基于TRIZ理论的输送带断带保护装置创新设计

张万明，张鹏程*，宫翔，李国芹，高澄森

基于TRIZ理论的输送带断带保护装置创新设计

张万明1,2，张鹏程1,2*，宫翔1,2，李国芹1,2，高澄森1

（1.河北水利电力学院 机械工程系，河北 沧州 061001；2.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北 沧州 061001）

在运输物品过程中，输送带因长时间使用可能会发生断裂现象，目前断带保护装置无法及时进行保护，因此需要对断带保护装置进行改进。应用TRIZ理论中的功能模型分析和因果链分析方法对整个系统进行分析，应用76条标准解、发明原理和分离原理等工具解决问题。基于TRIZ理论对问题进行求解，得到了新型输送带断带保护装置的结构方案，该方案可以有效缩短断带保护所需时间，有效提高断带保护的精准性，从而保护生命财产的安全。通过TRIZ理论对输送带断带保护装置进行创新设计，使新型输送带断带保护装置达到了快速反应、制动精准和结构简单的要求。

TRIZ理论；断带保护装置；技术矛盾；结构设计

TRIZ理论即发明问题解决理论，是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒及一批研究人员在数百万件专利的基础上，提取专利中所蕴含的解决发明问题的原理及其规律后建立的一种方法体系。应用TRIZ理论中的概念、原理和方法，有利于解决产品创新过程中的难题，对创新设计具有指导意义。TRIZ理论是一种基于问题解决理论的创新设计方法，是当今产品设计界的研究焦点[1-3]。

王秀宇等[4]应用TRIZ理论解决了旅行分装按压瓶的二次密封渗漏问题，最终设计出满足客户需求的产品。杨勤等[5]基于TRIZ理论对行李箱进行创新设计，解决了行李箱使用不便及防丢失的问题。王博等[6]应用TRIZ理论对微量润滑喷嘴进行了创新设计，解决了喷嘴冷却润滑效率低、工作过程中过热等问题。杨晨等[7]应用TRIZ理论对螺丝刀进行了创新设计，解决了不能同时拆卸十字槽和一字槽螺钉的问题，提高了应用效率。桓源等[8]应用TRIZ理论克服了苹果分拣套袋装置在使用过程中易损坏苹果、保护效果较差的缺点。Mcginn等[9]将创新设计思维方法应用于辅助机器人设计过程，为辅助机器人的设计提供了相应的理论依据。

文中将TRIZ理论应用于断带保护装置设计，首先把待设计产品表达为TRIZ问题，即建立问题模型，然后利用TRIZ理论中的工具来解决问题，最终得到几个解决方案。最后对方案进行评价，选出最优方案，解决断带保护装置在断带保护过程中保护不及时、精准度不高等问题。

1 带式输送机及断带保护装置介绍

如图1所示，带式输送机是一种依靠摩擦驱动连续方式运输物料的机械，它既可以进行散碎物料的运输，又可进行成件物品的输送。带式输送带具有运输距离长、运输货物质量大和可持续工作等优点，在运输行业应用广泛。基于长时间工作或保养不当等原因，带式输送带易发生断带现象。上运带式输送机一旦发生断带现象，基于其特殊的工作环境，会造成货物滚落、输送带损坏等危害，甚至可能发生人员伤亡事件。为了解决此问题，发明了断带保护装置，防止安全事故的发生。断带保护装置广泛应用于煤矿、冶金、港口、包装等生产现场[10-11]。

带式输送机发生断带事故后，会产生如下危害。

1）货物发生泄漏，损伤输送带托辊支架，导致整体机架变形，损坏机器。

2）货物下滑堆积后，会使输送带受力增大，造成输送带发生纵向撕裂。

图1 带式输送机

3）输送带下滑过程无法控制，会伤及输送机的零部件及输送机道沿线的动力电缆、管路、行人等，甚至可能发生火灾，造成重大经济损失。

目前，可将断带保护装置按工作原理分为摩擦制动类和抓捕制动类。摩擦制动类主要依靠摩擦力来制动输送带，存在不确定性，易造成二次断带现象，因此此种制动方式应用得较少。抓捕制动类的断带保护装置在发生断带时，抓捕器会抓住断裂的皮带，使其制动，避免发生安全事故，在实际生产中应用较广泛，如图2所示。

在实际生产过程中，当发生断带事故时，断带保护装置中的上闸块向下运动，带动断裂的输送带与下闸块接触，从而达到制动效果，阻止断带的下滑，防止发生重大安全事故。

图2 断带保护装置主视图

2 问题描述与分析

在应用TRIZ理论的过程中，需要将待解决的问题表达成TRIZ问题，并借助TRIZ解决问题工具（效用知识库、76条标准解、发明原理、分离原理等），最终得到所需的解决方案[12-13]。

