基于TRIZ理論的水龍帶卷收裝置創新設計*

韓躍進

(徐州徐工汽車制造有限公司,江蘇 徐州 221008)

0 引 言

水龍帶是可承受一定液體壓力的管狀帶織物,被廣泛用于消防、輸油、輸送淡水、農業排灌、工礦和建筑工地送水、排水等[1]。水龍帶以優質棉、麻或高強化學纖維為原料,織物組織為雙經單緯平紋管狀結構,可承受高壓,具有耐磨、耐腐蝕的特性[2],可循環使用。然而,使用過的水龍帶外表常會黏附污染物;內部會積存水、油等被輸送物質。內部積存物質和外部黏附的污染物給水龍帶的卷收、存儲帶來了嚴重的負面影響。當前,國內通常通過人工方式先手動排空水龍帶,手動高壓清洗外表面后再卷收。該模式具有工作量大、效率低的缺點。而國外雖有先進的自動清洗、卷收裝置,但結構復雜,價格高昂,不適宜在國內推廣[3]。針對以上問題,筆者運用TRIZ理論開發設計一種附有清洗、排空功能的水龍帶卷收裝置。重點對水龍帶卷收裝置的整體結構及驅動、傳動、卷收、清洗等機構開展創新設計,創新設計的水龍帶卷收裝置結構簡單、運行可靠,極大提高了水龍帶卷收效率和使用壽命,具有較高的經濟效益和社會價值。

1 水龍帶卷收裝置的問題識別

現有的水龍帶卷收裝置按動力來源類型主要分為兩類,一類是靠電機驅動的自動卷收裝置,另一類是靠人力卷收的人工卷收裝置。這兩種水龍帶卷收裝置均存在內部積存物質和外部黏附污染物清理不方便的共性問題。

1.1 確立創新標桿

針對現有水龍帶卷收裝置存在的共性問題,文章選擇一種手搖式水龍帶卷收裝置作為創新標桿。該卷收裝置如圖1所示,其工作原理為:將水龍帶一端穿過刮泥板并固定在繞卷桿與撥叉上,工作人員搖動手柄帶動繞卷桿轉動,使水龍帶纏繞在繞卷桿上。工作過程中,雙開銷機構固定繞卷桿,防止在纏繞過程中水龍帶脫落;卷收完畢后打開雙開銷,將繞卷桿及纏繞在上的水龍帶取出。

圖1 手搖式水龍帶卷收裝置

1.2 創新標桿的功能分析

首先利用組件分析找到水龍帶卷收裝置工程系統中的系統與超系統組件;再利用相互作用分析功能找到水龍帶卷收裝置組件與功能間的相互作用;最后利用功能模型建立水龍帶卷收裝置的功能模型[4-5]。運用功能分析,可使水龍帶卷收裝置各組件間的相互作用關系更加具體形象,更容易地識別出有問題的組件。

(1) 組件分析

水龍帶卷收裝置的主要零件包括手柄、繞卷、雙開銷、支撐腳、刮泥桿。該裝置的主要零件均為系統組件;超系統組件有外部污染物、水龍帶、內部積存物。水龍帶卷收裝置的組件分析如表1所列。

表1 水龍帶卷收裝置的組件分析

(2) 相互作用分析

相互作用分析是指在系統或超系統組件之間,兩兩進行識別與分析,得到二者的相互作用關系[6]。將表1中的組件列出,可產生一個相互作用矩陣表,將有相互作用的組件以“+”標記,如手柄與繞卷桿之間,手柄會帶動繞卷轉動,二者之間相互作用;若組件間無作用,則以“-“標記,如手柄與雙開銷之間。有“+”意味著可能存在功能。水龍帶卷收裝置的相互作用分析如表2所列。

表2 水龍帶卷收裝置的相互作用分析

(3) 功能建模

功能建模就是要創建出一個功能模型,以此來描述組件的功能、性能、用途以及成本等[7]。功能按照性能可以分為有用的功能和有害的功能兩種。比如手柄驅動繞卷桿,這個功能符合期望,就是有用的功能;而外部污染物黏附在水龍帶上,這個功能不符合期望,就是有害的功能。為建立起水龍帶卷收裝置的功能模型,對表2中每一個組件所對應的標注有“+”的單元進行功能分析,從而發現該工程系統中存在多個缺點:外部污染物會對水龍帶產生有害功能;內部積存物會對水龍帶產生有害功能;刮泥桿去除外部污染物效果差。為了更直觀地了解整個系統功能,將功能模型圖形化表示,如圖2所示。

圖2 水龍帶卷收裝置功能模型圖

1.3 因果鏈分析

為了找到系統功能缺點背后的深層原因并找到更多解決問題的關鍵點,文章使用因果鏈分析對水龍帶卷收裝置進行進一步分析,分析發現:該工程系統的關鍵缺點是“缺少擠出內部積存物的機構”以及“刮泥桿去除外部污染物的效果不足”。將系統的關鍵缺點轉化為關鍵問題,即“如何增強擠出水龍帶內部積存物功能”“如何增強去除外部污染物效果”。

1.4 特性傳遞分析

對水龍帶卷收裝置工程系統中的刮泥桿進行特性傳遞分析,利用其找到解決問題的方向以及可能產生的新問題。分析過程如下。

(1) 識別刮泥桿的主要功能是去除外部污染物。該系統的優點是成本低,缺點是去除外部污染物效果差。

(2) 去除外部污染物的組件有擋板、滾輪毛刷、噴水裝置等。選擇滾輪毛刷、噴水裝置作為備選。

(3) 由于刮泥桿結構簡單,成本低,選擇其作為基礎系統。經過分析發現,滾輪毛刷通過毛刷與表面緊貼在一起進行高速旋轉,可以有效去除水帶表面污垢;噴水裝置通過高壓噴頭向物體表面噴射水流進行清洗。二者具有良好的去除外部污染物的效果。

