龍大鵬，劉博磊，閆 萍，陳子春

（開(kāi)灤能源化工股份有限公司信息與控制中心，河北 唐山 063108）

1 概 況

隨著信息化和智能化的快速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在煤炭礦業(yè)應(yīng)用也得到廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭礦業(yè)提出“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人，智能化少人”科技專項(xiàng)技術(shù)改革等活動(dòng)。煤礦的罐道是聯(lián)接地面與地下的重要設(shè)備，其運(yùn)行的安全直接關(guān)系煤礦的安全生產(chǎn)和員工的生命安全。煤礦立井罐道多采用鋼絲繩做導(dǎo)軌，長(zhǎng)期在重載及濕潤(rùn)的環(huán)境下運(yùn)行，需要進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)。目前對(duì)煤礦立井罐道的鋼絲進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)主要是檢測(cè)是否斷絲、繩股擠出、扭結(jié)及生銹等情況，需要多人進(jìn)行協(xié)作，檢測(cè)和維護(hù)環(huán)境惡劣，且操作不便，因此檢測(cè)與維護(hù)效果不佳，具有一定的危險(xiǎn)性。筆者通過(guò)對(duì)實(shí)際工作環(huán)境的考察，基于TRIZ 創(chuàng)新理論，研究一種煤礦立井鋼絲繩罐道的鋼絲繩智能維檢設(shè)備，可以提高檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率，節(jié)約人工成本。

2 TRIZ 理論解決問(wèn)題路線分析

TRIZ (Teoriya Resheniyva Izobretatel’ skikh Zadatch)理論是由前蘇聯(lián)人阿奇舒勒(G.S.Altshuller)于1946 年創(chuàng)立的發(fā)明問(wèn)題解決理論。該理論解決發(fā)明問(wèn)題的主要方式包括：首先是提出問(wèn)題（明確其定義）；二是將提出問(wèn)題利用技術(shù)矛盾分析、物理矛盾分析、物質(zhì)-場(chǎng)分析及功能化模型分析工具將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題；三是利用TRIZ 工具，通過(guò)針對(duì)性的分析給出解決問(wèn)題的具體方法；四是通過(guò)分析給出的解決方法結(jié)合已有的知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，將問(wèn)題進(jìn)行解決。如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問(wèn)題的路徑Fig.1 The path of TRIZ theory to solve the problem

3 煤礦立井提升罐道繩智能維檢機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

應(yīng)用TRIZ 理論對(duì)煤礦立井鋼絲繩罐道的鋼絲繩檢測(cè)與維護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。由于傳統(tǒng)的維檢工作過(guò)多依靠維檢人員進(jìn)行，工作效率較低、維護(hù)檢測(cè)質(zhì)量得不到有效保證、操作人員危險(xiǎn)系數(shù)較大；采用自動(dòng)化程度較高的檢測(cè)設(shè)備既不能滿足維護(hù)要求，也改善不了工作質(zhì)量，所以就形成了沖突矛盾。利用TRIZ 理論轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題就是“改善生產(chǎn)效率”與“裝置的復(fù)雜性”之間的沖突。查詢TRIZ 理論中的沖突矩陣表得出解決該沖突的發(fā)明原理，見(jiàn)表1。

表1 沖突及解決方法Table 1 Conflicts and solutions

通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析可知在“模塊化設(shè)計(jì)”中，整個(gè)設(shè)備主要包括機(jī)械模塊、傳動(dòng)模塊及控制模塊3 部分。其中機(jī)械模塊設(shè)計(jì)方案包括手持檢測(cè)儀（A1）、自動(dòng)維檢設(shè)備（A2）、智能維檢機(jī)（A3）；控制模塊的設(shè)計(jì)方案包括PLC 控制（B1）、單片機(jī)（B2）、微機(jī)控制（B3）三種方式；傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案包括氣動(dòng)傳動(dòng)（C1）、液壓傳動(dòng)（C2）、機(jī)械傳動(dòng)（C3）、電氣傳動(dòng)（C4）和人工傳動(dòng)（C5）5 種方式。

3.2 設(shè)備功能方案求解

通過(guò)分析設(shè)計(jì)方案，將各模塊功能與設(shè)備總體功能利用“原理解法”，其函數(shù)關(guān)系為：原理解法=f（物理作用，作用件）。

綜上所述，該設(shè)計(jì)方案的解法均決定于物理作用和作用件，設(shè)備的3 大功能模塊對(duì)應(yīng)解用形態(tài)學(xué)矩陣表示為：

因此煤礦立井提升罐道繩智能維檢機(jī)的設(shè)計(jì)方案的組合矩陣F=A·B·C，通過(guò)形態(tài)學(xué)矩陣可以設(shè)計(jì)方案的組合數(shù)為45 種。

根據(jù)各功能模塊和結(jié)合生產(chǎn)效率及制作維護(hù)成本綜合比較，放棄機(jī)械模塊中手持檢測(cè)儀（A1），控制模塊中單片機(jī)（B2）以及傳動(dòng)模塊中的液壓傳動(dòng)（C2）、機(jī)械傳動(dòng)（C3）和人工傳動(dòng)（C5），初步篩選出符合需求的8 種方案：A2+B1+C1、A2+B1+C4、A2+B3+C1、A2+B3+C4、A3+B1+C1、A3+B1+C4、A3+B3+C1、A3+B3+C4。