2.1 问题描述

在工作过程中，由于带式输送机长时间运行，其皮带长期受到变应力的影响，易发生皮带磨损、褶皱等现象，从而出现疲劳断裂，造成较大的生命财产损失。在带式输送机发生断带事故后，传感器会发出信号，指挥断带保护装置工作，使断裂的输送带制动，从而保护货物和机械等财产的安全。现有的断带保护装置存在制动时间过长，即反应不迅速的问题，这样会对输送机造成较大损伤。另外，在制动过程中，由于断带保护装置的作用面积较小，输送带局部受力过大，因此易发生二次断带现象，造成更大的财产损失。

2.2 功能模型分析

产品是功能的载体，功能是产品的核心和本质，因此功能是产品创新的出发点和落脚点。建立功能模型，首要任务就是确定技术系统，主要包括元件、制品、超系统[14]，如表1所示。元件是组成系统的物质单元。制品是技术系统主要功能的作用对象。超系统是存在于系统之外但与系统有着相互作用的系统。通过对断带保护装置（图2）技术系统进行分析，确定如下各组成部分。

1）系统元件。包括上闸块、下闸块、上支撑杆、下支撑杆、电动机、丝杠、轴承和支架。

2）超系统元件。包括基础机架、电能、货物、传感器、支撑辊和灰尘。

3）制品为输送带。

通过对各组成部分进行分类，采用相互作用矩阵来表达元件之间的关系，用“Y”表示具有相互作用关系，用“N”来表示无相互作用关系，如表1所示。

通过绘制相互作用关系表，可以清晰表述功能单元之间的相互作用。通过图形方法将表格内容表达出来，可以更直观地观察相互作用关系，尤其是不足作用和有害作用，然后针对不足和有害作用进行问题求解，得到相应的解决方案，如图3所示。

从图3可以发现，存在不足作用是上闸块和下闸块对输送带的保护作用不足，丝杠驱动上闸块的作用不足；存在的有害作用是外部灰尘对丝杆的污染作用，货物对上闸块的阻碍作用。后续应着重解决上述问题。

2.3 因果分析

准确地认识问题是解决问题的前提，而准确认识问题的核心就是因果分析[15-16]。对当前系统进行因果分析，如图4所示。

表1 断带保护装置元件相互作用关系

Tab.1 Interaction relationship between components of belt breakage protection device

图3 功能模型

图4 因果分析

通过因果分析可知，解决断带保护装置无法提供准确保护的问题可从以下4个方面进行改进。

1）在刚性接触方面，需要改善接触方式。

2）在单方向运动方面，需要满足多方向、速度快的要求。

3）在闸块间距方面，需要满足闸块距离输送带较近的要求。

4）在输送带运动时惯性力大、不易停止等方面，需要满足容易停止的要求。

3 问题求解

3.1 物理冲突

物理冲突指单一参数具有相反且合乎情理的需求[13]。从因果分析得到的结果入手，分析断带保护不及时的问题。为了不妨碍煤矿运输，希望断带保护器离输送带的距离越远越好，但为了输送带发生断带情况时能够及时发挥保护作用，又希望断带保护器离输送带的距离越近越好，如图5所示。

考虑到支撑架在空间里具有不同的特性，因此该冲突可以利用分离原理中的时间分离原理进行求解，得到解决方案。

图5 物理冲突分析

1）方案1。将断带保护装置与输送带相连部分设计为可转动。当输送带正常工作时，转动部分被锁死，不能转动。当输送带发生断带现象时，锁死机构被打开，上闸块向下运动，从而实现快速制动。

2）方案2。将断带保护装置设计为可上下旋转的结构。当输送带正常工作时，断带保护装置在原位置被固定。当输送带检测到发生断带现象时，转动装置带动断带保护装置旋转，将输送带固定在闸块间，从而实现制动。

3.2 技术冲突

技术冲突指一个作用同时导致有用和有害的2种结果，常常表现为1个系统中2个子系统之间的冲突[14]。通过对系统进行分析，将系统存在的问题转化为TRIZ标准冲突，从而提高断带保护装置的可靠性、自动化程度，但这样做会导致装置更复杂、可制造性变差。构建冲突矩阵，得到相应的发明原理，如表2所示。

根据得到的发明原理，结合现场实际的工作条件，获得相应的问题解决方案，如表3所示。

表2 冲突矩阵

Tab.2 Conflict matrix

表3 解决方案

Tab.3 Schemes

图6 双向运动装置结构

3.3 物质−场分析

建立物质−场模型，通过前面的分析可知，当带式输送机发生断带情况时，断带保护器的保护不及时是其冲突区域。即断带保护器在夹紧输送带过程中耗费的时间较长，造成其制动效果较差。建立的物质−场模型如图7所示。