(4) 將具備優點的系統直接集成到基礎系統中,替換原有系統,即將毛刷、噴水裝置集中到一起,成為一個清洗系統,使新系統具備去除外部污染物的作用。

(5) 將毛刷、噴水裝置構成的新系統移入到基礎系統中會遇到新的問題。新的清洗系統包含毛刷、水箱、注管、過水管、高壓噴頭等零件。為保證其正常工作需要足夠動力,因此出現新的關鍵缺點“傳動機構不滿足需求”及新的關鍵問題“如何讓傳動機構滿足需求”。

1.5 關鍵問題分析

結合上述功能分析、因果鏈分析、進化法則分析及特性傳遞分析,可以得到最終的關鍵問題分析,如表3所列。

表3 關鍵問題分析表

2 水龍帶卷收裝置創新方案設計

基于水龍帶卷收裝置的問題識別,結合設計要求,利用TRIZ理論中的39個通用工程參數將具體的工程問題轉換為技術矛盾,之后再運用TRIZ工具對水龍帶卷收裝置開展創新設計[8]。創新設計的卷收裝置可以卷收直徑分別為50、65、75、80、90 mm規格的水龍帶;卷收過程中可以對水龍帶表面進行清洗;卷收過程中可以擠出水龍帶內部積存物;整體裝置安全可靠,結構合理。

2.1 基于技術矛盾的清洗機構與擠出機構設計

為了滿足去除水龍帶表面污染物的需求,從結構可行性、質量、體積等多重因素出發,參考TRIZ發明原理中的“No.7嵌套”原理、“No.23反饋”原理和“No.14曲面化”原理,在收卷盤上下各布置一根接高壓噴頭的過水管,用以沖洗水龍帶上下表面。為了防止沖洗過程中,水流濺射到其它工作部件上,增加一前蓋板作為擋板,并將毛刷置于前蓋中央空腔處。為了滿足擠出水龍帶內部積存物的需求,在裝置上增設一對擠壓輥,參考“No.5組合”原理,將擠壓輥與清洗機構組合布置于前中央。

2.2 基于技術矛盾的卷收機構設計

為提高水龍帶卷收效率,根據發明原理的“No.5組合”原理,在收卷盤上增加撥叉;根據發明原理的“No.1分割”原理和“No.7嵌套”原理,將收卷盤設計為可拆卸式,為防止收卷盤在工作中脫離繞卷桿,二者之間通過銷軸固定,同時在右側設置一個彈簧銷,收卷完畢后取出插銷,利于收卷盤的拆裝。

2.3 基于功能導向搜索的傳動機構設計

創新設計的水龍帶卷收裝置的驅動機構運動形式為上下往復運動,水龍帶卷收需要旋轉運動,所以需要一種傳動機構來滿足需求。設計中運用功能導向搜索方法,將棘輪結構與齒輪齒條傳動相結合,以實現上下往復直線運動轉變為單向的旋轉運動。

2.4 水龍帶卷收裝置整體方案設計

水龍帶卷收裝置整體設計方案如圖3所示。

圖3 水龍帶卷收裝置創新設計結構圖

工作人員踩下踏板,踏板帶動翹桿前端向下運動,翹桿后端向上運動,帶動驅動管向上運動,驅動管上的齒條與繞卷桿上的齒輪發生嚙合,使齒輪順時針轉動。此時,齒輪內圈的棘輪機構會被轉動輪上的棘爪卡住,從而帶動轉動輪、繞卷桿順時針轉動。繞卷桿轉動帶動驅動帶輪、傳動軸及毛刷順時針轉動,實現刷洗功能。工作人員松開踏板,驅動管下移,齒條帶動齒輪逆時針旋轉,此時棘爪在齒輪內圈的棘輪齒背上滑過,故棘輪靜止不動,繞卷桿不動。如此,驅動管作上下往復運動時,繞卷桿作單向的、間歇的旋轉運動,同時驅動管帶動活塞上下運動,不斷向水箱內增壓,以保證水箱內的水源不斷通過噴頭噴出。

3 水龍帶卷收裝置創新設計效果

文章設計的水龍帶卷收裝置主要由驅動機構、傳動機構、卷收機構、清洗機構等部分組成。驅動機構采用腳踏方式為卷收裝置和清洗機構提供動力;傳動機構中的齒輪結合棘輪、棘爪機構創新設計,使驅動機構的上下往復運動轉化為卷收機構的單向旋轉運動;清洗機構可以清洗水龍帶外部污染物,卷收機構在卷收水龍帶的同時排空其內部積存物。在各機構協同配合下,創新設計的水龍帶卷收裝置可以先后完成排空、清洗、卷收等功能,解決了傳統卷收裝置的諸多弊端。此水龍帶卷收裝置可節約人力成本,提高水龍帶卷收效率和使用壽命,可以廣泛應用于消防、輸油、輸送淡水、農業排灌、工礦和建筑工地送水、排水等領域。

4 結 語

根據TRIZ理論的問題求解過程,運用問題識別工具找到水龍帶卷收裝置的關鍵問題,并根據分析結果確定水龍帶卷收裝置的設計需求和設計方向,再運用TRIZ理論的問題解決工具對水龍帶卷收裝置的收卷機構、清洗機構、傳動機構及整體結構進行創新設計,有效解決了水龍帶收卷過程中采用人工方式造成的工作量大、效率低的問題,有較強的推廣意義。