基于TRIZ的带式输送机输送带结构的进化研究.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 9 年8 月 机械设计与研究 M a c h i n eD e s i g na n dR e s e a r c h V 0 1 ．2 5N o ．4 A u g ．，2 0 0 9 文章编号1 0 0 6 - 2 3 4 3 2 0 0 9 0 4 - 0 2 0 - 0 4 基于T R I Z 的带式输送机输送带结构的进化研究 白仲航。檀润华．张鹏，齐美玲。王有江 河北工业大学创新设计研究所，天津3 0 0 1 3 0 ，E - m a i l b a i z h o n g h a n g h e b u t ．e d u ．c a 摘要在介绍T R I Z 技术进化理论、技术进化模式与进化路线的基础上。按照基于技术进化理论的产品 进化研究过程对带式输送机输送带结构的进化进行了研究，归纳了其发展的阶段，并选择了输送带结构的进化 路线．提出了改进方案。 关键词T R I Z ；技术进化理论；进化模式；进化路线；带式输送机；输送带结构 中图分类号T G 7 3 1文献标识码A T h eS t r u c t u r eE v o l u t i o no fC o n v e y o rB e l tB a s e do nT R I Z B A IZ h o n g - h a n g ，T A NR u n h u a ，Z H A N GP e n g ，Q IM e i - l i n g ，W A N GY o u - j i a n g I n s t i t u t eo fD e s i g nf o rI n n o v a t i o n ，H e b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，T i a n j i n3 0 0 1 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h i sp a p e rt h et e c h n o l o g ye v o l u t i o nt h e o r yo fT R I Z ，t h ep a t t e r n sa n dp a t h so ft e c h n o l o g ye v o l u t i o n a r ei n t r o d u c e df i r s t ．S t u d y i n gt h ep r o d u c te v o l u t i o np r o c e s sb a s e do nt h et e c h n o l o g ye v o l u t i o nt h e o r y ．t h es t r u c t u r eo f c o n v e y o rb e l ti sa l s os t u d i e d ．T h ed e v e l o p m e n tp h a s e so fc o n v e y o rb e l ts t r u et h r ea r es u m m a r l i a e d ．t h ee v o l u t i o np a t h s a r es e l e e t e da n dt h ei m p r o v e m e n ts c h e m e sa r ep r o p e s e d ． K e yw o r d s T R J Z ；t e c h n o l o g ye v o l u t i o nt h e o r y ；e v o l u t i o np a t t e r n ；e v o l u t i o np a t h s ；b e l tc o n v e y o r ；s t r u c t u r eo f c o n v e y o rb e l t 带式输送机自1 7 9 5 年发明以来，如今已广泛应用于电 力、冶金、煤炭、化工、矿山、港口等行业。特别是第二次工业 革命带来了新材料、新技术的采用，使带式输送机的发展步 入一个新纪元⋯。输送带作为带式输送机的牵引和承载构 件．既要承载输送的物料、不断受到冲击和摩擦，又要借助输 送带与驱动滚筒的摩擦力牵引输送带运动。输送带的造价 是整个输送机造价的主要构成部分．其强度是带式输送机的 输送距离和输送能力的制约因素。同时，输送带在运行时易 出现跑偏、打滑、撕带等故障和现象。为此，研究和总结输送 带结构进化历程，并随时随地跟踪其发展，对预测带式输送 机的未来发展方向具有重要的指导作用。 下面运用T R I Z 的技术进化理论分析了带式输送机输送 带结构的进化过程，总结和归纳了其进化模式与进化路线， 并对其发展和未来产品可能的输送带结构状态进行了预测， 为企业产品的创新和开发提供借鉴。 l 应用理论 1 ．1T R I Z 技术进化理论 起源于前苏联的T R I Z 发明问题解决理论 的技术系 统进化理论是专门研究技术系统进化预测的一个重要分 支H 1 。T R I Z 创始人G ．S ．