1、基于 TRIZ 反馈原理的铣刨机洒水系统创新设计 延伟 王江兰 王欢 湖南三一重工股份有限公司 湖南电气职业技术学院机械工程系 摘 要： 针对铣刨机洒水系统在施工过程中存在的水资源使用效率低的问题,利用 TRIZ理论的 40 个发明原理中的反馈原理,通过引入温度反馈源和铣刨深度反馈源,对铣刨机洒水系统进行了创新设计。结果表明:新的设计方案能够根据实际铣刨工况实时调节洒水系统的洒水量,在有效解决除尘和降温的前提下,提高了水资源的使用效率,同时验证了 TRIZ 理论在工程机械领域进行创新设计的优势。关键词： TRIZ; 发明原理; 反馈原理; 铣刨机洒水系统; 作者简介：延伟(1984-),陕西绥
2、德人,工程师,硕士,主要从事工程机械机械结构设计、创新方法在工程机械设计中的应用研究工作。收稿日期：2016-06-29基金：基金项目:湖南省创新方法应用推广与示范(2013IM021000-XKCX001)Innovation Design of Sprinkler System of Milling Machine Based on the Feedback Principle of the TRIZYAN Wei WANG Jianglan WANG Huan Hunan Sany Heavy Industry Co.,Ltd.; Department of Mechanical Eng
3、ineering,Hunan Electrical College of Technology; Abstract： During working process of sprinkler system of Milling Machine, there are some problems such as the waste of water resources. Using the feedback principle of the 40 principles of TRIZ theory, the innovative sprinkler system of milling machine
4、 was be designed by introducing the temperature feedback source and the depth feedback source. The results show that the new design scheme can adjust the sprinkling system in real time according to the actual milling condition, effectively solving the problem of dust removal and cooling and improvin
5、g the use efficiency of water resources. At the same time, it verifies the advantages of TRIZ theory in the field of construction machinery.Keyword： TRIZ; principles; feedback principle; sprinkler system of milling machine; Received： 2016-06-29路面铣刨机作为公路和城市道路养护的专用设备,主要功能是清除和剥离公路车辙、龟裂、痈包等路面病害,对摩擦系数低的水
6、泥混凝土路面进行拉毛作业,广泛应用于现代公路养护工程中1-2 。铣刨机施工过程中,铣刨鼓切削路面和输料机输送铣刨废料时产生大量灰尘,且铣刨鼓刀头因受切削路面的反作用而快速升温,导致其强度、硬度和耐磨性降低,如不及时降温,使用寿命会大大降低。洒水系统的作用是对铣刨鼓、铣刨废料、输送皮带进行有效的喷洒水,从而有效地消除灰尘,满足环保要求,同时冷却铣刨刀头和输送皮带,提高铣刨性能并延长铣刨刀具的使用寿命。当前大型铣刨机的洒水系统一般采用“液压马达+离心水泵”结构,液压马达以固定的转速驱动离心水泵,储存在水箱里的水经由离心水泵加压后以固定的流量从喷嘴喷出。而中小型铣刨机一般采用更简单的“直流电机+隔膜
7、泵”一体式结构,将水箱中存储的水加压后通过喷嘴喷出,洒水流量固定不能实时进行调节。而铣刨机施工时对喷洒流量的需求是动态变化的,例如在切削深度大时就要求较大的喷洒流量,而切削深度小时就只需要较小的喷洒流量。现有洒水系统的喷洒流量为固定值,需要操作手根据自身经验结合铣刨路面的实际情况手动进行洒水量的调节,为节省时间、降低操作难度一般将洒水量调至一个比较大的流量,而这势必会浪费宝贵的水资源,同时增加了停机加水次数,从而缩短了机器的有效作业时间,降低施工效率。1 基于 TRIZ 理论的产品创新设计1.1 TRIZ 理论TRIZ 理论是专门研究创造发明的理论,他是 G.S.Altshuller 和他的团