3.3 方案對(duì)比分析

機(jī)械模塊的選取，結(jié)合煤礦立井提升罐道繩智能維檢機(jī)實(shí)際的工作環(huán)境和條件，維檢位置位于煤礦立井提升罐道的罐籠上，長(zhǎng)期工作在濕潤(rùn)環(huán)境下會(huì)對(duì)精密儀器和零件造成損害，采用智能維檢機(jī)（A3）會(huì)造成設(shè)備的成本和維護(hù)費(fèi)用增加，因此機(jī)械模塊選取成本較低、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的自動(dòng)維檢設(shè)備（A2）。

控制模塊的選取，主要參考控制性能的穩(wěn)定性、操作的簡(jiǎn)單特性和安全性，通過(guò)對(duì)比PLC 控制（B1）系統(tǒng)更為符合系統(tǒng)的需求。

傳動(dòng)模塊的選取，主要考慮傳動(dòng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及易控性，通過(guò)綜合比較，采用電氣傳動(dòng)更為符合設(shè)備的實(shí)際需求，其實(shí)現(xiàn)容易同時(shí)也便于操作人員進(jìn)行調(diào)試維護(hù)。

通過(guò)組織專家研討和相關(guān)技術(shù)對(duì)比，對(duì)上述8種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)，最終選取選取A2+B1+C4這個(gè)方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

4 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

4.1 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)應(yīng)用TRIZ 理論分析，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案A2+B1+C4對(duì)煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Coal mine shaft hoisting rope intelligent inspection machine structure diagram

圖2 中的煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)考慮了固定、定位、檢測(cè)、操作、油溫和安全固定等條件設(shè)計(jì)了主體機(jī)械結(jié)構(gòu)。煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，便于操作，該設(shè)備檢測(cè)準(zhǔn)確、維護(hù)到位、操作簡(jiǎn)單、工作可靠穩(wěn)定，與傳統(tǒng)罐道鋼絲繩檢測(cè)維護(hù)相比可節(jié)約大量人工，降低了企業(yè)的成本，提高了罐道繩的安全運(yùn)行系數(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置上位監(jiān)控平臺(tái)、無(wú)線主控機(jī)站和現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)維檢機(jī)械手群構(gòu)成的立井鋼絲繩罐道維檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不間斷實(shí)時(shí)檢測(cè)。無(wú)線集中管控實(shí)現(xiàn)機(jī)械手集群式管理。通過(guò)上位機(jī)平臺(tái)對(duì)井筒做業(yè)的數(shù)臺(tái)鋼絲繩罐道維檢機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行無(wú)線自動(dòng)控制或手動(dòng)控制（手動(dòng)調(diào)節(jié)或急停）。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，通過(guò)無(wú)線接收程序指令，同時(shí)完成鋼絲繩罐道的360°全方位自動(dòng)實(shí)時(shí)斷絲檢測(cè)和自動(dòng)刷油、均油等操作。整個(gè)防腐維護(hù)、斷絲檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸以及閾值參數(shù)報(bào)警等工作過(guò)程，全部通過(guò)邏輯程序控制自動(dòng)完成，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”。

4.2 煤礦立井提升罐道繩智能巡檢機(jī)工作原理

外部卷筒旋轉(zhuǎn)通過(guò)傳送帶帶動(dòng)天輪旋轉(zhuǎn)，隨著天輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)立井內(nèi)的一個(gè)罐籠下放的同時(shí)另一個(gè)罐籠提升；在罐籠的移動(dòng)過(guò)程中，操作人員通過(guò)主控機(jī)站控制斷絲檢測(cè)模塊和噴油模塊，對(duì)罐籠兩側(cè)的罐道繩進(jìn)行斷絲檢測(cè)和噴油；在罐籠的移動(dòng)過(guò)程中，拉力感應(yīng)模塊和測(cè)距模塊持續(xù)檢測(cè)提升繩的拉力以及罐籠底部與立井底部之間的豎直距離，拉力感應(yīng)模塊、測(cè)距模塊和斷絲檢測(cè)模塊將采集到的拉力數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)以及斷絲情況傳輸至無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊；無(wú)線信號(hào)接收模塊接收無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息并發(fā)送至控制模塊，控制模塊將數(shù)據(jù)信息打包匯總后傳輸至人機(jī)交互模塊，人機(jī)交互模塊將數(shù)據(jù)信息展示給操作人員，操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)信息點(diǎn)按控制面板進(jìn)行手動(dòng)控制；操作人員根據(jù)人機(jī)交互模塊顯示的數(shù)據(jù)信息手動(dòng)控制報(bào)警模塊和/或急停模塊，或者控制模塊根據(jù)采集的拉力數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)和斷絲情況自動(dòng)控制報(bào)警模塊和/或急停模塊。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了煤礦立井罐道的鋼絲繩檢測(cè)維護(hù)現(xiàn)狀，針對(duì)目前人工操作造成危險(xiǎn)系數(shù)較大和檢測(cè)維護(hù)不到位的問(wèn)題，基于TRIZ 創(chuàng)新理論，通過(guò)方案設(shè)計(jì)提出了“改善生產(chǎn)效率”與“裝置的復(fù)雜性”之間的沖突；利用TRIZ 工具進(jìn)行功能方案求解，得出初步設(shè)計(jì)方案；最后通過(guò)技術(shù)方案對(duì)比、技術(shù)實(shí)現(xiàn)及專家研討確定能夠解決上述問(wèn)題的煤礦立井提升罐道繩智能維檢機(jī)。分析了煤礦立井提升罐道繩智能維檢機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和控制工作原理，該設(shè)備可以做到檢測(cè)準(zhǔn)確、維護(hù)到位、操作簡(jiǎn)單、工作可靠穩(wěn)定，與傳統(tǒng)罐道鋼絲繩檢測(cè)與維護(hù)相比能夠節(jié)約大量人工，降低了企業(yè)的成本，提高了罐道繩的安全運(yùn)行系數(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。