基于TRIZ的无极绳绞车托绳轮装置创新设计

【摘" "要】" "采用TRIZ理论的九屏幕分析法、功能分析法和因果分析法对托绳轮组件进行问题分析，确定托绳轮装置中存在的问题。利用“矛盾解决理论”分析及“物场模型”对托绳轮装置进行创新设计，提高托绳轮装置的利用率并减轻磨损，结合ANSYS软件对创新设计的托绳轮装置进行应力与变形分析验证。结果表明，设计的无极绳绞车托绳轮装置可轴向方向移动，增加工作结合面积，有效减小钢丝绳和托绳轮磨损，延长使用寿命，提高利用率。生产工况下最大应力为173.69 MPa，最大应变为0.56 mm，满足设计要求。

【关键词】" "TRIZ；托绳轮；创新设计

【Abstract】" " The nine-screen analysis method， functional analysis method and causal analysis method of TRIZ theory are used to analyze the problems of the guide rope wheel components， so as to determine the problems existing in the guide rope wheel device. The \"contradiction solution theory\" and \"field model\" are used to carry out an innovative design for the guide rope wheel device， so as to improve its utilization rate and reducing wear. The stress and deformation of the innovatively designed guide rope pulley are analyzed and verified by using ANSYS software. The results show that the redesigned guide rope wheel device of endless rope winch can move in the axial direction， increase the working combination area， effectively reduce the wear of wire rope and rope supporting pulley， prolong the service life and improve the utilization rate. Under production conditions， the maximum stress is 173.69 MPa and the maximum strain is 0.56 mm， which meet the design requirements.

【Key words】" " "TRIZ; carrier rope wheel; innovative design

〔中图分类号〕 TU312" " " " " " " " "〔文献标识码〕" A" " " " 〔文章编号〕 1674 - 3229（2024）04 - 0020 - 06

DOI：10.20218/j.cnki.1674-3229.2024.04.003

0" " "引言

对于煤矿井下远距离运输，多采用无极绳绞车辅助运输，无极绳绞车适用于长距离、大倾角多变坡、大吨位工况条件下的设备与物料运输［1］。以淮南某矿区为例，无极绳运输单行程达3 km左右，最长直线段可达约1 km。因运输距离长，钢丝绳支撑距离大，运输中钢丝绳由于自重会与地面、道轨等出现摩擦。针对以上问题，煤矿多采用托绳轮支撑钢丝绳，防止钢丝绳与地面、道轨磨损。托绳轮一般采用直接固定在地上和托绳轮结构组件支撑两种方式，煤矿井下多使用无极绳绞车托绳轮结构组件支撑钢丝绳，托绳轮组件采用双轮，可各自承载单向钢丝绳运动。托绳轮组件结构如图1所示。

绞车运行中，托绳轮与钢丝绳间摩擦磨损会导致钢丝绳断丝，钢丝绳与托绳轮侧挡磨损会损坏托绳轮组件。钢丝绳与托绳轮摩擦工作，存在单一绳迹磨损、托绳轮使用不充分、利用率低等问题，导致生产成本高。对于上述钢丝绳磨损断丝情况，生产企业主要采用耐磨蚀聚氨酯复合材料托绳轮降低强度，减少钢丝绳磨损，增加钢丝绳寿命。对于单一绳迹磨损、托绳轮利用率低的问题，在生产维护中，采用托绳轮轴向调转180°和多位置托绳轮互换增加托绳轮绳迹磨损数，但利用率仍然较低，生产成本仍高。对于钢丝绳磨损侧挡问题通过更换托绳轮，没有解决本质问题。

因此，本文通过发明问题求解理论（TRIZ），以期从根本解决以上问题。发明问题求解理论（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）是前苏联著名发明家Altshuller领导的研究机构在分析了全世界近250万件高水平专利的基础上，综合多学科领域的原理后提出的一套理论方法体系［2-3］，TRIZ理论可有效、快速分析技术问题，找到问题本质或冲突［4-6］。采用TRIZ理论，可获得多种解决方案，并找到最优方案［7-9］，解决托绳轮单一磨损及使用率低下的问题。

1" " "基于TRIZ的托绳轮组件问题模型

1.1" "当前技术问题

无极绳绞车托绳轮结构在承载钢丝绳工作中，托绳轮通过轴支撑固定在托绳轮架上，托绳轮架焊接在支撑框架上，支撑架整体通过螺栓压紧垫片与钢轨产生的摩擦力固定在钢轨工字钢上，支撑架位置固定，无法移动，因此，钢丝绳与托绳轮摩擦位置固定，托绳轮单一绳迹磨损，导致轮面与托绳轮使用率低。

1.2" "基于“九屏幕法”分析托绳轮组件

九屏幕分析法是TRIZ理论中的创新思维五大方法之一［10-11］，是系统思维的一种方法，它是把问题当成一个系统来研究，关注系统的整体性、层级性、目的性。关注系统的动态性、关联性，即各要素之间的结构主要应用时间和系统两个维度对无极绳托绳轮组件进行系统思考和分析［12］，九屏幕系统分析如图2所示。以固定无极绳托绳轮组件为当前系统，对固定无极绳托绳轮组件进行九屏幕方法分析，结果发现托绳轮组件系统无法轴向移动，从而出现托绳轮绳迹磨损单一，整体使用率低、寿命短。

