基于TRIZ理论的电牵引采煤机概念设计.pdf

分类号 U DC 密级 编号 工学硕士学位论文 高校教师 基于T R IZ 理论的电牵引采煤机概念设计 作者 指导教师 学位级别 学科、专业 所在单位 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 赵存有 史冬岩教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 2 0 0 8 年5 月2 0 日 2 0 0 8 年6 月1 3 日 哈尔滨工程大学 哈尔滨T 稷人学硕十学位论文 摘要 电牵引采煤机概念设计的目的就是提出电牵引采煤机创新设计方案，提 高产品的理想化水平。 本文首先对概念设计的内涵、特点及作用和T R I Z 概况、运用及主要内 容作了简要的介绍，然后根据机械产品概念设计流程和T R I Z 理论创新设计 流程提出了改进型祝械产品概念设计框架及英创新设计流程，并应用它形成 电牵引采煤机改进设计创新方案。 该方法为改进型机械产晶创新概念方案的形成提供有效的手段，有利于 提高机械产品的理想化水平。 针对电牵荨| 采煤机开发和制造的现状，本文进行了以下方面的工{ 乍 1 ．根据概念设计流程和T R I Z 理论创新流程，提出改进型机械产品概念 设计框架和创新设计流程； 2 ．建立了电牵引采煤机功能结构模型。在分析了采煤机械截割煤岩的特 点的基础上，克服了截割运动和牵引运动控制相互隔离状态，建立起他们之 闯的联系。为实现工程问题的需求功能定位，找到枫械产品对应的工程问题 技术系统奠定了基础。 3 。针对客户需求及电牵弓| 采煤枫的功能结构实现工程问题的功能定位， 完成了基于T R I Z 理论的电牵引采煤机组件的功能关联分析和根本原因分析， 为进一步用T R I Z 理论解决润题作了前期准备。 4 ．由根本原因分析结果定义技术冲突和物理冲突，应用创新原理和物一 场分析方法，以T R I Z 理论中理想度法则为如发点提出了电牵引采煤机的概 念设计方案。通过二级模糊综合评价模型的评价结果知到创新方案优予原始 方案。 关键词电牵引采煤机；概念设计T R I Z ；理想化设计 A b s t r a c t T h eo b j e c t i v eo fe l e c t r o ．h a u l a g es h e a r e r ’Sc o n c e p t u a ld e s i g ni s t o p u t f o r w a r dp r o g r a m so fe l e c t r o h a u l a g es h e a r e r ’Si n n o v a t i o nd e s i g na n di m p r o v ei t s i d e a l i z i n gl e v e l ． T h et h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e dt h em e a n i n g ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de f f e c to f c o n c e p t u a ld e s i g na sw e l la sg e n e r a ls i t u a t i o no fT R I Z ，i t sa p p l i c a t i o na n dm a i n c o n t e n t s ，t h e np r o d u c e df r a m ea n df l o wd i a g r a mo f i n n o v a t i o nd e s i g nb a s i n go n m e c h a n i c a lp r o d u c t s ’c o n c e p t u a ld e s i g na n dT R I Zt h e o r y ．A ts a m et i m e ，t h ef l o w o fd i a g r a mw a sa p p l i e dt oi n n o v a t i v ed e s i g no fe l e c t r o - h a u l a g es h e a r e ra n d f o r m e di n n o v a t i n gc o n c e p t u a lp r o g r a m ． T h em e t h o di sm e a n so ff o r m i n gi n n o v a t i n gc o n c e p t u a ld e s i g np r o g r a mo n i n n o v a t i o n ．