基于TRIZ理论的水龙带卷收装置创新设计*

韩跃进

(徐州徐工汽车制造有限公司,江苏 徐州 221008)

0 引 言

水龙带是可承受一定液体压力的管状带织物,被广泛用于消防、输油、输送淡水、农业排灌、工矿和建筑工地送水、排水等[1]。水龙带以优质棉、麻或高强化学纤维为原料,织物组织为双经单纬平纹管状结构,可承受高压,具有耐磨、耐腐蚀的特性[2],可循环使用。然而,使用过的水龙带外表常会黏附污染物;内部会积存水、油等被输送物质。内部积存物质和外部黏附的污染物给水龙带的卷收、存储带来了严重的负面影响。当前,国内通常通过人工方式先手动排空水龙带,手动高压清洗外表面后再卷收。该模式具有工作量大、效率低的缺点。而国外虽有先进的自动清洗、卷收装置,但结构复杂,价格高昂,不适宜在国内推广[3]。针对以上问题,笔者运用TRIZ理论开发设计一种附有清洗、排空功能的水龙带卷收装置。重点对水龙带卷收装置的整体结构及驱动、传动、卷收、清洗等机构开展创新设计,创新设计的水龙带卷收装置结构简单、运行可靠,极大提高了水龙带卷收效率和使用寿命,具有较高的经济效益和社会价值。

1 水龙带卷收装置的问题识别

现有的水龙带卷收装置按动力来源类型主要分为两类,一类是靠电机驱动的自动卷收装置,另一类是靠人力卷收的人工卷收装置。这两种水龙带卷收装置均存在内部积存物质和外部黏附污染物清理不方便的共性问题。

1.1 确立创新标杆

针对现有水龙带卷收装置存在的共性问题,文章选择一种手摇式水龙带卷收装置作为创新标杆。该卷收装置如图1所示,其工作原理为:将水龙带一端穿过刮泥板并固定在绕卷杆与拨叉上,工作人员摇动手柄带动绕卷杆转动,使水龙带缠绕在绕卷杆上。工作过程中,双开销机构固定绕卷杆,防止在缠绕过程中水龙带脱落;卷收完毕后打开双开销,将绕卷杆及缠绕在上的水龙带取出。

图1 手摇式水龙带卷收装置

1.2 创新标杆的功能分析

首先利用组件分析找到水龙带卷收装置工程系统中的系统与超系统组件;再利用相互作用分析功能找到水龙带卷收装置组件与功能间的相互作用;最后利用功能模型建立水龙带卷收装置的功能模型[4-5]。运用功能分析,可使水龙带卷收装置各组件间的相互作用关系更加具体形象,更容易地识别出有问题的组件。

(1) 组件分析

水龙带卷收装置的主要零件包括手柄、绕卷、双开销、支撑脚、刮泥杆。该装置的主要零件均为系统组件;超系统组件有外部污染物、水龙带、内部积存物。水龙带卷收装置的组件分析如表1所列。

表1 水龙带卷收装置的组件分析

(2) 相互作用分析

相互作用分析是指在系统或超系统组件之间,两两进行识别与分析,得到二者的相互作用关系[6]。将表1中的组件列出,可产生一个相互作用矩阵表,将有相互作用的组件以“+”标记,如手柄与绕卷杆之间,手柄会带动绕卷转动,二者之间相互作用;若组件间无作用,则以“-“标记,如手柄与双开销之间。有“+”意味着可能存在功能。水龙带卷收装置的相互作用分析如表2所列。

表2 水龙带卷收装置的相互作用分析

(3) 功能建模

功能建模就是要创建出一个功能模型,以此来描述组件的功能、性能、用途以及成本等[7]。功能按照性能可以分为有用的功能和有害的功能两种。比如手柄驱动绕卷杆,这个功能符合期望,就是有用的功能;而外部污染物黏附在水龙带上,这个功能不符合期望,就是有害的功能。为建立起水龙带卷收装置的功能模型,对表2中每一个组件所对应的标注有“+”的单元进行功能分析,从而发现该工程系统中存在多个缺点:外部污染物会对水龙带产生有害功能;内部积存物会对水龙带产生有害功能;刮泥杆去除外部污染物效果差。为了更直观地了解整个系统功能,将功能模型图形化表示,如图2所示。

图2 水龙带卷收装置功能模型图

1.3 因果链分析

为了找到系统功能缺点背后的深层原因并找到更多解决问题的关键点,文章使用因果链分析对水龙带卷收装置进行进一步分析,分析发现:该工程系统的关键缺点是“缺少挤出内部积存物的机构”以及“刮泥杆去除外部污染物的效果不足”。将系统的关键缺点转化为关键问题,即“如何增强挤出水龙带内部积存物功能”“如何增强去除外部污染物效果”。

1.4 特性传递分析

对水龙带卷收装置工程系统中的刮泥杆进行特性传递分析,利用其找到解决问题的方向以及可能产生的新问题。分析过程如下。

(1) 识别刮泥杆的主要功能是去除外部污染物。该系统的优点是成本低,缺点是去除外部污染物效果差。

(2) 去除外部污染物的组件有挡板、滚轮毛刷、喷水装置等。选择滚轮毛刷、喷水装置作为备选。

(3) 由于刮泥杆结构简单,成本低,选择其作为基础系统。经过分析发现,滚轮毛刷通过毛刷与表面紧贴在一起进行高速旋转,可以有效去除水带表面污垢;喷水装置通过高压喷头向物体表面喷射水流进行清洗。二者具有良好的去除外部污染物的效果。

