钢丝绳电动葫芦是一种轻小型起重设备,具有体积小、自重轻、操作简单和使用方便等特点,常用于工矿企业、仓储码头等场所,钢丝绳电动葫芦上的导绳器为使钢丝绳按规定间隔整齐地绕上卷筒的装置,当导绳器在卷筒上移动与钢丝绳的卷绕不能同步时,常有导绳器被拉坏、连接杆被折弯等现象。导绳器的破裂会使导绳器无法完成其压绳、排绳的功能,同时可能致使高度限位无效,导致过卷扬事故的发生。维修损坏的导绳器时,更换弧形压板非常麻烦,并具有一定的危险性。针对这种情况,作者利用TRIZ理论对钢丝绳电动葫芦导绳器进行了分析,给出了解决方案,并将解决方案同时补充到TRIZ发明原理数据库中,为其他设计者进行类比创新设计提供参考。
1 TRIZ理论
TRIZ英文全称是theory of the solution of inventive problems(发明问题解决理论)。该理论是苏联科学家G.S.Altshuller及一批研究人员在分析了世界各国250万件专利的基础上提出来的,他们从这些最有效的解中抽象出TRIZ解决发明问题的基本方法,这些方法又可以普遍地适用于新出现的发明问题,协助人们获得这些发明问题的最有效的解。
Altshuller提出了用于描述冲突的39个通用工程参数和用于解决冲突的40个发明原理,并建立了对应的关系,即冲突解决矩阵。在冲突解决矩阵中,第1行为恶化的工程参数,第1列为改进的工程参数,行与列交叉处所对应的数字为推荐采用的40条发明原理的序号,冲突矩阵的行和列使用的是通用的工程参数,推荐的发明原理是原理解,所以在设计过程中,要使用冲突解决矩阵就必须将设计中的特定问题进行预先处理,即用TRIZ的39个工程参数描述冲突,并且要对使用冲突解决矩阵得到的标准解进行后处理,即把标准解转化为具体解。应用冲突矩阵解决问题的一般过程如图1所示。
图1 TRIZ理论解决问题的一般流程
TRIZ中的发明原理是由研究人员对不同领域的已有创新成果进行分析、总结后得到的具有普遍意义的经验,这些经验对指导各领域的创新都有重要参考价值,实践证明这些原理对于指导设计人员的发明创造具有重要作用。当找到确定的发明原理以后,就可以根据这些发明原理来考虑具体的解决方案。
利用TRIZ矩阵将标准问题转化为标准解,所得到的原理解只是所抽象出来的一般性描述文字,根据TRIZ解决问题的一般过程构建出计算机辅助创新系统,并根据发明原理构造解决问题的样例数据库,使工程设计人员从其他行业得到解决类似问题的启发,可以让工程设计人员更为方便地从获得的标准解得到解决具体问题切实可行的具体解。
2 钢丝绳电动葫芦导绳器
钢丝绳电动葫芦是工厂、矿山、港口、仓库、货场等处为提高劳动效率、改善劳动条件必备的常用起重设备之一。
常见电动葫芦的结构由起升电动机、起升机构减速装置、制动装置、卷筒装置、电动小车、导绳器等部分组成,其外形结构如图2所示。
图2 电动葫芦结构组成示意图
其中5为现用电动葫芦导绳器,其组成结构示意图如图3所示。
图3 导绳器结构示意图
电动葫芦导绳器的工作原理是:在圆钢带1绕曲的整体式内螺纹导绳器块4外周上固定连接一个弧形压板3,弧形压板中部设有过绳槽,弧形压板两端向外设有在电动葫芦外壳上滑动的卡块,安装时将内螺纹卡箍与卷筒上的螺纹对应转动套在一起,再把钢丝绳从弧形压板中部的过绳槽内引出与吊件相连即可。使用时钢丝绳从弧形压板中部的过绳槽内通过,卷筒相对于导绳器轴向移动使钢绳按顺次卷绕在卷筒上。
其工作特点是,导绳器不能转动,当卷筒转动时,随钢丝绳卷绕,由螺纹槽带动沿轴向移动,随时将所缠绕的钢丝绳准确地引入、引出卷筒的螺旋槽,钢丝绳由弧形压板上的过绳槽排出,同时当电动葫芦升降到一定高度时,弧形压板两端的卡块拨动高度限位器传动杆上的卡块,防止电动葫芦发生过卷扬或保持足够的安全圈数。若导绳器在卷筒上的移动与钢丝绳的卷绕不同步、歪拉斜吊等违章操作行为常常会使导绳器被拉坏。
当导绳器发生损坏后需要对其弧形压板更换时,需要从钢丝绳绳端固定处进行拆卸,然后取下损坏的弧形压板,再安装新的导绳器并重新固定绳端,非常麻烦,尤其在空中进行就会更为困难。
3 对导绳器的改进
为了解决导绳器弧形压板更换困难的问题,利用以TRIZ理论为基础的创新系统对导绳器进行分析研究。TRIZ理论中将可维修性作为一种通用工程参数,在维修性冲突解决过程中有2种基本思路:一是将维修性作为改善的一方,解决产品其他工程参数恶化的问题;二是将其他工程参数作为改善的一方,解决产品维修性恶化的问题。