t y p em e c h a n i c a lp r o d u c ta n di nf a v o rt oi m p r o v et h ei d e a l i z i n gl e v e l o fm e c h a n i c a lp r o d u c t ． I na l l u s i o nt oa c t u a l i t yo fd e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r eo ne l e c t r o h a u l a g e s h e a r e ra tp r e s e n t ，t h et h e s i sc a r r i e do ns e v e r a lt a s k sa sf o l l o w 1 ，T h ec o n c e p t u a ld e s i g nf r a m ea n df l o wo fi n n o v a t i o na r eb r o u g h tf o r w a r d b a s i n go nf l o wo fm e c h a n i c a lp r o d u c t s ’c o n c e p t u a ld e s i g na n di n n o v a t i n gf l o wo f T R I Zt h e o r y ． 2 。B u i l tu pf u n c t i o ns t r u c t u r em o d e lo fe l e c t r o h a u l a g es h e a r e LT h es t a t eo f i n s u l a t i o nW a sc o n q u e r e db e t w e e nc u t t i n gm o v e m e n ta n dh a u l a g em o v e m e n t ，a n d t h e i ra f f i l i a t i o nw a sb u i l tu pa tt h eb a s eo fc u t t i n gc o a l ’Sa n a l y s i so ne x c a v a t o LI t c o u l dr e a l i z et h er e q u i r e m e n tf u n c t i o nl o c a t i o no fe n g i n e e r i n gp r o b l e m ．T h i s e s t a b l i s h e dt h eb a s i sf o rf i n d i n go u tt e c h n i q u es y s t e ma s s e m b l i e so fe n g i n e e r i n g p r o b l e mo nm e c h a n i c a lp r o d u c t s ． 3 ．R e a l i z et h ef u n c t i o nl o c a t i o no fe n g i n e e r i n gp r o b l e mi na l l u s i o nt oc l i e n t r e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o ns t r u c t u r eo fe l e c t r o - h a u l a g e ．T h ef u n c t i o n c o n n e c t i o n a n a l y s i sa n dr o o tc a s ea n a l y s i st h a tb a s e do nT R I Zt h e o r yw e r ef i n i s h e da b o u t a s s e m b l i e so fe l e c t r o h a u l a g es h e a r e ra n dt h ep r e p a r a t i o n si na d v a n c ew e r er e a d y ⋯哈尔滨f 种人学硕十学位论文 f o r r e s o l v i n ge n g i n e e r i n gp r o b l e mw i t hT R l Zt h e o r y ． 