8、队花费近50 年时间对全世界 250 万件专利进行整理和研究的基础上所构建的一整套系统化、实用的解决发明创造问题、实现技术创新的理论体系3-4 。TRIZ 理论能够指导使技术人员在产品的概念设计、方案设计阶段高效率、高质量地提出创新设计方案,提高产品研制的成功率,缩短研发周期,对产品创新及提高企业竞争力具有重要意义。1.2 技术系统和理想解技术系统是一些相互关联的具有不同功能特性的要素组合在一起,用于实现特定功能的集合。各组成要素也是一个技术系统,即这些要素是由更小的要素组成,称之为子系统。反之,若一个技术系统是较大的技术系统的一个要素,则称较大系统为超系统。如铣刨机是一个技术系统,它的子系统
9、有柴油发动机、动力传动系统、洒水系统、输料系统、工作装置、行驶系统、液压系统等,这些要素集合形成的铣刨机实现了对破损路面的翻修养护。铣刨机是道路施工设备中的一个,与摊铺机、压路机、沥青混合料搅拌站等集合在一起实现了新路面的修筑和旧路面的翻修,所以道路施工系统可以看做是它的超系统。而洒水系统也可以看成是一个技术系统,它的子系统有液压马达、离心水泵、过滤器、水箱、管路和喷嘴等,铣刨机则是它的超系统。1.3 理想度和提高理想度方向理想度被誉为 TRIZ 的四大理论支柱之一,在技术系统进化中有着举足轻重的作用5 ,G.S Altshuller 在研究中发现,所有的技术系统都在沿着增加其理想度的方向发展
10、和进化。通常采用如下公式来衡量产品的理想度,即系统中有用功能的总和与系统有害功能和成本的比率:理想度越高,产品的竞争能力越强。其中成本包括原料的成本、系统所占用的空间、消耗的能量及产生的噪声等。在发明创新中,应以提高系统理想度的方向作为设计的目标。具体到铣刨机洒水系统,有用功能是能有效消除施工产生的灰尘并对铣刨鼓刀头降温,同时储存在水箱中的水能得到充分利用,即洒水系统能根据铣刨深度的变化实时调节喷嘴喷洒流量,不存在浪费水的现象;有害功能是施工时产生的灰尘污染了环境,铣刨鼓刀头与地面切削作业时发热最终导致其使用寿命降低。就提高铣刨机洒水系统的理想度而言,可以从以下几个方向努力:一是提高有用功能的
11、使用效率;二是降低成本,充分利用内部或外部已存在的、可利用的资源;三是减少有害功能的数量。40 条发明原理是 TRIZ 研究者从大量专利中将被重复使用的相同方案浓缩出来的,是一种有效的、易用、简便且每个人都可接受的解决问题工具。1.4 40 个发明原理和反馈原理G.S.Altshuller 在研究中发现,尽管大量专利的问题各不相同、来自于不同的行业,但是用来解决这些问题的方法是相同的,通过对这些方法进行总结和抽取,最终形成了 40 个解决问题时最常用的方法,即 40 个发明原理,它是解决技术矛盾的最行之有效的创造性方法6 。反馈原理是 40 个发明原理中的第 23 个原理,它是指通过在系统中引
12、入反馈或者改变已引入反馈的大小和作用来解决技术问题。具体描述为将系统中任何有用或有害改变均视为一种反馈信息源,若反馈已被应用,则寻找各种方式来改变其幅度,并且寻找当前利用反馈影响系统的各种方式。针对铣刨机洒水系统,利用系统资源分析法寻找反馈原理所述的信息反馈源,铣刨机在施工过程中与洒水系统相关的有用改变和有害改变包含:洒水喷洒流量、灰尘变化、铣刨深度和速度、铣刨鼓刀头温度变化、输送皮带输送速度等。设计时可充分利用上述资源的变化作为信息反馈源,通过创新设计实现铣刨机洒水喷洒量的实时变动。2 铣刨机反馈原理洒水系统创新设计2.1 当前洒水系统的设计方案如图 1 所示为当前铣刨机洒水系统比较常用的设
13、计结构7 ,在铣刨鼓喷水装置前安装一个减压阀,减压阀的进水口与一级输料喷水装置和二级输料喷水装置并联。在铣刨机施工时,针对不同类型的铣刨路面(沥青路面或水泥路面)或同类型路面不同铣刨深度的工况,操作手能现场通过调节减压阀压力实现对铣刨机洒水量在一定范围内的调节,一定程度上可以满足对铣刨鼓进行有效洒水又避免过量喷水。但在实际施工过程中,因操作手操作经验存在差异,且长时间操作设备后受疲劳等外在因素影响,操作手往往不会实时调节减压阀,还是存在水资源浪费的现象。图 1 当前洒水系统的设计结构示意图 下载原图1.水箱 2.进水截止阀 3.水滤清器 4.液压马达 5.离心水泵 6.减压阀 7.电磁水阀8.
