通过TRIZ理论解决拉车机钢丝绳过快磨损的问题



通过TRIZ理论解决拉车机钢丝绳过快磨损的问题

杜振宇

天津港第一港埠有限公司

摘 要：针对火车车厢专用拉车机钢丝绳磨损速度过快的问题，通过TRIZ理论进行问题求解，得到多个可行的解决方案，并通过比选得到最终解决方案，优化了拉车机的设计，提升了钢丝绳的使用寿命。

关键词：TRIZ； 冲突； 物质场； 进化； 裁剪； 钢丝绳磨损； 拉车机

我公司主要从事钢材的港口装卸服务。进出港区的钢材有70%通过铁路运输，铁路部门将整列火车开入港区货场后火车机头就会离开。在轨道两侧设有指定的起重机作业点，作业过程中需要经常移动车厢。由于没有火车机头，车厢的移动必须依靠拉车机来实现。拉车机在实际使用过程中暴露出钢丝绳易磨损、易拉断的问题，需要进一步完善和改进。

1 TRIZ理论简介

TRIZ是“发明问题解决理论”的拉丁文缩写。该理论可以有效引导发明人找到解决问题的发明方案，极大地提高发明创造工作的效率。TRIZ理论的基本分析求解过程见图1。

图1 TRIZ理论的问题求解流程

2 问题分析

建立系统的功能模型，结合模型中反映出的问题点，进行因果分析。通过因果分析找到问题的根原因后，利用TRIZ中的工具进行求解。

2.1 功能分析

功能分析是指对已有技术系统进行分解，明确系统各组件的有用功能及功能等级、性能水平和有害功能，为进一步的因果分析提供基础[1]。对拉车机进行功能分析，并绘制功能模型图(见图2)。

图2 功能模型图

2.2 因果分析

因果分析是对导致问题的原因进行剖析，区别原因现象与非原因现象进行，并最终确定问题根原因的过程。拉车机的问题就是钢丝绳过快磨损，问题的根原因是泥土砂石对钢丝绳的磨损和对托辊的污染(见图3)。

图3 根原因分析图

2.3 冲突区域确定

问题为钢丝绳在运行过程中与多个物质接触并发生摩擦作用。该问题的问题模型图见图4，问题发生的区域就是钢丝绳和泥土砂石之间的作用。

图4 冲突区域示意图

2.4 理想解分析

产品处于理想状态的解称为理想化的最终结果，即最终理想解[2]。本问题的最终目的是，所有车厢能够按照需要移动到指定位置。理想解是不需要拉车机的作用车厢也能自行移动。次级理想解是设计免维护的拉车机，尽量减少火车移动所付出的成本。由于火车归铁路部门管理，我们无权对车体进行改造，所以此次设计的理想解在第二级上。

2.5 可用资源分析

针对理想解的实现，列可用资源列表，分析每项资源在问题求解过程中的可用性。

表1 资源列表

资源名称类别可用性钢丝绳物质可用托辊、导向轮物质可用润滑或防磨材料物质可用吊车物质可用现场人员(装卸工)物质可用轨道路基空间可用拉车机所处的环境因素空间可用重力场可用振动场可用

3 问题求解

TRIZ理论中为解决技术问题提供了冲突解决理论、物质-场和标准解、技术进化理论、功能裁剪理论、效应求解理论等工具。不同工具所得到的创新解可能不同。因此，笔者利用多个工具对同一问题进行求解，得到多个创新解，并从中选取最优解。

3.1 工具一：利用冲突理论进行求解

方案一：空间分离原理(反向作用原理)。在钢丝绳的运动路径中加入钢丝绳自动清洁润滑器，通过润滑器不断清洁油泥并加入润滑剂抵消泥土砂石的负面影响，从而提高钢丝绳的使用寿命。

方案二：条件分离原理 (气液代替机械)。火车道间安装一台液压马达，马达上配滚筒拖拽钢丝绳。液压油管在铁道下方经过，向液压马达输送油液。油管是封闭结构，完全可以隔绝沙石泥土的影响。

方案三：整体与部分分离(复合材料原理)。在钢丝绳上涂敷一层耐磨材料，当托辊将涂料磨损后，钢丝绳就会裸露，提醒维护人员重新涂敷涂料。

3.2 工具二：利用物质-场分析及标准解进行求解

通过因果分析，确定技术系统的根原因主要有2个：泥土砂石对钢丝绳产生磨损；泥土砂石污染托辊轴承，托辊损坏后加快了钢丝绳的磨损。对这2个问题分析求解，最终得到4个改进方案：