4 D e f i n e dt h et e c h n i c a l c o n t r a d i c t o r ya n dp h y s i c a lc o n t r a d i c t o r yb yr o o t c a s ea n a l y s i sa n dp u tf o r w a r d c o n c e p t u a l d e s i g np r o g r a mo fe l e c t r o h a u l a g e s h e a r e r b y a p p l y i n gt oi n n o v a t i o n p r i n c i p l e a n ds u b s t a n c e ．f i e l d a n a l y s i s g r o u n d i n go nL a wo fI d e a l i z i n gD e g r e eo fT ⅪZ ．T h ei n n o v a t i n gp r o g r a ms e n i o r t o o r i g i n a lp r o g r a mw a sk n o w nb yr e s u l t so ft w o - s t a g e f u z z y s y n t h e t i c a l e v a l u a t i o n ． K e y w o r d s e l e c t r o _ h a u l a g es h e a r e r ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；T R I Z ；i d e a l i z i n gd e s i g n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者 签字 姜颓确 日期弘旧年移月fo 日 哈尔滨r 稗人学硕十学位论文 第1 章绪论 ．1 ．1 概述 当今世界，能源短缺依然是制约经济发展的关键重要因素之一。现代中 国，煤炭生产仍然是我国一次性能源的主体。煤炭工业持续、稳定、协调发 展，是顺利实现建设社会主义和谐社会目标的重要条件。采煤机是煤炭现代 化生产的专用设备。由于电牵弓l 采煤机具有良好的牵引特性、可用于大倾角 煤层、运行可靠和使用寿命长、反应灵敏和动态性能好、效率高、结构简单、 有完善的检测和显示系统的优点，自上个世纪8 0 年代，美、德、嚣、荚等国 家已开始研制和使用电牵引采煤机。我国电牵引采煤机的研制和使用起步较 晚，应震和推广也就是十几年的时间，但与发达国家之糊的差距越来越小。 在经济全球化、中国市场经济和进入W T O 背景下，作为机电产品的电 牵弓| 采煤机生产都要与用户的需求紧密联系在一起。用户的需求导致电牵引 采煤机的更新换代，产品的创新和更新换代的速度直接影响中国矿由机械行 业的市场竞争力。产品的概念设计阶段是产晶设计中最重要、最复杂也是最 有创造性的阶段，是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具 体的设计过程⋯。本课题结合概念设计流程和T R I Z 理论的创新流程，提出改 进型枧电产品概念设计流程并应用予电牵雩| 采煤机的创新设计过程。 1 ．2 机械产品创新设计现状 1 ．2 ．1 现代产品设计技术 产燕的设计理论是产品创薪的核心和基础。为了提高产品的开发设计能 力，许多学者在这方面作了大量的工作。文献[ 2 ] 指出，现代产品设计方法包 括多学科优化设计、基于发明创造方法学的设计、公理化设计、并行设计、 智能设计、协同设计和绿色设计等。这些设计理论和方法围绕着投放市场时 间、产品质量、产品成本、支持服务、适应市场变化的灵活性和无污染、节 省资源等方面展开。这些设计方法不是相互孤立的，他们相互联系、彼此支 持，都是以数字化设计为基础的。作为设计工具的C A D 技术，经过半个多 哈尔滨T 稃大学硕十学位论文 世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方溺都有了长足的进步，已经成 为实现产品设计制造自动化、增强企业竞争能力、加速国民经济发展和国防 建设酶一项重要高新技术。