何磊，高杉，李勇

(1.中國地質裝備集團有限公司，北京　100102；2. 中國地質大學(北京)，北京　100083)

基于TRIZ的多工藝動力頭創(chuàng)新設計

何磊1，高杉1，李勇2

(1.中國地質裝備集團有限公司，北京100102；2. 中國地質大學(北京)，北京100083)

摘要：：作者將TRIZ(theory of inventive problem solving)創(chuàng)新理論方法應用于多工藝鉆機動力頭的設計研究，對同時適用于金剛石繩索取心鉆進工藝和空氣反循環(huán)快速取樣兩種鉆進工藝多工藝鉆機動力頭技術現(xiàn)狀及存在的問題進行分析，提出了新型多工藝動力頭的設計要求；應用TRIZ理論進行根原因分析，建立系統(tǒng)功能模型，確立了沖突區(qū)域，選擇、確定可行的發(fā)明原理，綜合各種創(chuàng)新方法的解，最終給出可行解；最后對新型多工藝鉆機動力頭進行了可行性及經濟性分析。

關鍵詞：鉆機；多工藝；動力頭；創(chuàng)新；設計

中圖分類號：P634.31

文獻標識碼：A

文章編號：1009-282X(2015)06-0011-04

收稿日期：2015-10-26

作者簡介：何磊(1979-)，男(漢族)，江蘇徐州人，中國地質裝備集團有限公司技術中心鉆探設備研發(fā)部主任，高級工程師，碩士，機械工程及自動化專業(yè)，長期從事鉆探設備研發(fā)及知識產權管理工作，北京市朝陽區(qū)望京西園221號博泰大廈5層，13671168082@163.com。

0引言

TRIZ是由前蘇聯(lián)著名發(fā)明家G.S.Ahshuller及其帶領的研究團隊，通過深入分析和研究世界各國近250萬件高水平發(fā)明專利的基礎上建立起來的發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving)[1]。其核心是回答發(fā)明問題解決的過程、支持工具等難題，使設計者或問題解決人員能運用前人在不同領域創(chuàng)新的知識和經驗，快速、高效地解決自己的問題。TRIZ已被認為是一種世界級創(chuàng)新方法[2]。

目前，我國地質小口徑固體礦產勘探工作量絕大部分都采用金剛石繩索取心鉆探工藝，空氣反循環(huán)鉆探工藝以其高效率與低成本的優(yōu)勢在國外得到廣泛應用[3]。將RC鉆探工藝淺部高效取樣和深部金剛石繩索取心相結合的多工藝鉆機在國外已系列化，技術及相關配套機具都已成熟，例如山特維克公司的DE系列鉆機、寶長年公司的LX系列鉆機等。動力頭是鉆機的關鍵功能部件，多工藝鉆機研制的關鍵技術在于多工藝動力頭(回轉裝置)的研發(fā)，其作用是為鉆桿提供回轉扭矩和控制轉速。本文運用TRIZ的經典方法設計一種多工藝動力頭，既可以滿足兩種鉆探工藝要求的一高一低的調速范圍，又可以實現(xiàn)高低速的快速切換。

1多工藝動力頭發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石繩索取心和空氣反循環(huán)鉆探工藝對鉆機的要求是有很大差別，主要區(qū)別在于動力頭轉速及回轉扭矩，多工藝動力頭研發(fā)的難點是轉速范圍大。當使用金剛石繩索取心鉆進工藝時，鉆頭需要高轉速磨削巖石鉆進，一般鉆頭線速度2m/s以上，小直徑鉆頭最高轉速大于1000r/min，扭矩小，轉速可調控；空氣反循環(huán)快速取樣鉆進使用沖擊回轉全面破碎鉆進方式，要求大扭矩，轉速要求只需要20～40r/min。

