基于TRIZ理论的教学电动装载机供电系统优化研究

刘承桓，鲁卫涛，张 淼，刘东明

(1.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065000；2.中国建设教育协会，北京 010000)

教学电动装载机的投入使用消除了装载机实操培训时的产生的废气排放和高噪声污染，降低实操成本，增加了实操机时，提高了实训效果，减少环保政策给装载机实操培训带来的不利影响，但教学电动装载机的供电系统在电缆柔性卷取、卷线速度同步调节、安全性和可靠性等方面仍需优化，本文通过TRIZ 理论对教学电动装载机供电系统的结构、功能和参数进行分析，建立“物-场模型”，应用“冲突解决原理”化解了结构设计过程中遇到的“技术冲突”和“物理冲突”，对教学电动装载机供电系统进行了优化研究。

1 TRIZ理论解决问题的流程

应用TRIZ 理论解决发明问题时，首先要将待解决的具体问题用TRIZ 标准模式进行描述，建立TRIZ问题模型，然后分析判定问题的类型，TRIZ 标准模式将发明问题分为3 类，即一般问题、结构问题和参数问题。完成分析判定后应选择相应的TRIZ 工具按程序步骤对问题进行分析解答得到若干TRIZ 的解决方案模型，下一步需要对方案模型进行评价、修正，在确定此方案正确以后，应用专业知识分析可实现性，找到解决此问题的最佳方案，进而求得具体问题的解。应用TRIZ 解决具体问题的流程如图1 所示。

图1 TRIZ理论解决发明一般流程

2 应用TRIZ理论分析与研究

2.1 问题提出

教学电动装载机使用过程中电缆卷线速度与装载机运动速度匹配性较差，装载机运动速度加快后电缆卷线速度不能随之增加，电缆塔杆完成立杆使用一段时间后架空钢丝绳垂度逐渐变大，调整张紧架空钢丝绳的难度很大。

2.1.1 定义技术系统实现的功能

技术系统缆式架空供电装置和电缆卷取装置实现的功能见表1 和表2。

表1 拖缆式架空供电装置的功能

表2 电缆卷取装置的功能

2.1.2 现有技术系统的结构

教学电动装载机的供电系统由拖缆式架空供电装置、车载回转支撑架、电缆卷取装置和其他附件组成，其中拖缆式架空供电装置由导电滑环、动滑轮、换轮轴、卡线装置、架空钢丝绳、杆塔、接地装置、防水配电箱等组成，电缆卷取装置由弹簧式电缆卷筒、电缆导轮及其辅助部件组成。电缆卷取装置安装在车载回转支撑架上，车载回转支撑架安装在装载机顶部或者后部机盖上。

2.1.3 当前技术系统存在的问题

1）问题一 拖缆式架空供电装置的架空钢丝绳预紧安装使用一段时间后会松弛，导致钢丝绳垂度增大。

2）问题二 电缆卷筒收线同步性较差，电缆卷筒的扭矩不恒定，偶尔出现过拉伤电缆的现象。

2.2 问题分析

2.2.1 系统组件功能分析与功能建模

针对所述的问题应用TRIZ 理论分析系统组件的相互作用。功能组件分析表见表3，组件的相互作用，见图2 和图3。

表3 功能组件分析表

图2 电缆卷取装置组件相互作用图

图3 拖缆式架空供电装置组件相互作用图

2.2.2 资源分析

对技术系统缆式架空供电装置和电缆卷取装置进行资源分析，具体见表4 和表5。

表4 缆式架空供电装置资源分析表

表5 电缆卷取装置资源分析表

2.2.3 因果分析

在技术系统的结构、功能分析和功能建模析的基础上对问题一和问题二进行因果分析，具体如图4 和图5 所示。

图4 问题二的因果分析图

图5 问题一的因果分析图

3 优化设计

3.1 运用“物质—场”分析方法求解问题一

使拖缆式架空供电装置的钢丝绳时刻保持张紧状态是解决问题的主要矛盾。

3.1.1 建立“物质—场”模型

针对拖缆式架空供电装置技术系统建立“物质—场”模型，具体如图6 所示。

图6 原“物质-场”模型

通过“物质—场”模型可以看出在F1重力和拉力场的作用下S2紧固装置对S1钢丝绳的预紧紧固作用不足。

3.1.2 优化“物质—场”模型

引入S3钢丝绳预紧装置优化改进“物质—场”模型，S3的引入产生了预紧力场F2，增加了对S1钢丝绳的预紧作用，改进了紧固装置S2，支撑安装了S3钢丝绳预紧装置（图7）。