2 e 世纪9 0 年代以来，基于过程的C A D 技术使产 品数据模型能够在全生命周期的不同环节 从概念设计、结构设计、详细涉 及到工艺设计和数控编程 ，支持集成的、并行的产品设计及其相关的各种过 程 包括制造过程和支持集成 ，帮助产品开发人员在设计开始阶段就考虑产 品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用 户需求。 { 。2 。2 概念设计 创新的本质在于用某种方法获得具有新颖的设计方案。产品的概念设计 阶段，也鄹产瑟的原理方案设计阶段，是决定产品创耨性的主要环节。它涉 及到人脑的创新思维问题，是形象思维和抽象思维综合运用的结果。同时， 撅念设计在设计步骤上体现多样化和设计结果的多样化。不同功能的定义、 功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功 能载体的设计上产生完全不同的解决方案。而且概念设计在层次性上体现在 一方面，概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构 层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，结构修改和结构变异则 作焉于结构层，盘映射关系将两层连接起来。另一方西，在功能层和结构层 中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一个层次 推进。功能的层次{ 蹩也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层 次的结构。例如采煤机的功能是“落煤和装煤’’，而采煤机的子功能之一“牵 引”是出牵弓| 部来完成的。文献[ 1 ] 中指出，产品的综合性能的7 0 ％是由概念 设计阶段决定的。 1 。概念设计的内涵 GP a l k 和w ．B e i t z 将概念设计表述为“在确定任务之后，通过抽象化， 拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得 出求解方案，这一部分设计工作露q 傲概念设计。 F r e n c e 啼1 认为“概念设计首先是要弄清设计要求和条件，然后生成框架 2 哈尔滨I 料大学硕十学竹论文 式的广泛意义上酶解。在此阶段中对设计师的要求较高，但却可以广泛地提 高产品性能。它需要工程科学、专业知识、产品加工方法和商业运作知识等 各方面知识相互融合在一起，以作出一个产品全生命周期内最为必要的决策。 在这里‘框架式的解’是指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都可以对 应与其上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使它们有机地结合起来。 我们从这个框架中得到产品的大致成本、重量或总体尺寸，以及在目前环境 下的可行性等。这个框架只需对一些特征或部件有一个相当明确的描述，但 并不要求详细⋯⋯’’。 邹慧君H 1 认为“概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产 品功能剖造、功畿分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构 要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统 化设计。概念设计的过程是～个发敖思维和创新设计的过程，是～个求解实 现功能的、满足各种技术和经济指标的、可能存在的各种方案并最终确定综 合最优方案的过程。“ 总之，概念设计是从产品功能定义到生成总体原理方案解的一系列设计 活动，它表现为由抽象到具体、由模糊到清晰的逐步求精和细化的过程。概 念设计可以大致划分为两个阶段功能设计阶段和原理方案设计阶段。功能 设计阶段的任务是把产品总功能分解成多个分功能，建立其功能结构，进行 功能刨薪。原理方案设计阶段的任务是对每个分功能进行求解，得到分功笼 原理解，并组合成总功能解，进行原理创新酾1 。 产品的概念设计流程如图l 。l 所示。 概念设计应包括以下主要内容 ①功能创新； ②功能分析和功能结构图设计； ③工作原理解的搜索和确定； ④功麓载体方案构思和决策。 2 ．