目前，國外鉆探設備多功能化、多工藝化成為主流發(fā)展方向，一機多用更能很好的應對不同地層及鉆孔需求。主要有兩種方式實現(xiàn)鉆機的多工藝：(1)高速動力頭與低速大扭矩動力頭根據(jù)不同鉆探工藝互換，鉆機其他功能部件不需要變化；(2)一個能實現(xiàn)大范圍轉速調控的多工藝動力頭，可以快速轉換使用不同鉆探工藝。

1.1　兩種動力頭的互換

一個高速動力頭，適用于金剛石鉆頭回轉鉆進工藝；一個低速大扭矩動力頭，適用于空氣反循環(huán)快速取樣鉆進工藝，根據(jù)不同的鉆探工藝選擇使用。低速大扭矩動力頭外形如圖1所示，低速大扭矩動力頭適用于空氣反循環(huán)鉆進工藝，由低速大扭矩馬達驅動輸入齒輪減速箱；高速動力頭外形結構圖2所示，高速動力頭適用于金剛石繩索取心鉆進工藝，高速變量馬達 1 將功率輸入減速器2，減速后再將機械能輸入變速箱3，再經末級減速箱 4最終傳遞給輸出軸6。

圖1　低速大扭矩動力頭外形

1.2　高速馬達+大減速比變速箱

采用高速馬達+大減速比變速箱結構方式的動力頭實質上是對圖2所示的高速動力頭的改進，因為高速動力頭不能提供空氣反循環(huán)鉆進需要的大扭矩，所以在高速動力頭的基礎上，為了解決動力頭高低速的轉換，對高速回轉動力頭進行了改進，增加了變速箱，并在箱體內增加了一級減速齒輪軸。高速變量馬達8將液壓能轉化為機械能，將扭矩傳遞給變速箱7，變速箱7設有高速與低速兩擋，再將扭矩傳遞給輸入齒輪軸6，與一級減速齒輪4嚙合實現(xiàn)一級減速，一級減速齒輪4與大齒輪3嚙合實現(xiàn)二級減速后最終將功率傳遞給動力頭輸出軸2，潤滑泵5與輸入齒輪軸6連接給箱體內軸承提供潤滑油，以上子系統(tǒng)都固定在箱體1上。結構簡圖如圖3所示。

圖2　高速動力頭外形結構

1.箱體; 2.輸出軸; 3.大齒輪; 4.一級減速齒輪; 5.潤滑泵; 6.輸入齒輪軸; 7.變速箱; 8.柱塞變量馬達圖3　多工藝動力頭系統(tǒng)結構簡圖

采用兩種動力頭實現(xiàn)多工藝是多工藝動力頭系統(tǒng)在技術進化過程的初級階段，使用不方便，不能實現(xiàn)快速切換，更換動力頭時容易污染液壓油，造成液壓系統(tǒng)的失效。采用高速馬達+大速比變速箱結構方式的動力頭是多工藝動力頭系統(tǒng)技術進化的更高的階段，本文主要對該種多工藝動力頭系統(tǒng)應用TRIZ方法解決現(xiàn)有系統(tǒng)的問題進行創(chuàng)新設計。

2基于TRIZ的創(chuàng)新設計過程

由于TRIZ理論是以已有系統(tǒng)為主要研究對象，比較適合于產品的改進設計[4]。面向問題的創(chuàng)新求解過程主要包括兩個階段：第一階段是通過需求分析、問題表征、功能分解及功能結構構建來挖掘現(xiàn)有多工藝動力頭產品存在的問題，并提出改進方向；第二階段是應用TRIZ理論中的矛盾矩陣、分離原理、物場模型等工具逐個解決第一階段的系統(tǒng)問題。針對目前多工藝動力頭方式存在的問題，運用TRIZ理論理論解決問題并得到理想解。

2.1　問題分析

高速變量馬達輸出的轉速很高，導致變速箱長期工作的情況下發(fā)熱嚴重，變速箱由專業(yè)廠家制造，由于地質裝備行業(yè)產品的特點是批量少、變型機型多，所以變速箱價格昂貴，且使用可靠性差。

