contradiction， contradiction matrix table find corresponding innovation principle， according to the principle of innovation， the direction of establishing digital model， analyze the force and bending parameters， optimize the structure of flexible tape machine， belt conveyor in underground long-distance transport continuously improve adaptability.

Key words： roadway transportation； TRIZ innovation method； cause and effect analysis； technical contradiction； continuous transportation

引言

胶带运输机作为常用的连续运输设备已经在露天矿、水电站建设工程、井工矿巷道、干线输送以及其他生产系统中推广使用，其中大部分主要应用于长距离输送，通常转弯半径在500～6000m范围内[1]。在井工矿巷道，往往需要使得物料在较短的路径内实现弯曲转载输送，目前通常的方法是通过多台设备搭接或铰接的方式设置不同的转载单元，这种方法的缺点是效率低、费用高、故障率高、粉尘环境污染严重。因此，迫切需要研制出满足井下高效、连续运输的设备，提高运输效率、保证作业人员健康安全[2]。

1 现有问题描述

1.1 问题描述

随着综采工作面掘进水平的大幅度提高，传统掘进工艺下常用的连续运输设备主要有转载机+皮带机、连续运输系统，需要频繁延皮带、操作复杂，使巷道运输不连续，严重影响运输效率。

可弯曲带式输送机是区别于传统运输方法新型运输设备，可有效提升运输效率。在设计过程中存在如下问题：胶带运输机输送距离较长，前部紧跟破碎转载机，后端与自移动力站相连，如果仅靠前后两端支撑则自身结构刚性不足，还会增大两端支撑设备的接地比压[3]；井下情况复杂，存在巷道弯曲、底板起伏不平等问题；胶带运输机在井下需拐弯并适应起伏的工况；胶带弯曲运行张力大、易跑偏；胶带可弯曲率与机架最小弯曲半径不匹配；胶带磨损严重等问题，对高效快速运输产生了比较大的影响。

2 TRIZ解题流程

2.1因果分析

图2 因果分析

2.2运用TRIZ工具

通过因果分析（如图2）可知，可弯曲胶带运输机存在四个技术冲突。

技术冲突1：由于连续运输的需求，就需要增加设备的长度，但是就会出现如下冲突：输送距离较长，如果仅靠前后两端支撑则自身结构刚性不足，还会增大两端支撑设备的接地比压。即：需要改善的参数为移动件长度，但同时恶化的参数是强度及应力、压强。

查矛盾矩阵表得到技术冲突1的创新原理为：1.分割原理、15.动态化原理、8.重量补偿原理、35.参数变化原理、10.预操作原理、36.状态变化原理。

技术冲突2：存在整机弯曲半径太大则使用不灵活，无法满足在巷道中转弯的要求，弯曲半径太小胶带跑偏不易控制的冲突。即：需要改善的参数为系统复杂性，但同时恶化的参数是控制和测量的复杂性。

查矛盾矩阵表得到技术冲突2的创新原理为： 15.动态化原理、10.预操作原理、37.热膨胀原理、28.机械系统的替代原理。

技术冲突3：需要尽量减小皮带张力，否则无法保证输送机在胶带运行过程中顺利拐弯。即：需要改善的参数为张力、压力，但同时恶化的参数是物体稳定性。

查矛盾矩阵表得到技术冲突3的创新原理为：2.分离原理、35.参数变化原理、40.复合材料原理。

技术冲突4：叠层阻燃输送带是可弯曲带式输送机的核心部件，要求能適应转载机的弯曲功能，但同时又要保证输送带的使用寿命。即：需要改善的是形状，但是恶化的是物质损失。

查矛盾矩阵表得到技术冲突4的创新原理为：29.气动与液压原理、35.参数变化原理、3.局部质量原理、5.组合原理。

解决方案：

解决方案一：利用8.重量补偿原理、15.动态化原理、10.预操作原理，在中间加设辅助支撑机构，可弯曲胶带转载机配备的油气悬挂，可用于提供中间辅助支撑。为适应巷道底板，采用胶轮行走，减小了行走阻力，辅助油气悬挂支撑机构减小重力的影响，增强了胶带机对巷道底板的适应性。通过数字样机模拟分析，对柔性单元结构进行优化，减轻整机重量，降低输送机牵引力和油气悬挂受力，提高整机适应能力。

解决方案二：利用15.动态化原理、10.预操作原理、35.参数变化原理，采用多点驱动技术，尽量减小皮带张力，采用液压张紧和电气检测、反馈、执行连续实时自动化控制技术。通过改变两个滚筒间距，补偿由于胶带弹性伸长（或收缩）而引起的张力变化，实现最小张力点的张力限定在某个范围内的目的。

解决方案三：利用5.组合原理、3.局部质量原理、35.参数变化原理，通过与专业输送带厂家合作，对输送带的内部结构进行改进，既保证输送带芯部的强度，又保证输送带边缘的韧性，最大限度的发挥其作用。从而使输送带既能满足弯曲功能，又不降低其寿命。

实施方案

通过应用TRIZ理论进行矛盾分析[4]，利用多种发明原理相结合设计出矿用带式转载机，该设备主要由运输部分和动力部分组成，自移动力站主要负责提供动力，其余部分兼顾运输与转运功能。

矿用移动式柔性胶带运输机有效解决了煤矿巷道掘进运输慢、不连续的问题，通过与迈步式自移机尾的重叠搭接，实现煤炭高效、清洁的转载，系统长度能够满足搭接长度的要求，满足一天的进尺需求。整套装置搭接环节少，自动化程度高，可提高传统矿区掘进水平，减少井下作业人员。

通过建立可弯曲带式输送机数字样机模型，使用UA轮胎模型并结合水平路谱、井下台阶路谱和随机路谱，分析在不同工况路面下行走、转弯以及通过迈步皮带机时的动力学特性，确定输送机水平和竖直方向弯曲参数。

为保证输送机在胶带运行过程中顺利拐弯，采用多点驱动技术，尽量减小皮带张力。

可弯曲胶带转载机配备了油气悬挂，用于提供中间辅助支撑，并且可自适应巷道底板起伏。自动张紧装置采用电气控制，通过压力传感器监测自动张紧油缸压力，根据启动、运转和停机等皮带机不同工况，对皮带进行自动张紧。在停机情况下，皮带处于完全放松状态。皮带启动前，进行预张紧。在正常运转时，自动张紧油缸靠蓄能器提供压力。

自移动力站为可弯曲胶带机提供动力，跨骑布置在迈步式自移机尾的刚性架上，可自主在迈步式自移机尾的刚性架上行走，牵引皮带机后退。

3 结语

可弯曲带式输送机通过与迈步式自移机尾的重叠搭接[5]，实现煤炭高效、清洁的转载，系统长度能够满足搭接长度的要求，整套装置搭接环节少，自动化程度高，可提高传统矿区掘进水平，减少井下作业人员，符合国家安监总局“机械化换人，自动化减人”的要求。可弯曲带式输送机也可为短壁回采、端帮开采中的转载运输提供新的解决方案。

参考文献：

[1]胡勇.产学研公共服务平台与协同创新【J】.中国科技产业， 2012（12）

[2]赵利军.皮带输送机启动特性分析【J】.机械研究與应用，2011（1）

[3]边德龙.煤矿辅助运输的现状和无轨轮技术的运用【J】.内蒙古煤炭经济，2014（1）

[4]卢希美 等.基于TRIZ理论和功能分析的产品创新设计【J】.机械设计与制造， 2010（12）

[5]李朋军.皮带运输机的常见故障与处理【J】. 北方钒钛，2011（1）