概念设计的作用 为了能够迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，产品快速设计就成为企监 实现对市场的快速响应和产品创新的重要环节。 3 哈尔滨下程大学硕十学位论文 功能设计 原理设计 方案设计 初步设计 图1 ．1 产品概念设计流程 设计是决定竞争力的最重要阶段，两产晶的概念设计则是产品设计过程 最重要、最复杂，最活跃、最具创造性的设计阶段。从产品创新的角度看， 概念设计过程本质上就是一个产品的创新过程，这一阶段的工作高度地体现 了设计的艺术性、创造性、综合性以及设计者的经验，～旦概念设计方案被 确定，产品设计工作的6 0 ％～7 0 ％也就被确定了。产品概念设计与其它开发阶 段相比所消耗的开发资源较少，是产品开发豹低成本端，但却决定了产品全 生命周期的绝大部分成本。概念设计是产品开发的“杠杆最大省力点 h i 曲e s t l e v e r a g ep o i n t ”潮。 1 ．2 ．3 发明问题解决理论 1 ．T R l Z 理论的概况与运用 T R I Z 是俄文首字母的缩写 意为解决发明创造问题的理论H ’8 3 。以 C e n r i c hA l t s h u l l e r 为首的原苏联科研人员于1 9 4 6 年开始了有关T R I Z 理论和 实践的研究。其主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所 4 r●0L r●t r，，●气●L厂_L 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 遵循的科学原理和法则。因此原苏联的大学、研究所和企业所组成的数百入 的研究组织分析研究了全世界近2 5 0 万件发明专利，综合多个学科领域的原 理、法则形成T R I Z 的理论体系。在东蘑方冷战时代，T R J Z 酶研究一直被作 为苏联的国家机密，西方国家知之甚少。苏联解体后，大批T R I Z 研究者移 居美国等西方国家，T 甜Z 的研究与实践得以迅速普及和发展。 在俄罗斯，T R I Z 理论方法己广泛应用于工程领域中。欧洲以瑞典塞家工 科大学 K T H 为中心，集中十几家企业开始了实施利用T R I Z 进行创造性设 计的研究计划。昂本从1 9 9 6 年开始不断有杂志介绍T R I Z 的理论方法及应用 实例。美国也有大学相继进行了T R I Z 技术研究，有关T R I Z 的研究咨询机构 相继成立，T R I Z 己成为国外企业、尖端技术领域解决技术难题实现剖新的有 效工具。 R o c k w e l lA u t o m o t i v e 公迸针对某型号汽车的刹车系统运用T R I Z 理论进 行了创新设计∞1 。通过T R I Z 理论地应用，刹车系统发生了重要的变化，系统 由原来的1 2 个零件缩减为4 个，成本减少5 0 ％，还同时满足刹车系统的功 能需求。 韩国三星集团先进技术研究院的T R I Z 实施与应用节省9 1 ．2 0 0 。0 0 0 美元 的研发费用秘躺。 最近几年，T 刚Z 理论在我国引起了学术界的重视和运用。在我国，随着 天津大学予1 9 9 7 年弓| 入T e c h O p t i m i z e r 软件，有关T R I Z 的研究与应用在国内 也相继展开。目前，开展T R I Z 研究的学校有天津大学等3 0 几所知名高校。 2 。l R l Z 理论的主要内容 A l t s h u l l e r 通过对大量专利的分析研究的基础上，得出了产品创新设计中 的三条发现。即眦3 1 类似的问题和解在不同的工业和科学领域交替出现； 2 产品技术进化的模式在不同的工程和科学领域交替出现； 3 创新所依据的科学原理往往属于其他领域。 依据这三条发现，A l t s h u l l e r 等人提出了一系列的概念与工具n 羽。T R I Z 中的基本概念有以下几种发明的级别；产品技术成熟度预测；产晶进化定 律；理想解等。T R I Z 中的主要方法与工具有以下几种3 9 个通用工程技术 哈尔滨I 科人学硕 学何论文 参数描述的技术冲突；解决技术冲突的4 0 条发睽原理；物理冲突；解决物理 矛盾的分离原理；物质一场分析n 副；科学和技术成果数据库 物理、化学、 几何 ；发明问题解决算法 A 甜Z 等。 T R I Z 解决创新问题的核心是研究待解决问题的“技术冲突”，并寻找解 决该“技术冲突”的方法。