2.1.1功能分析

對目前使用的多功藝動力頭建立系統(tǒng)功能模型，如圖4所示。功能分析：

圖4　系統(tǒng)功能模型

(1) 液壓系統(tǒng)：系統(tǒng)的超系統(tǒng)，系統(tǒng)的動力來源，功能是為系統(tǒng)提供能量。

(2) 高速變量馬達：主要功能是將液壓能轉換成機械能，輔助功能是變量調速。

(3) 變速箱：功能是調速、傳遞能量。

(4) 輸入齒輪軸、減速齒輪、大齒輪：功能是傳遞機械能、減速。

(5) 輸出軸：功能是傳遞能量，連接鉆桿。是系統(tǒng)的工作單元。

(6) 箱體：功能是支撐各子系統(tǒng)。

(7) 鉆桿：系統(tǒng)的驅動對象。

2.1.2原因分析

從系統(tǒng)功能模型圖4可以看到，液壓系統(tǒng)驅動高速馬達8，將液壓能轉化為機械能經變速箱7將機械能傳遞給輸入齒輪軸6，再經過箱體內的齒輪減速將能量傳遞到輸出軸2，變速箱有高低速兩擋，高速檔時變速箱發(fā)熱嚴重很容易損壞，低速擋時由于負載強烈的沖擊，變速箱也容易損壞。原因是高速擋時馬達8需要輸入3000r/min以上的轉速，在如此高的轉速下變速箱長時間工作發(fā)熱嚴重；低速擋時，負載大且不平穩(wěn)對變速箱的齒輪有沖擊造成變速箱損壞。

2.1.3資源分析及理想解

液壓能這種場資源可以直接應用，液壓能也是動力頭系統(tǒng)的超系統(tǒng)。針對目前系統(tǒng)的問題，確定系統(tǒng)改進的目標，即理想解。利用可用資源，解決變速箱發(fā)熱損壞的問題，實現(xiàn)輸出軸高低速的轉換，可靠的工作。

(1)要滿足動力頭的功能需求，保證參數(shù)指標，既可以輸出高轉速，又可以輸出大扭矩低轉速；

(2)要求運用現(xiàn)有資源，最好是沿用液壓驅動的方式；

(3)能夠快速的切換高轉速與大扭矩低轉速的狀態(tài)；

(4)考慮方案的可執(zhí)行性、可靠性及成本控制。

2.2　TRIZ工具的選擇與運用

使用了沖突分析和物質-場分析兩種TRIZ創(chuàng)新方法，對應可用的發(fā)明原理和76個標準解中的適用解。

2.2.1系統(tǒng)物理沖突的解決

沖突理論是TRIZ的經典理論之一，與技術沖突相比，物理沖突是一種更尖銳的矛盾。動力頭對于整個鉆機來說是一個重要的子系統(tǒng)，動力頭“輸出轉速的高與低”就是一個物理沖突。采用分離原理來解決物理沖突，兩種分離原理對應的發(fā)明原理見表1。

表1　發(fā)明原理列表

2.2.2物質-場分析及標準解

對變速箱進行物質-場分析，如圖5所示。高速液壓馬達8將機械能傳遞到變速箱，施加了機械場，這個場是想要的但有時也是有害的，高轉速時馬達8需要輸入3000r/min以上的轉速，在如此高的轉速下變速箱長時間工作發(fā)熱嚴重，有潤滑散熱裝置的情況下也不能達到熱平衡，造成變速箱損壞；變速箱向輸入齒輪軸施加機械場，齒輪軸方向也向變速箱施加一個有害的機械場，在低速擋時，負載有強烈的沖擊，都縮短了變速箱的使用壽命。