根据问题建立物质−场模型，采用第1类标准解中的改进具有非完整功能的系统解决问题。由于单向运动的闸块无法迅速制动输送带，因此在整个系统不变的情况下，将单向运动的闸块变成双向运动的闸块，可以更快地制动输送带。改进后的物质−场模型如图8所示。其中，1为有效制动力，得到了问题的解决方案。

方案8：主要通过带倾斜角度的可旋转抓捕臂来实现抓捕动作，当移动滑块在活塞杆的作用下向前运动时，通过固定在移动滑块上的连杆带动上下抓捕臂向内（靠近输送带的方向）旋转，连杆通过可旋转底座，将上抓捕臂与移动滑块连接，上下抓捕臂中间由万向节进行连接。基于万向节的结构特殊性，可以多角度同时旋转，这样在下抓捕臂向内旋转的同时，上抓捕臂在万向节带动下，与下抓捕臂同步运动。由于上下抓捕臂的固定处向外（远离输送带的方向）倾斜15°，将上下压板分别固定在上下抓捕臂上，上下抓捕臂在万向节的带领下旋转90°后，上下压板刚好夹死，此时给电磁铁通电，增大夹具的夹紧力，确保传送带制动成功，如图9所示。

断带保护装置上下抓捕臂结构如图10所示。在传送带正常工作时，抓捕装置的状态为上下抓捕臂均向两侧倾斜15°。当上下抓捕臂绕旋转轴旋转90°时，使上下压板之间的距离缩短，直至夹紧输送带。利用万向节的结构特殊性，使上下转动臂可在多个方向的

图7 改进前的物质−场模型

图8 改进后的物质−场模型

图9 抓捕装置示意图

图10 上下抓捕臂结构

一定角度范围内变动，从而实现上下抓捕臂运动方向速度的同步转动性，以及球头轴对压板方向的可调节性，达到上下压板在多个角度都能及时夹紧传送带的目的。

4 方案评价

采用蛛网评价体系（如图11所示）对上述方案进行评价，具体评价指标包括生产费用、使用寿命、人机操作、机械效率、成本等，根据上述方案的评分高低得到最优方案。

具体的各个方案评分结果如表4所示。通过整理、融合各个方案可知，将方案6与方案8结合在一起为本项目的最优方案。

图11 蛛网评价

表4 方案评分评价

Tab.4 Scheme rating and evaluation

5 方案验证

在输送带发生断带事故情况下，为了避免造成生命财产的损失，要求断带保护装置在0.3 s内完成抓捕动作，对输送带进行制动。

在抓捕装置动作开始前，抓捕装置处于传送带两侧静止不动，抓捕臂的上下压板与传送带保持平行关系，如图12所示。抓捕装置开始运行，活塞杆向前以500 mm/s的速度前进0.25 s，此时移动滑块在活塞杆的推动下向前沿着导轨做直线运动，抓捕装置的上下抓捕臂在移动滑块及连杆的带动下发生旋转，上下抓捕臂之间的距离减小，并且上下压板与传送带接触，实现抓捕动作，从而与传送带产生较大的摩擦力，达到制动传送带的目的，如图13所示。

图12 抓捕动作前示意图

通过分析输送带作用力图，在断带保护装置运行0.25 s时，输送带受到的最大力为10 kN，可以产生较大的摩擦力，达到制动传送带的目的，如图14所示。

图13 抓捕动作后示意图

总体来看，从断带保护装置的运动仿真中验证了上述结构设计的合理性，且整个结构零件之间配合无误，抓捕装置无任何误动作。在仿真运动中，抓捕装置运行平稳、动作准确，上下压板在接触过程中未错位，保证了上下压板受力的稳定，未出现因错位而损坏传送带的情况，可以满足快速反应、制动精准和结构简单的要求。

6 结语

介绍了运用TRIZ理论对输送带断带保护装置的创新设计过程。通过分析输送带发生断带事故后断带保护装置保护不及时、精准度不高等问题，详细阐述了应用TRIZ理论解决该问题的具体过程，包含问题描述、问题分析、解决方案的产生和方案评价等，充分说明TRIZ理论在解决一般工程问题上具有优势。

[1] ALTSHULLER G. And Suddenly the Inventor Appeared: TRIZ, the Theory of Inventive Problem Solving[M]. Worcester: Technical Innovation Center, 1996: 5-7.

[2] LIEDTKA J. Perspective: Linking Design Thinking with Innovation Outcomes through Cognitive Bias Reduction[J]. Journal of Product Innovation Management, 2015, 32(6): 925-938.

[3] FIORINESCHI L, FRILLICI F S, RISSONE P. A Comparison of Classical TRIZ and OTSM-TRIZ in Dealing with Complex Problems[J]. Procedia Engineering, 2015, 131: 86-94.