所谓“技术冲突”，是指在同一系统中～个“作用” 同时导致对该系统“有用”和“有害’’两种结果，也可以指“有用作用”的 引用或“有害效应”的消除导致一个或几个子系统或系统变“坏”。A l t s h u l l e r n 们 认为，技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突，其经常出现的 三种情况为 圭 在一个子系统中弓| 入一种有用功能，导致另一个子系统产生一种有害 功能或加强了己存在的一种有害功能。 2 消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏。 3 有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得复杂。 对于技术冲突的～般化表达，A l t s h u l l e r 提出基于3 9 个通用工程特性， 任何一个技术冲突都可以用其中的一对特性来描述；而该技术冲突的创新解 可由T R I Z 提供的4 0 条发明创造方法来求得。因此，T R I Z 技术构造了～个 冲突矩阵，该矩阵包含4 0 行4 0 列，其中第一行和第～歹| j 是按顺序排列的3 9 个通用工程特性序号，矩阵元素中的数字表示4 0 条发明创造方法中推荐采用 的方法序号。 ， T R I Z 理论基础是技术系统的八大进化法则，其中提高理想度法则是最基 本和重要的法则，其他法则都是揭示提高系统理想度的方法。技术系统总是 沿着提高理想度、向着最理想系统的方向进化。理想化是对客观世界中所存 在物质的～种抽象化，是真实存在的～种极限状态。理想状态的定义如下公 式‘’朝 I d e a J i 旷∑U F ／ ZH F 1 1 式 1 - 1 中I d e a l i t y 为理想化水平；罗u F 为有用功熊之和；罗H F 为有害 功能之和。该公式的意义为产品或技术系统的理想化水平与有用功能之和成 玉比，与有害功能之和成反比。有用功能包括系统发挥{ 乍用的所有有价值的 结果；有害功能包括不希望的费用、能量消耗、污染和危险等。如为使产品 的理想化水平提高就要增加产品的有用功能，减少费用、能量消耗、污染和 6 哈尔滨f 稃大学硕十学位论文 危险等有害功能。 理想设计的理想性在于，不用任何手段就能“白臼地“ 达到要求的效果。 理想纯设计的目的就是最大限度地接近理想解n 引，理想解是解决问题已知和 未知方案中最好的方案，是引导设计者绕开原产品存在的具体问题，转而设 想所需功麓的理想状态。通过增抽有用功能并同时减少有害功能的方法改善 理想化水平。 T R I Z 理论通过技术成熟度预测曲线n 7 q 们预测未来技术进化的过程。 A l t s h u l l e r 通过研究发现，任何系统或产品都按生物进化的模式进化，网一代 产品进化分为婴儿期、成长期、成熟期、退出期四个阶段，这四个阶段可用 生物进化中的S 一曲线表示，如图1 ．2 所示。 糕 诋 对叠 稚 魈 婴j 乙期成长期成熟期遐出期 图1 ．2T ⅪZ 分段线性S 一曲线 T R I Z 的S 一曲线有其优越性，S 一睦线中的拐点容易确定。确定产晶在 S 一曲线上的位置是T R I Z 技术进化理论的重要内容，称为产品的技术成熟度 预测。预测豹结采可为企业的决策指明方向，对于处予婴儿期的及成长期的 产品企业应对产品的结构、参数等进行优化，使其尽快成熟，以便为企业带 来利润；处予成熟期与退出期的产品，企业在赚取利润的同时，应开发新的 核心技术并替代己有的技术。所以企业就要不断地根据产品的技术成熟度来 研究产品的核心技术，不断推动产品的创新。该过程可用图1 ．3 产品的S 一 曲线族来表示，图中“当前的技术“ 表示当前产品的核心技术，它取代了产 品已经淘汰的核心技术，但当前产品的技术核心技术也会被将来的核心技术 即“新技术’’取代，两将来的新技术也会不断被替代。 T R I Z 技术进化来理论采用时间与产品的技术性能 即s 一曲线 、时间与 产瑟利润、时间与产晶专利数、时间与专利发明级别暇组盏线相关联来综合 评价产品在S 一曲线上位置，各曲线的形状如图1 ．4 所示。 7 哈尔滨下科人学硕 学位论文 瓤 甏 如 熙 甏 图1 ．3 产晶的S 一曲线族 ．撇 l● ，- 、o I● ，● I●，I ●●／I ll／l ／卜| ／ 叠D d Ⅲ 趟 * 粲 n - R 黑 熏 静 时间 k IIl ≯o ；／ ．√i II I L 时间 时间 图1 ．4 产品技术成熟度预测曲线 产品技术成熟度预测及决策的过程为首先选定已有的产品，收集有关产 品的数据，建立图1 ．