(4) 将具备优点的系统直接集成到基础系统中,替换原有系统,即将毛刷、喷水装置集中到一起,成为一个清洗系统,使新系统具备去除外部污染物的作用。

(5) 将毛刷、喷水装置构成的新系统移入到基础系统中会遇到新的问题。新的清洗系统包含毛刷、水箱、注管、过水管、高压喷头等零件。为保证其正常工作需要足够动力,因此出现新的关键缺点“传动机构不满足需求”及新的关键问题“如何让传动机构满足需求”。

1.5 关键问题分析

结合上述功能分析、因果链分析、进化法则分析及特性传递分析,可以得到最终的关键问题分析,如表3所列。

表3 关键问题分析表

2 水龙带卷收装置创新方案设计

基于水龙带卷收装置的问题识别,结合设计要求,利用TRIZ理论中的39个通用工程参数将具体的工程问题转换为技术矛盾,之后再运用TRIZ工具对水龙带卷收装置开展创新设计[8]。创新设计的卷收装置可以卷收直径分别为50、65、75、80、90 mm规格的水龙带;卷收过程中可以对水龙带表面进行清洗;卷收过程中可以挤出水龙带内部积存物;整体装置安全可靠,结构合理。

2.1 基于技术矛盾的清洗机构与挤出机构设计

为了满足去除水龙带表面污染物的需求,从结构可行性、质量、体积等多重因素出发,参考TRIZ发明原理中的“No.7嵌套”原理、“No.23反馈”原理和“No.14曲面化”原理,在收卷盘上下各布置一根接高压喷头的过水管,用以冲洗水龙带上下表面。为了防止冲洗过程中,水流溅射到其它工作部件上,增加一前盖板作为挡板,并将毛刷置于前盖中央空腔处。为了满足挤出水龙带内部积存物的需求,在装置上增设一对挤压辊,参考“No.5组合”原理,将挤压辊与清洗机构组合布置于前中央。

2.2 基于技术矛盾的卷收机构设计

为提高水龙带卷收效率,根据发明原理的“No.5组合”原理,在收卷盘上增加拨叉;根据发明原理的“No.1分割”原理和“No.7嵌套”原理,将收卷盘设计为可拆卸式,为防止收卷盘在工作中脱离绕卷杆,二者之间通过销轴固定,同时在右侧设置一个弹簧销,收卷完毕后取出插销,利于收卷盘的拆装。

2.3 基于功能导向搜索的传动机构设计

创新设计的水龙带卷收装置的驱动机构运动形式为上下往复运动,水龙带卷收需要旋转运动,所以需要一种传动机构来满足需求。设计中运用功能导向搜索方法,将棘轮结构与齿轮齿条传动相结合,以实现上下往复直线运动转变为单向的旋转运动。

2.4 水龙带卷收装置整体方案设计

水龙带卷收装置整体设计方案如图3所示。

图3 水龙带卷收装置创新设计结构图

工作人员踩下踏板,踏板带动翘杆前端向下运动,翘杆后端向上运动,带动驱动管向上运动,驱动管上的齿条与绕卷杆上的齿轮发生啮合,使齿轮顺时针转动。此时,齿轮内圈的棘轮机构会被转动轮上的棘爪卡住,从而带动转动轮、绕卷杆顺时针转动。绕卷杆转动带动驱动带轮、传动轴及毛刷顺时针转动,实现刷洗功能。工作人员松开踏板,驱动管下移,齿条带动齿轮逆时针旋转,此时棘爪在齿轮内圈的棘轮齿背上滑过,故棘轮静止不动,绕卷杆不动。如此,驱动管作上下往复运动时,绕卷杆作单向的、间歇的旋转运动,同时驱动管带动活塞上下运动,不断向水箱内增压,以保证水箱内的水源不断通过喷头喷出。

3 水龙带卷收装置创新设计效果

文章设计的水龙带卷收装置主要由驱动机构、传动机构、卷收机构、清洗机构等部分组成。驱动机构采用脚踏方式为卷收装置和清洗机构提供动力;传动机构中的齿轮结合棘轮、棘爪机构创新设计,使驱动机构的上下往复运动转化为卷收机构的单向旋转运动;清洗机构可以清洗水龙带外部污染物,卷收机构在卷收水龙带的同时排空其内部积存物。在各机构协同配合下,创新设计的水龙带卷收装置可以先后完成排空、清洗、卷收等功能,解决了传统卷收装置的诸多弊端。此水龙带卷收装置可节约人力成本,提高水龙带卷收效率和使用寿命,可以广泛应用于消防、输油、输送淡水、农业排灌、工矿和建筑工地送水、排水等领域。

4 结 语

根据TRIZ理论的问题求解过程,运用问题识别工具找到水龙带卷收装置的关键问题,并根据分析结果确定水龙带卷收装置的设计需求和设计方向,再运用TRIZ理论的问题解决工具对水龙带卷收装置的收卷机构、清洗机构、传动机构及整体结构进行创新设计,有效解决了水龙带收卷过程中采用人工方式造成的工作量大、效率低的问题,有较强的推广意义。