通過物質-場分析，可能用到76個標準解中：

圖5　變速箱物質-場分析

No.7一個系統(tǒng)中場強度不夠，增加場強度又會損壞系統(tǒng)，將強度足夠大的一個場施加到另一個元件上，再將該元件連接到原系統(tǒng)上。

No.9在一個系統(tǒng)中有用及有害效應同時存在。S1及S2不必直接接觸，引入S3消除有害效應。

2.3　歸納可能解

將發(fā)明原理及標準解歸納，提出對應的可能解，將這些可能解組合形成系統(tǒng)最終解，見表2。

2.4　找到理想解

基于上述物理沖突與系統(tǒng)問題的解決，沿著提出的創(chuàng)造性思維方向，結合自身實踐經驗和工程實際，濾除掉不符合要求的原理方案，最終得到了多工藝動力頭理想解。經過進一步細化設計，得到了新型動力頭最終結構，如圖6所示。

表2　可能解方案

圖6　多工藝動力頭外形結構圖

如新的系統(tǒng)功能模型圖7所示，將原系統(tǒng)中的變速箱去除，引入了低速大扭矩馬達和換擋機構，控制系統(tǒng)即液壓系統(tǒng)增加了控制高速馬達和低速馬達并聯(lián)控制閥，目的是通過液壓和機械的方式快速切換動力頭兩種工作模式。

圖7　新系統(tǒng)功能模型圖

3對理想解的評價

新的系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有資源，引入液壓驅動的低速馬達，增加了換擋機構，考慮到兩種工作模式并不是頻繁的切換，所以采用了人工手動的控制方式。從經濟角度上將去除了價格昂貴的變速箱，且變速箱需要外購執(zhí)行過程中有諸多不可控因素，新的方案除了液壓馬達需要外購，所有的子系統(tǒng)都是本單位自行生產，難度并不大，可靠性能保證，液壓馬達是各行各業(yè)大量使用的標準選型產品，質量也是可控的，所以新的系統(tǒng)是可行的且較之前的系統(tǒng)是節(jié)約了成本的。

如圖8系統(tǒng)結構及控制簡圖所示，動力頭高低速切換的具體實現(xiàn)形式為：

圖8　系統(tǒng)結構及控制簡圖

(1) 高速模式：控制馬達并聯(lián)閥，液壓系統(tǒng)只為高速馬達供油，即液壓系統(tǒng)只驅動高速變量馬達，同時手動控制換擋機構使低速馬達與輸入軸脫開，不參與傳動。

(2) 低速模式：控制馬達并聯(lián)閥，使高速及低速兩馬達并聯(lián)，液壓系統(tǒng)同時驅動兩馬達，同時手動控制換擋機構使低速馬達與輸入軸連接。

新系統(tǒng)完全可以滿足功能需求，經過物質-場分析，也沒有發(fā)現(xiàn)有新問題的產生。

4總結

由于TRIZ理論本身內容繁多且深奧，不同技

術背景的人對于同一條技術系統(tǒng)進化法則或同一個技術矛盾采用何種創(chuàng)新原理都會有不同的理解[6]，系統(tǒng)中的變速箱存在不耐用、價格高等問題，還可以使用功能裁剪方法將變速箱從系統(tǒng)中刪除，變速箱的功能是起到調速、傳動的作用，可以由其他元件或超系統(tǒng)實現(xiàn)。

創(chuàng)新需要方法，需要管理，對于技術創(chuàng)新來說，用好TRIZ創(chuàng)新方法可以大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能得到高質量的創(chuàng)新產品，還可以有效規(guī)避專利壁壘。

參考文獻：

[1]檀潤華.發(fā)明問題解決理論[M]. 北京：科學出版社，2004.

[2]檀潤華.TRIZ及應用：技術創(chuàng)新過程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]何磊，劉躍進，沈懷浦，等. XT-6R型多工藝鉆機的研制. 第十八屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術交流年會論文集[M].北京：地質出版社，2015.

[4]創(chuàng)新方法研究會，中國21世紀議程管理中心. 創(chuàng)新方法教程：高級[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

[5]袁峰，丁澤新，朱俊. 基于TRIZ的傳動片送料裝置研究設計[J]. 鄭州大學學報(工學版)，2012(6)：88-91.

[6]程序，于海燕. TRIZ理論在專利技術線路圖制定中的應用研究[J].情報學報，2012(10)：1045-1051.