4 的露组产品技术成熟瘦预测兹线，并由该组蓝线确定 产品在S 一曲线上的位置，如产品处于婴儿期或成长期，应对产品进行优化， 以改善产品的性能，使其尽快过度到成熟期；如产品己处于成熟期或退爨期， 则需要对产品进行产品创新，发现该类产品的核心技术，替代原有产品的核 心技术。 T R I Z 理论创新流程如圈1 ．5 所示。 T R I Z 标准 问题 归纳冒 实际阉惩 运算 霉麟凝藏墨离 lT R I Z 标准 |解决方案 旦演绎 l实雾篓决 豳王．5T R I Z 理论剑掰流程 8 哈尔滨T 程大学硕七学位论文 3 ．T Rlz 理论问题求解与传统创新方法比较 试错法用不同的技术或方法不断反复试验，有很大的随机性和不确定性， 试验的次数很有限、效率低，如图1 ．6 所示。头脑风暴法通过一组入开会的 方式对某一特定的问题提出解决方案，该方法是发散性的，往往得不到创新 结果，如图主。7 所示。形态分析法从系统酶观点看待事物，把系统拆戒几个 功能部分，分别找出能够实现每一个功能的所有方法，填形态分析表，将这 些方法进行组合。它是在复杂问题空湖中探求所有可熊的解决方案，虽然可 以全面的考虑可能的因素和资源，由于方案众多，无从下手，如图1 ．8 所示。 以上这些传统创薪方法方法的共同之处是靠个人灵感和融我发散思维。 图1 ．6 试错法解空间搜索过程模型 7 酋l 翠● 图l 7 头脑风暴法解空间搜索过程模型 T R I Z 理论作为一种设计方法学，对创新设计和变形设计在产品的概念设 计阶段为设计者提供了设计过程模型、设计工具和设计方法，如图1 ．9 所示。 运用T R I Z 理论，可大大加快人们创造发明的进程，能够帮助设计师系统地 分析问题情境，快速发现问题本质或者冲突，能够准确确定问题探索方向， 9 哈尔滨丁 程人学硕 学位论文 不会错过各种可能，能够帮助设计师突破思维问题，打破思维定势，以新的 视野分析问题，进行逻辑性和非逻辑性的系统思维，还能根据技术进化规律 预测未来发展趋势，从焉开发出富有竞争力的囊产品。 图1 ．8 形态分析法解空问搜索过程模型 问题 解 图1 ．9T R I Z 解空间搜索过程模型 1 ．3 课题研究意义及主要研究内容 { 。3 ．{ 课题的研究意义 世界各国普遍重视提高产品开发能力，以缩短产品上市时间，增强产品 市场竞争力。设计是复杂的创造性思维活动，创新是设计的本质和灵魂。只 有创新才能从根本上满足市场需求甚至创造出新的需求，才能大幅度提高产 品的整体性能，从而极大地增强产品的市场竞争能力。2 l 世纪是人类更多地 依靠知识创新和知识的创造性应用实现可持续发展的世纪。因此，企业竞争 的实质是产晶创新能力的竞争，增强产品市场竞争力的关键在于创新。 创新是多层次的，如结构修改和替换属于低层次创新，而工作原理更换 和功能修改则属于黯层次创新。概念设计处于产品生命周期的早期阶段，对 设计的约束信息大部分是近似的、不精确的，甚至是未知的，因此产品的创 新层次高，创新空间大，有利于产品功能和原理层面上的革新。设计的核心 l O 哈尔滨I 程大学硕十学位论文 在于创新，概念设计是产品刨耨的关键阶段。 目前，国内外机械系统概念设计方法有很多种，而且多数集中于某些通 属设备或行监上，在矿由机械设备的设计才刚刚起步，尤其结合T R I Z 理论 实现创新设计方面没有报道。 矿由机械没备的设计尤其是采煤机的设计常常落震予需求。概念设计方 法则是一种满足可比性原则、可行性原则、科学性原则和指标的动态性的方 法，适用予该类设备的概念设计过程。T R I Z 理论在解决技术矛盾和物理矛盾 方面更能结合客户需求，显示出无可伦比的优越性。 1 ．3 。2 研究内容 针对我国矿山机械产品尤其是采煤机产品仿制多、创新少、市场竞争能 力不强，通用性产晶多、面向用户功能多样性的产品少，产品设计耗时多、 设计成功率低、反复试制样晶使产品开发周期长、产品更新换代慢等特点， 以及T R I Z 创新设计理论在我国的研究和应用现状与水平，本文利用概念设 计方法并结合T R I Z 创新设计方法对电牵弓| 采煤机产品进行创新设计研究。 主要研究内容如下 王．系统地分析概念设计方法和专鞑Z 理论。本文通过分析产品概念设计 流程和T R I Z 理论在产品创新设计中的地位和作用，结合电牵引采煤机产品 概念设计发展现状，讨论电牵弓| 采煤机产品基于T R I Z 理论的概念设计的重 要意义。 2 ．提出解决改进型产品创新设计过程体系。结合概念设计和T 烈Z 理论 解决问题流程，提磁电牵弓l 采煤机概念设计框架，建立由需求分析、功能设 计、分析问题、解决问题和初步设计组成的概念设计流程。 