14、铣刨鼓喷水装置 9.洒水喷头 10.一级输料喷水装置 11.二级输料喷水装置2.2 基于反馈原理的创新设计方案2.2.1 基于温度反馈的设计方案铣刨机在施工作业时,高速旋转的铣刨鼓刀头与路面切削作用,受摩擦力作用其温度快速上升,如果未及时喷洒水或喷洒量不足,则温度会一直维持在一个较高范围内,刀头的耐磨性会快速下降,导致其磨损加剧。通过铣刨现场测试可知,在铣刨硬沥青路面或水泥路面时,如果没有喷洒水对刀头进行降温,铣刨鼓刀头会在一个小时内被磨光,而有喷水降温时,使用寿命在 3540 h。根据 40 个发明原理中的反馈原理,结合铣刨机实际情况,引入温度作为反馈源,希望通过实时监测铣刨鼓刀头表面的温度
15、变化实现洒水系统喷洒量的自动调节,如图 2 所示。安装在铣刨鼓上的温度传感器与系统控制器连接,温度传感器将监测到的铣刨鼓温度传输给控制器。当检测到铣刨鼓的温度值达到了预设值时,控制器会控制驱动设备工作,打开水泵开始洒水,铣刨鼓的温度经洒水后降低;温度传感器检测到的温度低于预设值时,控制器会控制驱动设备工作,关闭水泵停止洒水。激光传感器信号输入端与激光传感器信号接收端通过激光无线连接,激光传感器信号接收端与控制器连接,激光传感器信号接收端持续接收激光传感器信号输入端的激光信号。当粉尘量过大时就会影响激光传感器信号接收端接收信号的强度,当激光传感器信号接收端检测到的粉尘量达到预设值时,控制器会控制
16、驱动设备工作,打开水泵开始洒水。经洒水后,粉尘量降低,激光传感器信号接收端检测到的粉尘量小于预设值时,控制器会控制驱动设备工作,关闭水泵停止洒水。图 2 基于温度反馈的控制流程图 下载原图采用此方案在一定程度上实现了洒水系统根据铣刨机实际工作环境控制洒水时机,减少用水量的同时又能实现降低粉尘浓度和降低铣刨鼓温度的目的8 。此方案需要新增加一套激光传感器信号输入/接收装置,一定程度上增加了产品的生产成本,对提高产品市场竞争力有限。2.2.2 基于铣刨深度反馈的设计方案在大多数铣刨工况下,施工产生的灰尘量和铣刨鼓刀头的磨损量随着铣刨深度的增加而增加,随着铣刨作业时行驶速度的增加而增加,据此可以通过
17、检测铣刨深度和行驶速度实现洒水系统喷洒量的实时调节9 ,如图 3 所示。储存在水箱中的水经水泵加压后通过安装在铣刨鼓和输料机皮带上方的洒水喷头实现除尘与降温,通过控制水泵转速即可实现喷洒量的控制,水泵由液压马达驱动,因此可以通过控制液压马达的转速实现对水泵转速的控制。液压回路中设置有调节液压马达转速的调节装置,调节装置由电磁开关阀和比例调速阀组成,两阀块的线圈均与可编程控制器连接,通过控制器对电磁开关阀的停电和供电及传输至比例调速阀的线圈电流大小的改变实现对液压马达的启动、停止以及转速的调节,从而间接实现对水泵洒水量的调节。控制系统包括左侧切深位移传感器和右侧切深位移传感器及与之相连接的绳套、
18、行驶速度传感器和可编程控制器,绳套与铣刨机侧滑板连接,侧滑板随着铣刨深度的变化而上下浮动,进而影响绳套长度的变化,将铣刨深度值以电流值的形式传递至可编程控制器;行驶速度传感器一端安装在行驶马达上,另一端与可编程控制器连接,将代表行驶速度的马达转速以电流值形式传递至可编程控制器。控制系统通过综合分析接收到的铣刨深度信号值和行驶速度信号值,对驱动水泵的马达转速进行实时调节,实现了根据实际铣刨工况进行相应的洒水量的调节,节省了水资源。图 3 基于铣刨深度反馈的设计方案示意图 下载原图1.液压油箱 2.液压泵 3.液压管道 4.电磁开关阀 5.比例调速阀 6.水路管道 7.水箱 8.绳套 9.左侧切深
19、位移传感器 10.可编程控制器 11.右侧切深位移传感器 12.行驶速度传感器 13.输料机 14.输料机洒水喷头 15.铣刨鼓 16.铣刨鼓洒水喷头 17.水泵 18.联轴器 19.液压马达该技术方案没有新增零部件,产品成本没有变化,对提高产品市场竞争力有明显优势。3 结论以铣刨机洒水系统的创新设计为例,分析了现有铣刨机在实际作业中存在的问题,并基于 TRIZ 理论中的 40 条发明原理,利用其中的反馈原理对铣刨机洒水系统进行了创新设计,通过引入温度反馈源,在节约水资源的前提下解决了除尘和降温的问题,但增加了设备的生产成本,一定程度上提高了产品的竞争力;通过引入铣刨深度反馈源,在不增加成本的
20、基础上,完美解决了除尘和降温的问题,对提高产品的市场竞争力有明显优势。通过设计实例,验证了 TRIZ 理论在工程机械领域进行创新设计的可行性,从而为相关产品的创新设计提供了重要的理论工具。参考文献1徐文山,刘益民.国内外沥青路面铣刨机的发展概况J.筑路机械与施工机械化,2001(6):17-19. 2周礼群,许武权,龙建国.路面铣刨机的发展历程与研究进展J.建设机械与管理,2005(4):47-49. 3檀润华.发明问题决理论M.北京:科学出版社,2004. 4创新方法研究委员会.创新方法教程M.北京:高等教育出版社,2015. 5Mann D L.An introduction to TRI
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