基于TRIZ的带式输送机断带保护装置创新设计研究

林澳敏 吕宗龙 马苏常*

（1.无锡职业技术学院 机械技术学院，无锡 214121；2.江苏省智能产线技术及装备工程研究中心，无锡 214121）

断带保护装置作为减少带式输送机事故的重要装置，实现了短周期低成本的创新和改进，对制造企业具有重要意义。发明问题解决理论（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）作为一种创新设计的有效工具，在带式输送机相关产品设计领域有一定的应用[1-3]，但针对断带保护装置方面的研究和应用较少。文章提出一种综合TRIZ、功能-原理-结构分解等方法的带式输送机断带保护装置创新设计过程模型，针对性地解决断带保护装置的创新设计问题，为相关制造企业提供一种创新设计方法。

1 带式输送机断带保护装置创新设计机理与模型

1.1 带式输送机断带保护装置创新设计机理

以现有断带保护装置为基础，基于技术进化理论进行预测，帮助设计者克服惯性思维，明确设计任务，并在现有断带保护装置中选取设计原型。同时，建立功能分析模型，利用物质-场分析解决功能模型中存在的冲突形成创新设计方案，并利用TRIZ进行断带保护装置的结构进行置换、聚合和迭代创新。

1.2 带式输送机断带保护装置创新设计过程模型

带式输送机断带保护装置创新设计过程模型如图1所示，包括明确设计任务、形成设计方案和改进结构设计3个阶段。

图1 带式输送机断带保护装置创新设计过程模型

1.2.1 明确设计任务阶段

首先，判断是否明确设计任务。对于已知客户需求的，直接进入形成创新方案阶段。其次，对现有断带保护装置进行技术进化分析。通过研究现有断带保护装置的相关专利，运用TRIZ分析技术发展趋势，建立断带保护装置的工作原理分解图，或通过用户需求预测确定创新方向[4]，此处不展开说明。最后，根据工作原理分析图，寻找创新发展方向。

了解现有断带保护装置各部分的原理，一般可以通过两条路径进行创新：一是运用已使用的原理，根据需求进行原理的替换、叠加，实现融合创新；二是根据技术进化分析，对已有断带保护装置进行改进，定义为横向进化。通过类比推理等方法[5-6]，提出新的工作原理实现相关功能，定义为纵向进化，并从中选定创新方向，确定断带保护装置的设计任务。

1.2.2 形成设计方案阶段

一方面，根据既定创新方向，在现有的断带保护装置中选取合适的设计原型，并建立功能分析模型。另一方面，由建立的功能模型、各功能元件之间存在的相互作用，分析冲突发生区域，再根据物质-场分析解决冲突形成创新设计方案。

1.2.3 改进结构设计阶段

首先，对所选设计原型进行分解产生子功能，通过功能映射出系统结构原理的求解，建立功能-原理-结构模型[7]。其次，确定不满足需求的部分。按照创新设计方案分析，将方案根据涉及的子功能部分拆成若干逐一进行解决。根据创新设计方案，经过模块原理分析或性能变化要求，确定需要变换或替换的功构模块。再次，改进不满足需求的部分。对于常规问题，运用传统方案进行解决。若存在冲突，运用TRIZ进行改进，建立新模块的原理-结构分解模型。最后，实现新的断带保护装置结构设计。在功能模型的约束下，对新结构模型进行功构模块的删除与聚合，实现结构或特征集的综合，从而实现新的断带保护装置的结构方案设计。

2 带式输送机断带保护装置创新设计过程模型设计实例

2.1 明确设计任务阶段

通过对相关专利的分析总结，建立现有断带抓捕装置原理图，如图2所示。其中，A区～D区为断带保护装置的功能分区，1区～8区为功能区所属的现有断带保护装置所用原理区。

根据现有断带抓捕装置工作原理分解图分析，可选的创新路径如下。

（1）融合创新。在A区到D区依次选择一种原理，产生一条完整路线，理论上是一种产品类型。在专利分析的过程中，已标记的完整路线代表一种现有断带抓捕装置。对于尚未产生联系的原理，尝试融合，判断可行性，实现装置创新。例如，对于应用在井下的断带抓捕装置，需考虑井下环境对传感器和动力源的影响，可选用纯机械式断带抓捕装置。根据图2，可利用偏心轮和涡卷弹簧、绳索等产生的扭矩相融合，设计一种以扭矩为动力的偏心轮断带抓捕装置。

