基于物理矛盾分析的帶式輸送機托輥專利規避設計

王麒酈，李艷，劉富，張彥輝

（1.北京印刷學院2.數字化裝備北京市重點實驗室3.印刷裝備北京市高校工程研究中心，北京市 102600 4.北京科技大學機械工程學院,北京市 100083）

綠色包裝研究Green Packaging Research

基于物理矛盾分析的帶式輸送機托輥專利規避設計

王麒酈1,2,3，李艷1,2,3，劉富1,2,3，張彥輝4

（1.北京印刷學院2.數字化裝備北京市重點實驗室3.印刷裝備北京市高校工程研究中心，北京市 102600 4.北京科技大學機械工程學院,北京市 100083）

本文提出一種基于物理矛盾分析的專利規避創新設計流程，通過專利檢索獲取要規避的目標專利，運用TRIZ工具對目標專利進行問題分析，通過分析物理矛盾得出初始設計方案，構建原始解的功能模型，輔助功能裁剪，得到最終結構設計方案，并進行專利侵權判定，最后用帶式輸送機托輥驗證流程的可行性。

帶式輸送機；托輥；物理矛盾；裁剪；專利規避

1 引言

經濟全球化的大趨勢下，市場競爭日趨激烈，使得新產品的研發周期越來越短。企業為滿足市場需求，必須縮短產品研發周期，搶占市場先機，因此企業必須找到一種新的方法來提升自身創造力。企業要提高核心競爭力，關鍵是要重視知識產權的創造與應用，重組技術創新和專利戰略[1]。因此，通過專利規避設計突破國內外領先者設置的專利壁壘并形成自主知識產權，對于技術單薄，資金薄弱的中小型企業在研發創造的過程中尤為重要[2,3,4]。

帶式輸送機是一種輸送松散物料的主要設備，因其具有輸送能力大、投資費用相對較低等特點而被廣泛應用于港口、碼頭和煤礦井下的物料輸送[5]。帶式輸送機一般由機架、輸送帶、托輥、張緊裝置以及傳動裝置組成。其中托輥是帶式輸送機中，分布最多，用量最廣的組件。托輥承受著輸送帶以及所輸送物品的全部重量，是帶式輸送機中最易發生故障、損壞消耗最多、存在噪音源最多的部件。本文提出一種基于TRIZ中物理矛盾分析的專利規避創新設計流程，并以帶式輸送機中的托輥為對象，驗證該流程的可行性。

2 基于物理矛盾分析的專利規避設計

2.1 物理矛盾

物理矛盾是TRIZ理論中解決問題的模型。物理矛盾指的是同一個參數具有相反的并且合乎情理的需求。當對一個子系統具有相反的要求時，就出現了物理矛盾[6]。

2.2 專利規避

專利規避是以專利侵權的判定原則為依據，通過分析已有專利，使產品的技術方案借鑒現有的專利技術，但不落入其專利保護范圍的研發活動，是一種為避免侵害某一專利之專利范圍，所進行的一種可持續創新與設計的活動，同時也是一種創新新產品的設計、決策過程[7]。

2.3 專利侵權判定

專利侵權判定就是指判定被指控的產品或方法是否構成專利侵權。在規避的過程中主要遵循四個原則。第一：全面覆蓋原則；第二：等同原則；第三：禁止反悔原則；第四：多余指定原則[7]。

2.4 專利規避流程

專利規避的具體流程如圖1所示。

3 帶式輸送機托輥的專利規避設計

托輥是帶式輸送機中用量最大，更換頻率最高的零部件，是影響輸送機使用效果的關鍵部件之一。占整機重量的 30%～40%，占整機價格的 25%～30%[8]。托輥工作效率低下，直接引起整機的工作效率低。因此提高托輥的工作效率，對提高帶式輸送機的工作效率有著深刻的意義。目前帶式輸送機托輥所存在的主要問題有使用壽命短、旋轉阻力大、重量大、噪音大等[9]。本文就托輥旋轉阻力大這一問題，應用專利規避的方法對目標托輥專利進行分析，確定現有托輥技術難點與規避對象，通過TRIZ工具設計出新型的托輥結構。降低托輥運行過程中的旋轉阻力，提高帶式輸送機的工作效率。

圖1 專利規避流程

3.1 專利篩選

以“托輥”為關鍵詞，檢索國家知識產權局的專利庫，檢索專利類型為發明專利，共檢索出有效的發明專利為137件。檢索背景表見表1。

表1 專利檢索背景表

表2 備選規避專利明細

用專利判定法則篩選搜索到的發明專利，最終篩選出備選規避專利有3個，見表2。

本文選擇第1個專利進行專利規避設計。

3.2 問題分析

3.2.1 功能分析

功能分析是一個分析問題的工具，一種識別系統和超系統組件的功能、特點及其成本的分析工具。功能分析分為三步：組件分析、相互作用分析和功能建模[10]。

1）組件分析是指將系統和超系統加以區分，并分類列出來。現有托輥的內部結構如圖2所示，其中包括外托輥、內托輥、軸承座、迷宮密封圈、端頭壓緊蓋、彈性擋圈、主動密封圈、主動密封支座、軸承、托輥軸等組件組成。