3 ．对电牵弓| 采煤机进行功能结构分析。研究电牵引采煤枫的总功能描述 和功能分解，并建立电牵引采煤机的物理关系的功能结构。 4 。以物理关系的功能结构力基础对典型工程闻题准确定位，建立T R I Z 功能关联模型。根据功能分析结果，准确定位需解决问题所在分功能或功能 元，运用T R I Z 理论的功能关联分析方法对分功能或功能元对应的技术系统 组件、超系统组件及作用对象进行分析，建立T R I Z 功能关联模型，对其功 能关联模型进行根本原因分析。 哈尔滨T 狸大学硕十学位论文 5 ．典型工程润题T R I Z 求解。定义技术冲突、物理冲突，癍用4 0 条发 明创造方法、冲突分离方法和场效应分析方法解决采煤机在解决客户需求过 程中出现的技术冲突和物理冲突。形成概念方案并与原始方案进行评价比较。 1 2 哈尔滨T 稃大学硕十学位论文 第2 章电牵引采煤机创新设计方法 2 ．{ 电牵引采煤机简介 2 ．1 。1 电牵引采煤机的应用特点和工作原理 电牵引采煤机是近十几年发展起来的新型采煤设备。由于其优越的性能， 使其一出现，就得到广泛的应用。英优越性主要表现在 1 具有良好的牵引特性； 2 机械传动效率高，机械传动和结构简单； 3 牵弓| 力大、牵引速度高，并可用于大倾角煤层，生产率高； 4 运行可靠，使用寿命长 5 易于实现微机叁动控制；具有完善的监测和蘧示系统； 6 反应灵敏，动态特性好。 电牵弓l 采煤机构成如图2 ．1 所示。 l 一截割电动机2 一摇臀减速器3 ～滚筒唾一行走部箱5 一调离泵站 6 一底托架7 ～屯控箱8 一调高油缸卜导向滑架 图2 。王电牵弓| 采煤机结构示意图 1 3 哈尔滨I 科人学硕七学何论文 ，其工佟原理是电牵引采煤机工作时一般骑在刮板输送机上 爬底板的 薄煤层采煤机除外 ，通过导向滑架9 可沿着刮板输送机的导向管运行，支撑 滚轮在导向划架的另一侧起支撑采煤机机重作用。动力来自予牵孳| 部箱4 孛 的两台水冷防爆电动机 也有一台情况 。电动机驱动机械传动系统拖动无链 牵弓| 机构沿着刮板输送机的轨道前进或后退运行，实现采煤枧的截割进给。 电牵引采煤机的左右2 个截割部 包括截割电动机l 、摇臂减速器2 和滚筒3 分别有两台电动机驱动。水冷防爆电动机驱动机械传动系统拖动滚筒转动， 实现采煤机在煤壁上截煤。采煤机截煤运动实际上是截割运动和迸给运动的 复合运动。为了使采煤机能够把煤截落并把煤装入刮板输送机，滚筒具有截 齿和螺旋叶片，同时安装有喷雾灭尘喷嘴扑灭采煤过程中的粉尘。 采煤机沿着采煤工作面过程中，煤层的厚度往往是变化的。截割部与牵 引都是通过销_ 季蠹铰接在一起，调高油纽8 可以调整左右2 个截割都的摆动焦 度以适应这种变化。挡煤板可以拾浮煤和降低粉尘，它的位置可以调整并位 于采煤机运行方向滚筒的后侧。 电控箱7 一般由高压控制箱和牵弓l 控制箱组成，采用变频调速器对牵弓l 部电动机进行控制，适应煤层截割状况变化而引起的载荷变化。通过微电脑 控制调高电磁阀、控制挡煤板翻转的电磁阀，并为截割电动机监测等方面提 供数字采集、处理、显示、监控、故障诊断并发出指令。 采煤机的运季亍和操作均可透过装在枧身两端的遥控器来进行控制，可以 采用有线式和无线式两种方式，主要操作内容为两端摇臂的升降，2 个弧形 挡煤板的翻转，牵弓| 方向及速度调整、迅速傅机和全机紧急停车、开停冷却 喷雾水和开启消防灭火水。 底托架6 可以把电控箱、牵引部和调高油缸及其液压泵站5 安装在一起。 2 ．1 ．2 电牵引采煤机设计相关技术 电牵引采煤杭设计技术包括硬件技术和软件技术两大方面【硬件通常包 括机械本体、传感器、接口单元、信息处理单元、驱动单元等部分。而软件 则盘各种不同功栽的模块或标准化模块组成轻。 1 机械技术 除了传统的机械技术外，还有精密加工技术、结构优化设计方法、动态 1 4 哈尔滨I 稃人学硕十学何论文 设计法、虚拟设计法等；研究开发新型复合材料，以便机械结构减轻重量， 减小体积，改善在控制方面的快速响应特性通过使零部件标准化、系列化、 模块化来提高其设计、制造和维修水平。 2 传感器技术 在电牵引采煤桃技术中，传感器的作用是把被测量转变成电信号。其主 要包括三个功能部件敏感元件、传感元件和测量元件。下图为传感器的结 构原理图。 图2 ．2 传感器的结构原理图 现代工程技术要求传感器能快速、精确地获得信息，并能经受住各种严 酷环境的考验。与以计算机为中心的控制技术相比，传感器技术的发展显得 缓慢，远跟