显然在这里,想要提高的工程参数是产品的可维修性;而提高可维修性同时又不能使其恶化的工程参数,对电动葫芦生产商和电动葫芦使用者而言也不相同。由于导绳器只是电动葫芦上的零配件,对电动葫芦的使用者而言,在提高可维修性的同时,还需关注导绳器的强度参数不能恶化;导绳器的生产厂家要提高可维修性的同时还应关注到导绳器装置的复杂性及其本身的可制造性等因素。
分析后将需改善的技术参数可维修性34、提高可维修性将可能恶化的技术参数强度14、可制造性32、装置的复杂性36利用基于TRIZ理论构建的创新设计系统进行求解如图4所示。可得出适用发明原理分别为1,2,9,10,11,13,35。
图4 利用技术参数得出适用发明原理
选择发明原理后可根据系统进入如图5所示界面。此界面可分为2个部分、4个区域。2个部分分别为原理部分和实例部分。4个区域为原理文字阐述区域、原理图形解释区域、实例文字阐述区域和实例图形解释区域。
图5 分割发明原理
分割原理的含义可细分为:1)把一个物体分成几个部分;2)将物体分模块组装;3)提高物体的分割性。类比可拆铲斗的唇缘设计等案例,将导绳器弧形压板分为卡环、连接和出绳三个功能模块部分。将连接和出绳两个部分进行分离,可得如图6所示结构。
图6 由分割原理得弧形压板结构
将弧形压板分割为两部分,采用压块3、螺栓2重新将其连接。若因导绳器的损坏,需要更换弧形压板,只需卸下螺栓,拿掉压块就可以将钢丝绳直接拿出,而不必再将整根钢丝绳从过绳孔抽出,才可维修更换导绳器弧形压板。
采用这种结构,更换新的导绳器时,虽然可以避免将钢丝绳绳端固定处拆卸后再重新固定,但明显增加了装置的复杂程度,受目前导绳器块原有结构的影响,实用性较差,暂时并不推荐使用。
采用发明原理2分离(分开)的设计思路,将弧形压板上的过绳功能和导绳功能进行分离,可得如图7所示结构设计。
直接在弧形压板上加工出可以拆下钢丝绳的槽,再用压块将其封住,若导绳器发生损坏,需要更换弧形压板,可拆除螺栓,拿掉压块后直接从侧槽将钢丝绳取出.这种结构容易实现,很多情况下,即使在电动葫芦施工现场也可以对其改造。
图7 采用分离原理得弧形压板结构
发明原理9,10,11分别为事先(预制)反作用、动作(行为)预制和事先对策预防。9主要指的是预先实施相反的功能,使事物工作时按照预先设想动作进行。10往往可以指预先对物体进行特殊安排,使其在时间上有准备或已处于易操作位置。11指通过物体的事先动作补足其可靠程度。这3条原理所指的都是预先对物体进行操作,以减少或避免优化造成有效参数的恶化,导绳器的损坏往往是由于斜吊重物造成的,因此防止歪拉斜吊是避免电动葫芦导绳器损坏的有效方式,采用行程限位开关,采用微动开关,都是预先采用传感器避免斜拉或侧拉的方式,使起升装置断电从而令起升功能失效,可视为预操作原理的典型应用。
发明原理13(逆问题)指可试着用相反的动作来取代指定的动作,导致电动葫芦导绳器损坏的主要原因是导绳器的磨损和不规范操作即歪拉斜吊。现在,假设钢丝绳电动葫芦不存在磨损,并且允许歪拉或斜拉,那么就要求在歪拉和斜拉的同时,钢丝绳不能脱槽,电动葫芦可以照常使用。我们知道,电动葫芦导绳器的主要功能是压绳导绳,那么能否在不使用导绳器的状态下实现其功能?考虑采用电磁力、流体力或其他方式的力实现压绳,发现并不容易实现。
结合发明原理35(物体的物理或化学状态变化),可将所设想具体化,所要得到的是压绳、导绳的功能,同时避免歪拉斜吊对实现该功能的损害,那么改变导绳器的柔度,采用其他材料制作导绳器及压板,可在增大导绳器耐磨性的基础上进一步增强导绳器的弹性。现已有厂家试图利用工程塑料等材料取代铸铁制作导绳器,且取得了一定的成果。
4 结论
在基于TRIZ理论构建计算机辅助创新系统的基础上,对电动葫芦导绳器进行了深入的分析,给出了便于电动葫芦导绳器弧形压板更换的结构改进方案,肯定了采用预操作方式避免电动葫芦导绳器损坏的方案及通过采用物体的物理或化学状态变化改进其性能的方案.这些方案可为生产或使用电动葫芦的企业进行改进设计提供参考;另外,将这些方案补充到计算机辅助创新系统的发明原理数据库中,也可以为其他使用该系统的设计人员提供更多案例,便于进行类比创新设计。
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