TRIZ理論在井下運輸設備研制中的應用

趙媛媛

摘要：本文基于TRIZ創新理論，利用因果分析等分析方法發掘井下煤炭運輸活動中影響連續高效運輸的問題，挖掘出關鍵的技術矛盾，查矛盾矩陣表找出對應的創新原理，根據創新原理的指導，建立數字模型，對受力情況、彎曲參數等進行分析，優化可彎曲膠帶機的結構，為膠帶運輸機在井下長距離連續運輸提高適應性。

關鍵詞：巷道運輸；TRIZ創新方法；因果分析；技術矛盾；連續運輸

中圖分類號：TD52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）12-0058-02

Abstract： in this paper， based on the theory of TRIZ innovation， using analysis methods such as causal analysis excavation of underground coal transportation activities affect the continuous and efficient transportation problem， dig out the key technology of contradiction， contradiction matrix table find corresponding innovation principle， according to the principle of innovation， the direction of establishing digital model， analyze the force and bending parameters， optimize the structure of flexible tape machine， belt conveyor in underground long-distance transport continuously improve adaptability.

Key words： roadway transportation； TRIZ innovation method； cause and effect analysis； technical contradiction； continuous transportation

引言

膠帶運輸機作為常用的連續運輸設備已經在露天礦、水電站建設工程、井工礦巷道、干線輸送以及其他生產系統中推廣使用，其中大部分主要應用于長距離輸送，通常轉彎半徑在500～6000m范圍內[1]。在井工礦巷道，往往需要使得物料在較短的路徑內實現彎曲轉載輸送，目前通常的方法是通過多臺設備搭接或鉸接的方式設置不同的轉載單元，這種方法的缺點是效率低、費用高、故障率高、粉塵環境污染嚴重。因此，迫切需要研制出滿足井下高效、連續運輸的設備，提高運輸效率、保證作業人員健康安全[2]。

1 現有問題描述

1.1 問題描述

隨著綜采工作面掘進水平的大幅度提高，傳統掘進工藝下常用的連續運輸設備主要有轉載機+皮帶機、連續運輸系統，需要頻繁延皮帶、操作復雜，使巷道運輸不連續，嚴重影響運輸效率。

可彎曲帶式輸送機是區別于傳統運輸方法新型運輸設備，可有效提升運輸效率。在設計過程中存在如下問題：膠帶運輸機輸送距離較長，前部緊跟破碎轉載機，后端與自移動力站相連，如果僅靠前后兩端支撐則自身結構剛性不足，還會增大兩端支撐設備的接地比壓[3]；井下情況復雜，存在巷道彎曲、底板起伏不平等問題；膠帶運輸機在井下需拐彎并適應起伏的工況；膠帶彎曲運行張力大、易跑偏；膠帶可彎曲率與機架最小彎曲半徑不匹配；膠帶磨損嚴重等問題，對高效快速運輸產生了比較大的影響。

2 TRIZ解題流程

2.1因果分析

圖2 因果分析

2.2運用TRIZ工具

通過因果分析（如圖2）可知，可彎曲膠帶運輸機存在四個技術沖突。

技術沖突1：由于連續運輸的需求，就需要增加設備的長度，但是就會出現如下沖突：輸送距離較長，如果僅靠前后兩端支撐則自身結構剛性不足，還會增大兩端支撐設備的接地比壓。即：需要改善的參數為移動件長度，但同時惡化的參數是強度及應力、壓強。

查矛盾矩陣表得到技術沖突1的創新原理為：1.分割原理、15.動態化原理、8.重量補償原理、35.參數變化原理、10.預操作原理、36.狀態變化原理。

技術沖突2：存在整機彎曲半徑太大則使用不靈活，無法滿足在巷道中轉彎的要求，彎曲半徑太小膠帶跑偏不易控制的沖突。即：需要改善的參數為系統復雜性，但同時惡化的參數是控制和測量的復雜性。