[4] 王秀宇, 李昂, 王志刚. 应用TRIZ理论解决旅行分装按压瓶二次密封渗漏问题[J]. 包装工程, 2022, 43(9): 189-196. WANG X Y, LI A, WANG Z G. Solving the Leaking Problem of Packing Pressing Bottle after Second Seal Based on TRIZ Theory[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(9): 189-196.

[5] 杨勤, 李炜烙, 周艾, 等. 基于TRIZ理论的行李箱创新设计[J]. 图学学报, 2021, 42(1): 158-164. YANG Q, LI W L, ZHOU A, et al. Innovative Design of Luggage Case Based on TRIZ Theory[J]. Journal of Graphics, 2021, 42(1): 158-164.

[6] 王博, 于淼, 陈领, 等. 基于TRIZ理论的微量润滑喷嘴设计[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2022(5): 59-61. WANG B, YU M, CHEN L, et al. Design of Minimum Quantity Lubrication Nozzle Based on TRIZ Theory[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2022(5): 59-61.

[7] 杨晨, 张秀芬, 张树有, 等. 基于TRIZ理论的螺丝刀创新设计[J]. 机床与液压, 2022, 50(6): 71-74. YANG C, ZHANG X F, ZHANG S Y, et al. Innovative Design of the Screwdriver Based on TRIZ[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2022, 50(6): 71-74.

[8] 桓源, 栾飞. 基于TRIZ理论的苹果分拣套袋装置的设计[J]. 机械设计, 2021, 38(S2): 104-107. HUAN Y, LUAN F. Design of Apple Sorting and Bagging Device Based on TRIZ Theory[J]. Mechanical Design, 2021, 38 (S2): 104-107.

[9] MCGINN C, BOURKE E, MURTAGH A, et al. Meet Stevie: A Socially Assistive Robot Developed through Application of a Design-Thinking Approach[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2020, 98(1): 39-58.

[10] 李娜. 带式输送机断带抓捕装置设计及其动态性能研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2015: 1-2. LI N. Study on Broken Belt Catching Device Design Andits Dynamic Characteristics of Belt Conveyor[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2015: 1-2.

[11] 罗峥. 输送系统断带保护装置在实践中的应用[J]. 设备管理与维修, 2022(19): 103-104. LUO Z. Application of Belt Breaking Protection Device in Conveying System in Practice[J]. Plant Maintenance Engineering, 2022(19): 103-104.

[12] FEY V, RIVIN E. Innovation on Demand[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2005: 4-5.

[13] CAVALLUCCI D, ROUSSELOT F. Evolution Hypothesis as a Means for Linking System Parameters and Laws of Engineering System Evolution[J]. Procedia Engineering, 2011, 9: 484-499.

[14] 张茹. 基于TRIZ理论的行李箱安全装置优化设计[J]. 包装工程, 2022, 43(22): 187-194. ZHANG R. Optimal Design of Luggage Safety Device Based on TRIZ Theory[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(22): 187-194.

[15] BALDUSSU A, BECATTINI N, CASCINI G. Network of Contradictions Analysis and Structured Identification of Critical Control Parameters[J]. Procedia Engineering, 2011, 9: 3-17.

[16] CAVALLUCCI D, ROUSSELOT F, ZANNI C. On Contradiction Clouds[J]. Procedia Engineering, 2011, 9: 368-378.

Innovative Design of Conveyor Belt Breakage Protection Device Based on TRIZ Theory

ZHANG Wanming1,2, ZHANG Pengcheng1,2*,GONG Xiang1,2, LI Guoqin1,2, GAO Chengsen1

(1. Department of Mechanical Engineering, Hebei University of Water Resources and Electric Engineering, Hebei Cangzhou 061001, China; 2.Hebei Industrial Manipulator Control and Reliability Technology Innovation Center, Hebei Cangzhou 061001, China)

During the transportation of goods, the conveyor belt may break after a long time, and the belt breakage protection device cannot provide protection in a timely manner. Therefore, it is necessary to improve the belt breakage protection device. Functional model analysis and causal chain analysis in the TRIZ theory was used to analyze the entire system, and tools such as 76 standard solutions, invention principles, and separation principles were used to solve the problem. The solution to the problem through the TRIZ theory resulted in a new structural scheme for the conveyor belt breakage protection device. The scheme could effectively shorten the time required for breakage protection, improve the accuracy of breakage protection, and protect the safety of life and property. In conclusion, by applying TRIZ theory to innovate the design of conveyor belt breakage protection device, the new conveyor belt breakage protection device has achieved the requirements of fast response, precise braking, and simple structure.

TRIZ theory; belt breakage protection device; technical contradictions; structural design

TB472

A

1001-3563(2024)07-0214-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.027

2023-04-08

河北水利电力学院基本科研业务费专项资金资助（SYKY2219）；河北省教育厅科学技术研究项目资助（ZD2022081）；河北省大学生创新创业训练计划（S202310085005）

通信作者