A l t s h u l l e r 及研究人员经过大量 的专利分析，发现并确认了技术从结构上进化的趋势，即技 收稿日期2 0 0 9 0 3 1 3 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 6 7 5 0 5 9 ；天津审自然基 金资助项目 0 7 J C Z D J C 0 8 9 0 0 术进化模式与进化路线。这些模式与路线可引导设计者尽 快发现新的核心技术。 技术进化理论的研究结果已有几个版本，如S a v r a n s k y 的技术进化理论 E T ，E v o l u t i o no fT e c h n i q u e 旧J 、F e ya n dR i v - i n 的技术进化引导理论 G T E 。G u i d e dT e c h n o l o g yE v o l u ． t i o n 1 、Z u s m a n 等的直接进化理论 D E 。D i r e c t e dE v o l u t i o n “ J 、P e t r o v 的技术进化定律 ，1 1 l el 删o fs y s t e me v o l u ． t i o n 怕J ，它们都是A h s h u U e r 的T R I Z 传统进化理论的发 展【“，每个版本各具特色。 1 ．2 技术进化模式及进化路线 通过对D E 的八种进化模式进行分析，结合P e t r o v 的技 术进化定律中的已有系统改进定律，从实用性的角度对技术 进化按结构、时间、功能、可控性及理想化进行分类，总结出 十种进化模式”』精简化，指系统由简单到复杂、再由复杂到 简单的进化；微观化，指系统由宏观物体向微观物体的进化； 柔性化，指系统向动态性增加的方向进化；曲面化，指系统几 何形状的进化；多维化．指系统向维数增加的方向进化；调和 化，指系统向各部件和谐的方向进化；集成化，指系统向超系 统方向进化；自动化．指系统向可控性增加的方向进化；智能 化，指系统向减少人的介入方向进化；理想化，指系统向增加 理想化水平的方向进化。 十种进化模式应用在系统已经存在并且需要改进的情 况下，是技术系统发展的一般趋势，在系统改进和创新设计 上应用最广。每种进化模式又包含着多条进化路线，如柔性 化进化模式包含如下进化路线动态性增加刚性体一一个 万方数据 第4 期白仲航等基于1 ．R I z 的带式输送机输送带结构的进化 2 1 铰接一两个 多个 铰接一弹性体一分子结构 液体、气体 一场；改变稳定度静态固定的系统一有多个固定状态的系 统一动态固定的系统一多变系统；移动性增强固定的系统 一可移动的系统一随意移动的系统。 1 ．3 基于技术进化理论的产品进化研究过程模型 进化模式指明了产品改进或创新的方向，进化路线指出 了产品结构进化的状态序列。基于当前产品核心技术所处 的状态，按照进化路线，通过设计，可使产品移动到新的 状态。 应用技术进化理论首先要判断选定产品或系统的技术 进化模式，然后选择进化路线，确定系统当前技术在进化路 线上所处的状态，以此预测新一代产品的结构特点，确定创 新设想。研究过程模型如图1 。 ▲图1基于技术进化理论的产品进化研究过程[ 9 ] 2 带式输送机输送带结构的进化过程分析 以中国国家专利局的专利数据为检索依据，检索国内近 3 0 年来的带式输送机的相关专利3 2 1 篇，其中与输送带机构 有关的专利5 6 篇，发现带式输送机输送带机构发展经历以 下六个阶段。 阶段一普通输送带带式输送机 普通输送带带式输送机的特点是输送带为平型，带芯为 帆布或尼龙帆布或钢绳芯 图2 。 ▲图2 普通输送带结构图 阶段二花纹带式输送机 图3 花纹带式输送机是将光滑的平型输送带的表面在输送 带的制造过程中增加花纹以减缓物料的下滑趋势，由于结构 的原因，花纹输送带宜输送流动性好、不易粘结在输送带上 的物料。 缺点 1 所允许的输送角是有限制的。 2 花纹的磨 损比通用输送带表面要快的多。 3 在带速较高的情况下， 当花纹经过回程托滚时会产生振动，从而加速花纹的磨损， 降低托滚的使用寿命。 4 输送带的清扫要比普通的带式输 送机困难的多。 ▲图3 花纹输送带 阶段三波状挡边带式输送机 图4 波状挡边带式输送机是一种特殊结构的带式输送机，这 种结构的输送机是专门为输送大倾角物料所涉及的。输送 带上有挡边以增大物料的截面，倾斜角度增大时，一般在横 向设置挡板。挡边带有基带，挡边和隔板组成。基带的外观 与普通带相同，但它具有更大的横向刚度。挡边做成波状是 为了使输送带能绕过各种滚筒和凸、凹弧区段以满足输送线 路的要求。波状挡边带式输送机是真正实现大倾角输送物 料的重要形式。 ▲图4 波状挡边带式输送机 缺点 1 波状挡边输送 带寿命偏低。 2 卸料不彻底 和漏料问题。 阶段四管状带式输送机 图5 圆管带式输送机是在槽形 带式输送机基础上发展起来的 一类特种带式输送机。它是一 种通过托辊组施加强制力将平 型输送带导向成圆管状，使输 送物料被密闭在圆管内，从而 在整个输送线路中实现封闭输 送的设备。▲图5 管状带式输送机 缺点 1 材质和制造要 求相对较高。 2 由于在输送机的运行中物料被围包在圆 管内，增大物料与输送带的挤压力，因此输送机的运行阻力 系数要比通用带式输送机大。 