图7 改进的“物质-场”模型

3.2 运用“冲突解决原理”求解问题二

电缆卷线装置是一个复合系统，系统中可能会出现多个功能受到同一个参数控制和影响的情况或者多个技术参数相互促进、相互制约的状况。当前的主要矛盾就是电缆卷线速度不能随着装载机运动速度变化而变化且卷线扭矩不可调整，偶尔出现拉伤电缆的现象。

3.2.1 规范描述

电缆卷筒的扭矩即要求大又要求小，当装载机运动速度快时要求收线速快，当装载机运动速度慢时又要求收线速度慢。即：对扭矩和速度两个参数提出了两种不同的要求，发明问题属于物理冲突。

3.2.2 根据分离方法和发明原理进行创新设计

解决物理冲突的核心方法是实现矛盾双方的分离，每种分离方法对应相应的发明原理，当确定了使用某种分离方法后，可选择应用对应的发明原理得出方案。根据规范描述可知扭矩和速度两个参数的两对矛盾均在关键子系统（电缆卷筒）出现，而在其他子系统、系统或超系统中均未出现，应使用系统分离方法解决问题。系统分离方法对应发明原理见表6。

根据现有技术系统及可使用资源实际情况可以选择40 条发明原理中的3 条发明原理（28.机械系统替代原理，35.物理或化学参数改变原理，29.气压和液压结构原理）进行创新方案设计。

1）方案一 应用第28 号发明原理——机械系统替代原理，使用可控性强、性能更好的新的子系统替换现有系统的部分结构解决了问题。

2）方案二 应用第35 号发明原理——物理或化学参数改变原理，改变现有系统的物理参数，使现有系统满足要求。

表6 系统分离方法对应发明原理

3）方案三 应用第29 号发明原理，在现有系统的基础上增加新的气压和液压机构，改善现有系统的性能，使现有系统满足要求。

4 问题的解与最终方案

4.1 问题一的解

在原有系统的其中一个塔杆中部加装钢丝绳预紧装置，上部加装导向定滑轮，当钢丝绳直线度下降时可及时预紧钢丝绳，具体方案见图8。

图8 加装钢丝绳预紧装置方案图

4.2 问题二的解

首先经整体分析，当前技术系统的空间资源紧张不能够满足TRIZ 创新方案所述的引入新结构的要求，其次改变现有系统的物理参数基本不可行性，问题二的3 个TRIZ 创新方案只有方案一可行性强。

将子系统整体替换，在机械领域具体是采用恒张力电缆卷筒代替弹簧式电缆卷筒，恒张力电缆卷筒带有液压式的扭矩调节装置，可根据现场不同的情况进行扭矩调节，力矩调节范围大，不拉伤拉断电缆；由三相异步电机驱动能自动跟踪移动设备，同步性好，自制动能力强，供电连续平稳，安全可靠；结构紧凑现有空间资源满足方案需求。

恒张力电缆卷筒使用三相异步电机驱动，但是现有系统及其子系统均没有三相电资源，对电缆卷线装置来说，电缆是其作用对象也属于超系统的资源，进一步利用超系统的资源可解决恒张力电缆卷筒的供电问题。

5 结语

本文采用 TRIZ 理论对教学电动装载机供电系统进行了研究，分析了拖缆式架空供电装置和电缆卷取装置的结构和功能，对当前技术系统存在的问题进行了系统组件功能分析与功能建模、资源分析和因果分析，运用“物质—场模型”和“冲突解决原理”对现有系统进行了创新设计，得到了TRIZ创新方案，最后使用机械领域专业知识对创新方案进行了评价和实施，得到了具体问题的解。