通过图2可知，采用可移动无极绳绞车托绳轮组件替代固定无极绳绞车托绳轮组件，可增加使用寿命，提高托绳轮利用率。

1.3" "基于功能组件分析托绳轮组件

以俄罗斯系统工程师索伯列夫为代表的TRIZ研究者基于价值工程的功能分析方法，提出了基于组件的功能分析方法，实现了对已有技术系统的功能建模。通过对已有技术系统进行分析，得到正常功能、不足功能、过剩功能和有害功能，以帮助工程师更详细地理解技术系统中部件之间的相互作用。其目的是优化技术系统功能，简化技术系统结构，对系统进行较少的改变就能解决技术系统的问题，并最终实现技术系统理想度的提升。以组件的功能分析作为TRIZ识别问题与分析问题的功能引入，极大地丰富了TRIZ的知识体系［13］。

依据TRIZ功能分析方法，对固定托绳轮构成组件进行详细划分，可分为托绳轮、轴、托绳轮架、支撑框架、螺栓、螺母、弹簧垫圈、压片等构件。根据实物存在问题与各构件关系，对部件进行系统组件关系矩阵分析，理清各部件间相互作用，建立系统组件网络功能模型，如图3所示。

依据系统网络组件功能模型，分析技术系统中各组件间关系，得到各组件间功能关系，如图4所示。

根据系统功能模型，简化系统模型，优化改进技术系统功能，以解决无极绳托绳轮组件技术系统问题，最终提高技术系统理想度，可以通过系统裁剪来实现［14］。原结构固定通过螺栓、螺母、弹簧垫圈将压力传导至压片，固定在钢轨下板上下表面，安装更换托绳轮组件时固定四角压片复杂困难，需多人合作安装，效率低下。因此，弹簧垫圈、螺母、压片、托绳轮架组件可进行裁剪。裁剪后托绳轮组件的固定通过将螺栓改为可伸缩螺杆压紧在钢轨侧面，并改进支撑框架结构，使轴直接由支撑框架支撑，优化结构，一人便可安装、更换，裁剪后系统组件功能模型如图5所示。

1.4" "基于“因果分析法”分析托绳轮组件

因果分析法是TRIZ理论中一种常用的分析问题方法，是研究事物发展的结果与产生原因之间的关系，并对影响结果的因素进行分析的方法［13］。采用因果分析法分析问题，可通过因果链找出事件发生原因和产生结果之间的关系［15］。

无极绳托绳轮组件可分为托绳轮、轴、托绳轮架、支撑框架等主要结构，根据图1存在问题进行因果分析，分析结果如图6所示。

根据图6因果分析，得出无极绳托绳轮组件主要存在以下问题：（1）缺乏可移动结构；（2）支撑框架宽度、轨道宽度限制支撑框架长度；（3）托绳轮与钢丝绳接触为线接触，接触面小。

2" " "应用TRIZ理论解决问题

2.1" "基于“矛盾解决原理”进行无极绳托绳轮组件结构创新设计

矛盾解决原理为TRIZ理论工具解决问题方法之一。矛盾理论主要有管理矛盾、技术矛盾、物理矛盾3种，对于产品创新设计主要是后两种矛盾。技术矛盾在解决方案中会出现一个参数得到优化，而另一个参数被恶化。物理矛盾主要集中在系统同一物理参数会出现矛盾化，既会出现有益功能，也会出现有害功能［16］。

原有托绳轮组件如图1中所示，在运行中，托绳轮支撑钢丝绳，随钢丝绳线性运动而滚动，托绳轮受到压力和摩擦力，钢丝绳同托绳轮呈线接触，加剧托绳轮磨损，从而造成托绳轮寿命较短，使用率较低。托绳轮通过轴固定在托绳轮架上，托绳轮架焊接在支撑框架上，托绳轮架上承载双向两个轮子，托绳轮在宽度和长度方向皆不能移动，从而托绳轮与钢丝绳单一绳迹磨损，不能多位置支撑，适用性差、使用率低。

根据以上分析，需要增加托绳轮与钢丝绳的接触面积，从而增加结构的复杂性。对于单一绳迹磨损，需要增加托绳轮适应性，能够轴向长度充分磨损，但现有尺寸情况限制托绳轮适用性、通用性。结合因果分析链得出根本原因，将上述技术矛盾冲突总结为：运动物体的面积同设备复杂性之间的矛盾冲突，适用性、通用性与静止物体尺寸之间的矛盾。

根据矩阵对应参数和原理，结合托绳轮组件具体情况，选取合适、有价值原理如下：14 曲面化原理、01 分割原理；35 改变特征原理（物理或化学参数改变）。查找Altshuller矛盾矩阵表，确立本系统子矩阵，如表1所示。