图2 现有断带抓捕装置工作原理分解图

（2）技术进化创新。根据合适的进化路线，对技术系统进行预测。一方面，对于已有的断带抓捕装置的横向进化发展如增加感觉的使用、增添改进的物质、空间分割以及提高柔性等方向进行预测，可得到实施实例。另一方面，对于还未运用的原理进行纵向进化发展预测，如表1所示。下文以“增加可控性”作为创新方向为例进行阐述。

表1 纵向进化路线内容及实施实例

2.2 形成设计方案阶段

根据进化方向，选取楔块式断带抓捕装置作为设计原型，主要机构包括防偏立辊、拨板装置、支腿、支架、触发辊轮、楔形制动闸和上闸块。

2.2.1 功能模型建立

断带保护装置的失效大多出现在与输送带相互作用的过程中，因此将输送带与断带抓捕装置看作一个问题系统进行研究。根据楔块式断带抓捕装置的原理，建立系统功能模型的主要部分。

2.2.2 “物质-场”分析

基于功能模型分析，触发辊轮及楔形制动闸与输送带是冲突发生区域，其中存在两对冲突，分别为触发辊轮与楔形制动闸之间的冲突和楔形制动闸块与输送带之间的冲突。

（1）触发辊轮与楔形制动闸之间的冲突。在输送带发生断带时，输送带运动情况比较复杂，且各抓捕器之间没有信息联系，可能会出现失误动作和动作不同步等问题。该问题可对效应不足的完整模型进行描述，如图3左侧所示。

拟通过叠加电场F1增强机械场F的作用。将触发辊轮和楔形闸块连接到带式输送机的控制系统，通过控制系统完成电场F1的叠加。改进后的模型如图3右侧所示。

图3 楔块式断带抓捕装置物质-场模型

（2）楔形制动闸块与输送带之间的冲突。制动过程中存在楔形制动闸块与输送带接触面积较小的问题，容易造成输送带的撕裂，有用作用和有害作用并存。该问题可以用效应有害的完整模型描述。

拟通过在楔形制动闸和输送带之间引入阻燃橡胶板，尽量避免给输送带带来二次伤害。

2.2.3 创新设计方案

综上所述，具体方案：①触发机构中滚子类机构仅起承载作用；②断带抓捕装置由控制系统控制，增加动力装置，由被动式转换为主动式抓捕；③抓捕机构上固定阻燃橡胶板。

2.3 改进结构设计阶段

基于楔块式断带抓捕装置的子功能，建立基于功能-原理-结构分解模型。

方案③的解决方案即在楔形制动闸和上闸块上固定阻燃橡胶板。方案①和方案②需要对触发功能部分进一步分析研究。

此问题中未出现冲突，因此采用传统方法改进。综合考虑安装位置、结构复杂程度等因素，采用电动方式。将原结构分解模型中的触发部分进行功构置换，保留原有单项托辊发挥承载作用；添加提供动力的电动机，并通过动力辊、链轮链条、齿轮齿条实现传动；将抓捕部分的拨板装置删除，由行程开关实现信息反馈。经过功构置换和删除后形成新的分解模型，如图4所示。

按照图4对设计原型进行功构聚合，根据运动功能约束，行程开关、齿条与楔形制动闸融合，齿轮与动力辊融合，链轮分别安装在电动机输出端和动力辊无齿轮一端。考虑上下输送带之间空间位置的限制，电动机和支架都属于静止零部件，因此将电动机安装在支架上。形成的新型楔块式断带抓捕装置，如图5所示。

图4 新的楔块式断带抓捕装置功能-原理-结构分解模型

图5 新型楔块式断带抓捕装置

3 结语

针对带式输送机断带保护装置，通过将TRIZ中的技术进化、物质-场分析等原理与功能-原理-结构分解相结合，形成一种创新设计过程模型，并在楔块式断带抓捕装置创新设计过程中进行验证，为制造企业对其他类型的断带保护装置的创新设计提供参考，为企业快速、高效地实现产品的升级提供帮助。