3 与通用带式输送机相比， 在带速和带宽相同的条件下输送量小。 4 设计计算复杂。 5 从结构上来看，圆管带式输送机小会产生如同通用带式 输送机的输送带跑偏问题。但是存在输送带的扭转问题，严 万方数据 机械设计与研究第2 5 卷 重时会使输送带的边缘进入两个托辊的间隙内．造成输送带 的损坏。 阶段五袋式带式输送机 图6 袋式输送机的输送带类似于一个口袋，这种结构有多种 实现形式，但主要的原理都是用输送带包裹物料进行运输， 这样加大了输送带对物料的积压力，从而增大了物料的输送 角度，并且输送带可以对物料进行封闭运输，减少了物料对 环境的污染。这种结构还可以时间空间路线的弯曲，适合各 种运输路线。还可以根据不同的工矿，选择相应的结构和驱 动方式。 ▲图6 袋式带式输送机 阶段六压带式输送机 图7 压带式带输送机它是用一条辅助带对物料施加压力．这 种输送机的主要优点是输送物料的最大倾角可达9 0 0 ，运行 速度可达6m ／s ，输送能力不随倾角的变化而变化，可实现松 散物料和有毒物料的密闭输送．其主要缺点是结构复杂、输 送带的磨损增大和能耗较大。 ▲图7 压带式输送机 通过以上描述得出，带式输送机输送带机构发展经历了 普通输送带带式输送机、花纹带式输送机、波状挡边带式输 送机、管状带式输送机、袋式带式输送机、压带式输送机等六 个阶段。在此基础上，我们分析得出带式输送机输送带结构 三条进化路线。 3带式输送机输送带结构的进化路线描述 路线描述一 选择微观化的一条进化路线 图8 表面分割平坦表面一表面上有许多突起一形成粗糙 表面一活性的表面 ▲图8 输送带结构进化路线一 从微观化的进化模式可以看出，输送带的结构从普通的 平纹带发展到花纹带，以后又出现了波状挡边输送带，在进 化路线中是一个反复的，这是正常的。目前花纹带和波状挡 边输送带都广泛的应用于生产中。 路线描述二 选择曲面化的一条进化路线 图9 面的几何进化平面一单曲面一双曲面一复合曲面 从曲面化的进化模式可以看出，输送带的结构正向曲面 化程度增加的方向发展。虽然都是应用普通带或花纹带，但 是通过改变支撑的方式，将输送带横向进行弯曲，形成更为 ▲图9 输送带结构进化路线二 ▲图I O 输送带结构进化路线三 万方数据 第4 期白仲航等基于T R I Z 的带式输送机输送带结构的进化 灵活的曲面，从而适应不同的工矿，实现空间弯曲，同时由于 增加了物料和输送带之间的压力，也增大了输送倾角。 路线描述三 选择多维化的一条进化路线 图1 0 层数增加单层排列一双层排列一多层排列 从多维化的进化模式可以看出，输送带由单层向层数增 加的方向发展。 4 带式输送机输送带结构的改进方案 带式输送机的输送带是承载物料的主要部件，其原理是 靠输送带和物料之间的摩擦来实现物料的输送。因此，增大 输送带和物料之间的摩擦，在输送的过程中，使物料和输送 带的表面保持相对静止，是改进输送带结构的主要方向。 从微观化的进化模式角度，按照表面分割的进化路线， 输送带结构将向活性表面发展，预测随着材料科学的发展， 将出现一种活性的材料应用于输送带的制造，使输送带具有 一定的吸附性，使输送带的摩擦力增大，结构得到简化。 从曲面化的进化模式角度，按照进化路线二的描述，输 送带的发展方向是在继续改进双曲面结构的同时，进一步研 究复合形状的曲面，使输送带的适应性增强。称该方案为方 案一。 方案一复合曲面带式输送机 图1 1 ▲图l l复合曲面带式输送带机构 采用复合曲面的结构主要的目的是为了增大物料的夹 持能力，从而增大输送倾角。这种结构类似于将带式输送机 和花纹输送带相结合的结构，因此具有了两者的优点，既实 现了大角度的提升，也可以完成平面的弯曲。 从多维化的进化模式角度，压带式输送机这种双层结构 是目前的发展水平，下一步将向多层的带式输送机发展。称 该方案称为方案二。 方案二多层压带式输送机 图1 2 多层压带式输送机是在压带式输送机的基础上的发展。 以三层压带式结构为例，最下层输送带为普通输送带，对输 送物料起到支撑输送的作用；中间输送带的下部输送带与最 底层输送带接触．作为最底层输送带的压带，上半部分为支 撑带，起到支撑输送物料的作用；最上层输送带的工作部分 ▲图1 2 多层压带式输送带机构 是下半部输送带，与中间输送带的上半部分相接触，起到压 带的作用。这种结构具有了压带式输送机的特点，可以实现 大角度的输送，并且实现了两部输送机的输送量，比单独的 两部输送机节省了空间，降低了制造成本。 5结 论 在介绍T R I g 技术进化理论、技术进化模式与进化路线 的基础上，按照基于技术进化理论的产品进化研究过程对带 式输送机输送带结构的进化进行了研究，将其发展过程分为 六个阶段，并对其进化路线进行了三种方式的描述。在此基 础上，对带式输送机未来产品可能的输送带结构状态和改进 方案进行了分析与预测，为企业产品的创新和开发提供了 借鉴。 参考文献 [ 1 ] C E M A ，B e l tC o n v e y o r sf o rB u l kM a t e r i a l s S i x t hE d t i o n [ M ] ．F l o r - 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