從系統的功能入手，識別主要功能、系統和超系統，對托輥進行組件分析，見表3。

圖2 托輥內部結構圖

表3 托輥組件分析

2）相互作用分析是識別組件兩兩之間的相互作用，為以后的功能模型建立打下基礎。托輥系統相互關系矩陣見表4。

3）建立功能模型是指識別組件之間的具體功能，并根據其執行功能的性能加以評估，最后形成功能模型圖。托輥系統的功能模型如圖3所示。

3.2.2 因果鏈分析

表4 托輥系統相互關系矩陣

帶式輸送機在運行過程中，主要出現的問題有，輸送帶跑偏、打滑，托輥旋轉阻力大，驅動滾筒打滑，張緊裝置失效，電動機功率分配不均衡，清掃裝置失效等問題，本文針對托輥的旋轉阻力大的問題展開研究。結合功能分析，建立的托輥旋轉阻力大的因果鏈，如圖4所示。

圖3 托輥系統功能模型

圖4 托輥系統因果鏈分析

同時擁有負面影響因素（-）與正面影響因素（+）的不利點即為物理矛盾[11]。由上述因果鏈分析可知，托輥系統存在兩對物理矛盾，本文選擇托輥的自重大這一物理矛盾進行解決。

4 物理矛盾分析

4.1 描述關鍵問題，寫出物理矛盾

本文的核心問題是：托輥的自重大導致托輥運行過程中的慣性大，在運行過程中所受的沖擊較大，旋轉阻力就大，托輥就容易發生彎曲折斷，噪音大，壽命縮短；而托輥自重小又會導致托輥的抗沖擊能力和極限承載能力弱。這兩個核心問題相互組成一個物理矛盾。物理矛盾分析見表5。

表5 物理矛盾分析

4.2 確定適用的分離原理

通過4.1的分析可以確定適用的分離原理是基于空間分離。

4.3 選擇對應的發明原理

基于空間分離的發明原理一用共六個：發明原理1：分割；發明原理2：抽取；發明原理3：局部質量；發明原理4：非對稱；發明原理5：嵌套；發明原理6：空間維數變化。本文中采用的原理是1號，分割[10]。

4.4 產生具體的解決方案

將托輥的支撐板分割成單個的支撐柱，使其離散化，使得托輥的自重大大減輕，既提高了托輥的抗沖擊和極限承載能力，又有效的降低了托輥工作時的旋轉阻力，成功解決矛盾。

5 裁剪

密封也是造成旋轉阻力的主要原因，當自重減輕的時候，旋轉阻力將得到有效的減輕，而相應的密封這個原因也得到了削弱，因此再運用裁剪來簡化托輥的結構，實現創新設計。經裁剪后的功能模型如圖5所示。

最終方案的結構模型如圖6所示。

圖5 最終方案功能模型

圖6 最終方案結構模型

6 侵權判定

運用2.4的專利判定原則判斷此規避設計是否成功。最終得出該設計符合規避設計的要求結果，不存在侵權現象，規避成功。

7 結論

本文通過TRIZ理論中分析問題的工具對目標專利的技術系統進行分析，確定目標專利中存在問題的根本原因，進而對可以改進的方面進行基于物理矛盾的規避設計，獲得新型的規避方案。并將此方法應用于帶式輸送機托輥的規避設計中，成功的設計出新型的托輥裝置，降低了托輥的旋轉阻力，提高了托輥的工作效率。

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[11]許棟梁, 侯俊亭.萃智系統化組件削剪手法及設備再設計創新[J],國際系統創新雜志.2012,2(1):2-21.

Patent Circumvention of Belt Conveyor Based on Physical Contradiction Analysis

WANG Qi-li, LI Yan, LIU Fu, ZHANG Yan-hui

In this paper, a patent based on physical contradiction analysis to avoid the innovative design process, through patent search to get to avoid the target patent, the use of TRIZ tools to target the problem of patent analysis, through the analysis of physical contradictions to obtain the initial design, model, auxiliary function trim, get the fnal structural design, and patent infringement decision, and fnally with the belt conveyor roller verifcation process feasibility.

belt conveyor; roller; physical contradiction; trimming; patent circumvention

TB486

A

1400 (2017) 08-0041-06

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.08.001

王麒酈（1991－），女（漢族），河南省周口市人，碩士在讀，主要研究方向為印刷裝備創新設計與仿真技術。

李艷（1965－），女（漢族），北京人，北京印刷學院機電工程學院教授，碩士生導師，現為數字化印刷裝備北京市重點實驗室暨印刷裝備北京市高等學校工程研究中心副主任，主要研究方向為印刷裝備創新設計與仿真技術。