查矛盾矩陣表得到技術沖突2的創新原理為： 15.動態化原理、10.預操作原理、37.熱膨脹原理、28.機械系統的替代原理。

技術沖突3：需要盡量減小皮帶張力，否則無法保證輸送機在膠帶運行過程中順利拐彎。即：需要改善的參數為張力、壓力，但同時惡化的參數是物體穩定性。

查矛盾矩陣表得到技術沖突3的創新原理為：2.分離原理、35.參數變化原理、40.復合材料原理。

技術沖突4：疊層阻燃輸送帶是可彎曲帶式輸送機的核心部件，要求能適應轉載機的彎曲功能，但同時又要保證輸送帶的使用壽命。即：需要改善的是形狀，但是惡化的是物質損失。

查矛盾矩陣表得到技術沖突4的創新原理為：29.氣動與液壓原理、35.參數變化原理、3.局部質量原理、5.組合原理。

解決方案：

解決方案一：利用8.重量補償原理、15.動態化原理、10.預操作原理，在中間加設輔助支撐機構，可彎曲膠帶轉載機配備的油氣懸掛，可用于提供中間輔助支撐。為適應巷道底板，采用膠輪行走，減小了行走阻力，輔助油氣懸掛支撐機構減小重力的影響，增強了膠帶機對巷道底板的適應性。通過數字樣機模擬分析，對柔性單元結構進行優化，減輕整機重量，降低輸送機牽引力和油氣懸掛受力，提高整機適應能力。

解決方案二：利用15.動態化原理、10.預操作原理、35.參數變化原理，采用多點驅動技術，盡量減小皮帶張力，采用液壓張緊和電氣檢測、反饋、執行連續實時自動化控制技術。通過改變兩個滾筒間距，補償由于膠帶彈性伸長（或收縮）而引起的張力變化，實現最小張力點的張力限定在某個范圍內的目的。

解決方案三：利用5.組合原理、3.局部質量原理、35.參數變化原理，通過與專業輸送帶廠家合作，對輸送帶的內部結構進行改進，既保證輸送帶芯部的強度，又保證輸送帶邊緣的韌性，最大限度的發揮其作用。從而使輸送帶既能滿足彎曲功能，又不降低其壽命。

實施方案

通過應用TRIZ理論進行矛盾分析[4]，利用多種發明原理相結合設計出礦用帶式轉載機，該設備主要由運輸部分和動力部分組成，自移動力站主要負責提供動力，其余部分兼顧運輸與轉運功能。

礦用移動式柔性膠帶運輸機有效解決了煤礦巷道掘進運輸慢、不連續的問題，通過與邁步式自移機尾的重疊搭接，實現煤炭高效、清潔的轉載，系統長度能夠滿足搭接長度的要求，滿足一天的進尺需求。整套裝置搭接環節少，自動化程度高，可提高傳統礦區掘進水平，減少井下作業人員。

通過建立可彎曲帶式輸送機數字樣機模型，使用UA輪胎模型并結合水平路譜、井下臺階路譜和隨機路譜，分析在不同工況路面下行走、轉彎以及通過邁步皮帶機時的動力學特性，確定輸送機水平和豎直方向彎曲參數。

為保證輸送機在膠帶運行過程中順利拐彎，采用多點驅動技術，盡量減小皮帶張力。

可彎曲膠帶轉載機配備了油氣懸掛，用于提供中間輔助支撐，并且可自適應巷道底板起伏。自動張緊裝置采用電氣控制，通過壓力傳感器監測自動張緊油缸壓力，根據啟動、運轉和停機等皮帶機不同工況，對皮帶進行自動張緊。在停機情況下，皮帶處于完全放松狀態。皮帶啟動前，進行預張緊。在正常運轉時，自動張緊油缸靠蓄能器提供壓力。

自移動力站為可彎曲膠帶機提供動力，跨騎布置在邁步式自移機尾的剛性架上，可自主在邁步式自移機尾的剛性架上行走，牽引皮帶機后退。

3 結語

可彎曲帶式輸送機通過與邁步式自移機尾的重疊搭接[5]，實現煤炭高效、清潔的轉載，系統長度能夠滿足搭接長度的要求，整套裝置搭接環節少，自動化程度高，可提高傳統礦區掘進水平，減少井下作業人員，符合國家安監總局“機械化換人，自動化減人”的要求。可彎曲帶式輸送機也可為短壁回采、端幫開采中的轉載運輸提供新的解決方案。

參考文獻：

[1]胡勇.產學研公共服務平臺與協同創新【J】.中國科技產業， 2012（12）

[2]趙利軍.皮帶輸送機啟動特性分析【J】.機械研究與應用，2011（1）

[3]邊德龍.煤礦輔助運輸的現狀和無軌輪技術的運用【J】.內蒙古煤炭經濟，2014（1）

[4]盧希美 等.基于TRIZ理論和功能分析的產品創新設計【J】.機械設計與制造， 2010（12）

[5]李朋軍.皮帶運輸機的常見故障與處理【J】. 北方釩鈦，2011（1）