依据表1矛盾矩阵表，做出以下具体方案：（1）设计托绳轮圆柱滚筒为圆弧曲面滚筒；（2）将托绳轮轴向长度分离为多个绳道滚筒；（3）设计优化支撑框架、托绳轮架结构。

2.2" "基于“物-场模型”进行托绳轮组件创新设计

在TRIZ理论中，采用两种物质和一种场的方式来表达技术系统中相互作用和能量转换关系的符号模型称为物质-场模型。物质和物质间通过场相互作用，场是产生作用的一种能量，两个物质（S）和一个场（F）就可组成最小的物场模型［17］，结合托绳轮组件物场分析模型，得到相应创新方法。

依据因果链分析，若增加托绳轮轴线方向长度，可增加托绳轮使用率，但过长会干涉反向运动钢丝绳，因此形成一对物理矛盾，可通过引入移动机构来解决，因此建立钢丝绳托绳轮物-场模型如图7所示。增加移动机构，可以使托绳轮移动，在轴线方向移动，增加托绳轮使用率。

2.3" "托绳轮组件结构方案总结

综合九屏幕法、系统功能裁剪、技术矛盾分析、物场模型等分析结果，共得出8种方案，对各方案经济性、技术可行性、稳定性及实施可能性分析如表2所示。

综合分析，淘汰方案4和方案6，最终选取方案1、方案2、方案3、方案5、方案7、方案8共计6种可行改进方案。

根据可行改进方案，设计改进无极绳托绳轮装置如图8所示，将两组托绳轮从托绳轮架分离，将轴加长，直接支撑在支撑框架上。托绳轮由原整体托绳轮分离为宽度略大于绳直径宽度的多个托绳轮，且都可在轴线移动，单向钢丝绳可由单个或一对托绳轮共同承担，使每个托绳轮都得到充分使用。轮面设计为曲面，增加钢丝绳与轮摩擦面接触面积，减轻磨损，提高使用寿命，原托绳轮通过螺栓、螺母、锥形垫片固定在钢轨底面，优化通过脚杯螺栓结构联接压紧产生摩擦力支撑，结构简单、操作方便。

3" " "优化设计托绳轮组件理论计算与仿真

3.1" "轴理论应力计算

无极绳绞车钢丝绳和拖绳轮重量由轴支撑，轴的安全性决定拖绳轮组件安全性，需要达到强度要求。设计选取轴直径为18 mm，材料为45号调质钢，许用弯曲应力为［σ］=410 MPa，长为700 mm，轴两端固定支撑。

依据淮南某矿无极绳绞车使用钢丝绳直径为22.5 mm，根据《机械设计手册》查表，钢丝直径：1.4 mm，参考重力：1658 N/100 m，依据设计三维模型，绳轮与轴承总重量为174 N。

基于煤矿生产实际使用中，约每10 m放置一个拖绳轮组件，考虑巷道坡度问题，为确保安全，将拖绳轮两侧共20 m皆考虑施加于单轮上，由单轴承担，根据应力、挠度最大化最坏情况验算，将力施加于轴中间位置。由于拖绳轮滚动，摩擦力较小，对轴扭矩较小，因此忽略。

式中，G为重力；L为轴长度；M为弯矩；σ为弯曲应力；W为抗弯截面系数；n为安全系数。

通过上述计算，轴弯曲强度最大值为154.6 MPa，小于许用弯曲强度，安全系数为2.65，符合要求。

3.2" "轴静力学分析

对轴两端施加全约束支撑［18］，施加重力，因杆件中间位置弯矩最大，考虑最极端情况，在轴中间位置施加钢丝绳、绳轮等效重力505.6 N，进行静力学分析，结果得出最大应力为173.69 MPa，最大应变为0.56 mm，轴等效应力云图和轴应变云图如图9和图10所示。结果同理论计算结果基本相同，结构安全可靠。

4" " "结论

本文通过TRIZ理论的九屏幕分析、因果分析、系统功能组件简化分析、矛盾解决理论分析及物-场模型方法，总结出8种设计方案，经评价分析，选出6种设计方案。综合6种方案，设计改进了无极绳绞车托绳轮装置，同改进前结构相比，使用寿命大大延长，避免了更换托绳轮发生工伤事故的安全隐患，并且安装方便、移动便捷。通过理论计算得出轴弯曲强度最大值为154.6 MPa，小于许用弯曲强度，安全系数为2.65；运用ANSYS workbench软件对结构进行了静力学分析，结果显示设计改进结构最大应力为173.69 MPa，变形0.56 mm，满足使用要求。

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责任编辑" "曹秀利

［收稿日期］" "2024-01-24

［基金项目］" "矿山智能装备与技术安徽省重点实验室开放基金项目（ZKSYS202106）；国家创新方法工作专项（2018）

［作者简介］" "刘国庆（1987- ），男，硕士，淮南师范学院机械与电气工程学院讲师 ，研究方向：研发与制造。