方案一：在钢丝绳所经过的轨道路基(泥土砂石)上涂敷特制沥青。

方案二：将钢丝绳所经过的区域包括托辊和导向轮所在区域由泥土砂石环境改为水泥混凝土环境。

方案三：在钢丝绳上涂敷耐磨符合材料。

方案四：在托辊上加装耐磨套。

3.3 利用裁剪分析进行求解

裁剪是TRIZ理论中的一种改进系统的方法。通过裁剪将问题功能所对应的元件删除，改善整个功能模型，提高系统的效率，降低其成本[2]。系统的核心组件是钢丝绳，对钢丝绳产生有害作用的系统组件应进行裁剪：泥土和砂石作为超系统是不能被裁剪的；导向轮控制方向的作用无法由其他组件来实现，也不能被裁剪；托辊的支撑作用可以由超系统——泥土和砂石来实现；钢丝绳较易磨损的特性可以被裁剪，可改用钢链条代替钢丝绳的传动作用。

系统经过裁剪后最终得到的功能模型图(见图5)。

3.4 利用进化分析原理求解

所谓技术系统进化就是实现技术系统功能的各项内容从低级到高级变化的过程。运用此原理可获得2种解决方案。

方案一：沿着使能量流动路径缩短的方向发展。

图5 裁剪效果图

采用内藏式减速机，其体积较小，可以布置在轨道中间，省去钢丝绳的长距离传输。钢丝绳直接从滚筒连接车厢，不再与其他物体接触，问题得到解决。

方案二：向超系统进化。火车车厢的移动主要是为了方便轮胎起重机(以下简称吊车)的装卸作业，作业时周围多数情况都会有轮胎起重机。所以可以将拉车机的动力系统、控制系统和传输系统用超系统进行取代。即在地面一定间距内埋设地锚，当需要拉车作业时，就近选择地锚，通过导向轮和钢丝绳将车厢和吊车相连，再通过吊车拉动车厢前进即可(见图6)。

从系统进化和理想度角度考虑，对将导向轮和钢丝绳进行集成和可移动化设计。将1个导向轮和1个钢丝绳转轴设计在1个可移动平台上，拉车作业时将平台与地锚进行固定，即可进行车厢和吊车的连接(见图7)。

图6 进化后效果图

图7 可移动式滑轮系统原理图

4 方案确定

问题解决方案汇总见表2。

表2 问题解决方案汇总列表

序号解决方案所用创新原理可用性评估1 在系统中加入钢丝绳自动清洁润滑器冲突可行2将系统改为液压系统冲突可行3 钢丝绳表面涂敷复合材料冲突、物质场可行4 铁轨路基涂敷粘合剂或特殊沥青物质场可行5 将钢丝绳通过的一段轨道路基改为无砟轨道物质场可行6 钢丝绳和托辊涂敷耐磨材料物质场可行7使用铁链代替钢丝绳裁剪可行8泥土砂石替代物裁剪可行9 使用带有内藏行星齿轮减速箱的液压卷扬器进化可行10 利用超系统并设计可移动的导向轮进化可行

经过分析，方案1、2、9需要投入新设备，且设备的成本极高。方案3、4、5、6、7、8方法简单，但是没有彻底解决问题，只是缓解了问题的发生。最终确定的方案为充分利用超系统(吊车)并设计可移动式的导向轮系统，即方案10。

5 结语

经过现场实际使用测试，方案10完全满足对系统的要求，且制造投入少、维护负担小，相比其他方案优势明显。通过运用TRIZ理论，极大地提高了技术问题分析求解的效率，同时还保证了方案的有效性、针对性和经济性，对企业解决技术难题和进行技术创新意义非凡。

参 考 文 献：

[1] 成思源.技术处创新方法——TRIZ理论及应用[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2] 檀润华.TRIZ及应用：技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

杜振宇： 300456，天津市滨海新区塘沽新港一号路1号

Solving the Problem of Rapid Wear of Seel Wire Rope in the Machine Pull Railroad Car with TRIZ Theory

Du Zhenyu

No.1 Branch Co.of Tianjin Port Group Ltd.

Abstract：According to the problem of rapid wear of steel wire rope in the machine pull railroad car, this paper solves the question with TRIZ theory. It gets multiple feasible solutions and determines the final solution by comparing. The plan optimizes the design of machine and the service life of the wire rope is promoted.

Key words：TRIZ; conflict; material field; evolution; clipping; wear of steel wire rope; machine pull railroad car

收稿日期：2016-08-06

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.020