基于TRIZ理论对10 m³电铲旋转气接头的优化研究

林震源 袁英杰 尹 力 张 建 陶雪宏 王本金

（马钢（集团）控股有限公司南山矿业公司）

电动挖掘机又称电铲，是露天矿主要采掘设备。WK-10B 电铲是WK-10 型电铲的第三代改进机型，属于矿用机械正铲式挖掘机，主要用来剥离和采掘露天矿山的岩石及矿石。此种电铲单台每班次（9 h）可采掘1万t左右的原矿，生产效率十分高。

1 问题背景

WK-10B电铲的各运动部分都为电机驱动，制动部分为气动抱闸控制，且为常闭式控制，气压系统失压时自动抱死。因此保证供气系统的稳定可靠是电铲安全运行的重要工作。此种电铲中央枢轴上部的行走旋转供气装置一旦出现磨损漏气，会造成整个电铲车下行走部分无法正常工作。且因其结构特殊，出现此种故障后，拆装工作量大，对采场的生产组织造成很大的影响。

因为电铲的平台部分与底盘行走部分是作相对回转运动的，所以由平台主气路输至行走部分的压缩空气必须经过旋转供气装置才能输送。而且，在供气装置的上部，还依次安置有低压集电环和高压集电环（6 000 V），所以要想更换气接头内部的V 型组合密封圈，就必须将整台电铲的高压电拉断。另从外部变压器引入维修用电，然后将外部护罩拆除，之后将四道高压集电环及各电缆接头拆除，再将十几道低压集电环及各电缆、小线接头拆除，最后才能对供气装置进行拆解，拆解后更换V 型密封组件；然后再逐步进行恢复组装、试车。整个检修过程十分繁琐，难度较大［1，2］。

2 基于TRIZ理论的技术难题突破

2.1 技术矛盾分析

应用TRIZ 创新方法对所诉问题进行分析［3-5］。首先对系统进行功能分析，明确系统中各组件的有用功能、不足功能、有害功能以及过度功能，详细了解技术系统中组件之间的相互作用关系（见图1）。

系统分析发现影响功能的因素有：①压缩空气挤压密封件的有害功能；②密封件磨损供气装置的有害功能；③低压环覆盖供气装置的有害功能；④套管穿过各部件的有害功能；⑤供气装置支撑磨损密封件的过度功能。

为了进一步找出影响系统正常功能的原因，以现实问题为起点，通过因果逻辑层层剖析，得出对问题有影响的相应因素。对系统进行因果链分析如图2所示，为下一步做技术矛盾分析寻找入手点。

当想改善技术系统中某一特性和参数时，同时引起系统中另一特性或参数的恶化，这就产生了技术矛盾。从因果分析、功能分析发现，检修困难的原因是结构设计造成的。如果改变装置或部件的结构，那么将简化检修过程，提高检修效率，但是会增加装置的复杂性，存在技术矛盾。

将问题中的参数用TRIZ理论的工程参数进行定义描述，得到技术矛盾。①改善的参数：易维修性；②恶化的参数：装置的复杂性。通过查找TRIZ 矛盾矩阵表中改善参数与恶化参数的交集栏，获得了01（分割原理）、11（预补偿原理）、13（反向作用原理）、35（物理及化学参数改变原理）4个推荐改进原理。

通过01号原理（分割原理：将体系分割成相互独立的几个部分，以便于实现系统的改造）提示，获得了2个解决方案。

（1）方案1。将气接头做成分腔式，当一个腔出现漏气时，更换其他分腔使用。

（2）方案2。将气接头结构做成分体式，可以直接更换密封圈的形式，减少拆卸过程。

通过11号原理（预补偿原理：通过预先准备好的应急措施—如备用系统、矫正措施等来补偿对象较低的可靠性）又获得2个解决方案：

（3）方案3。在事先安装气接头密封圈时，多加装一道密封圈，增强密封效果延长使用周期。

（4）方案4。将气接头改制成可安装预留密封圈的形式，在维修时多预留几个密封圈，方便下次检修。

2.2 物理矛盾

在本系统中如果抬高气接头的位置，将其置于高、低集电环与护罩之上，那么就能大大减小检修的难度与工作量；如果降低气接头的位置，将其置于高低压集电环的下部，那么可以不需考虑风管的绝缘问题，存在物理矛盾。

解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离，即空间、时间、条件分离以及整体与部分分离。现有矛盾适合采用空间分离，在推荐的相关发明原理中通过17号发明原理（空间维数变化原理）获得提示，得到解决方案5：将气接头改造后置于高低压集电环之上，将风管换成高压绝缘管，经过各部件的空腔给车下供气。

2.3 物场分析

针对旋转供气装置漏气问题进行物场分析，根据物场模型76 个标准解查表得到标准解法：将原物场模型转化为复杂的链式物场模型，如图3。通过增加一个新的供气装置，增强物场模型。

2.4 方案评价

根据对设备维修率与改造经济性的综合对比，对所获得的6 个解决方案进行对比分析（见表1），最终采用方案6，其优点是可以提高系统的可靠度，将原有的行走气路由串联系统改为并联系统，并联能提高系统的可靠度与维修性。同时在达到优化的前提下，改造方案成本最低。通过采用一种外形体积小巧的旋转气接头并联接入行走气路，作为备用气路，当原气接头损坏时，将备用气路接入使用，见图4。

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3 成果介绍

改造后每次检修仅需一名钳工，耗时1 h，提高工效约80 倍。间接经济效益是每班次可生产1 万t 原矿，那么2.5 d 生产5 万t 原矿。通过对WK-10B 电铲行走旋转供气装置的优化，大大提高了设备可靠度和维修性。

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4 结 语

通过应用TRIZ 理论获取改造创新提示，并结合实际生产条件，选择直接有效的方案：对供气系统增设并联供气装置。最终提高了设备的可靠度与维修性，同时获得了较大的间接效益。