基于TRIZ创新方法解决选矿厂运输皮带撕裂的研究

黄苗笛

（湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南 郴州 423037）

目前，选矿厂矿石破碎流程中，皮带输送机所用的运输皮带材质一般为PVC（聚氯乙烯）、PU（聚氨酯）、PE（聚烯烃）、Si（硅胶），其各类材质对刚性物体均有受力极限，在实际使用过程中均有不同程度的输送带撕裂的情况发生，主要体现在金属尖锐物刺穿、受到超过其极限的瞬间作用力、缺乏低成本而有效的皮带撕裂检测手段等。运输皮带撕裂分为横向撕裂和纵向撕裂，一般横向撕裂为瞬间力作用导致皮带横向整体断裂，不易于检测，其很难做到事发瞬间的应急措施；纵向撕裂为一种过程性损伤，一般由小的缺口或破损面逐步扩大，其相对横向撕裂更容易检测，但其发生率相对较高，实际影响率高于横向撕裂。

在皮带撕裂的处理和预防方法中，一般是从皮带的材质、皮带输送机运行电流检测、基于图像处理技术的撕裂面检测、基于各类传感器的撕裂面检测等，一方面受使用环境等因素影响各类检测方法的有效检测率偏低，另一方面在于运输皮带撕裂检测为多点检测，其投入及维护成本较大。

运用发明问题解决理论（TRIZ）［1］，对运输皮带撕裂的情况进行分析和解决，提供创新性思路来解决问题，采用一种低成本的新型皮带撕裂综合保护系统，包括前端缓冲装置、中端保护装置、末端检测装置，并综合其它方案对未来发展进行预测和评估，提出后续改进思路和空间。

1 定义技术系统及最终理想解

定义问题为解决运输皮带撕裂的问题，根据问题确定要解决的系统关键点，进一步定义为技术系统，技术系统定义为皮带输送机，定义技术系统便于找到待解决的关键原因和系统内外可用资源的寻找。

定义其最终理想解（IFR）为系统中不需要皮带输送机就能完成物料运输，朝着技术系统不断接近最终理想解的方向去探索研究。

对技术系统进行分析，找到系统中所有的组件和对应功能，其构成为系统、子系统（系统下一级的组成）、超系统（系统外的组成），并找到所有对应关系的程度和性质，如图1构建功能模型，找到系统中的不足功能和有害作用为待解决的关键点，同时探究有用功能的进一步完善。

图1 皮带输送机功能模型图

2 因果分析

从图1功能模型图找到技术系统中存在的不足功能和有害作用，造成皮带撕裂的主要原因为以下几点：（1）铁杂质对皮带的有害作用；（2）除铁器对铁杂质分离功能的不足；（3）物料对皮带的挤压力；（4）转接溜槽缓冲功能的不足；（5）给矿器给矿作用的不足；（6）超声波或激光探伤仪检测功能的不足。

对主要原因进行因果分析，通过因果分析找到所有关键原因和根本原因，便于从根源解决运输皮带撕裂的问题，如图2因果轴分析，通过对组件或项目的功能参数和作用性质的分析，逐步找到皮带撕裂的根本原因。

图2 因果轴分析

以湖南柿竹园东波多金属选矿厂为例，将所有原因在5 a内的发生次数进行统计，通过帕累托图（二八法则）分析，找到所有根本原因中的5个关键原因。5个关键原因分别为：（1）转接溜槽上下料口距离过大；（2）超声波或激光探伤仪检测精度不足；（3）给矿器给矿分布不均匀；（4）除铁器磁吸力不足；（5）铁杂质及其它尖锐物对皮带的破坏。

解决5个关键原因来有效解决运输皮带撕裂的问题，以较低的成本投入，大大降低运输皮带撕裂的发生率及所带来的严重后果。

3 物理矛盾及分离方法

确定5个待解决的关键原因，其中1个关键原因是给矿器给矿分布不均匀，要求为2个参数的两种不同要求，其构成典型的物理矛盾，找到其参数对应的不同要求，例如空间、时间、条件、系统级别。然后运用分离方法进行进一步的解决过程分析，得出方案。存在物理矛盾的关键原因参数为：（1）给矿器矿量输送大小的物理矛盾；（2）排矿口大小的物理矛盾。

3.1 给矿器矿量输送大小的物理矛盾及分离方法

经过分析，得出给矿器在矿量输送的大小矛盾中，适合于不同空间下完成，利用空间分离原理可得出分层式下料口的方案。说明为给矿器这个空间位置输送量大，多个排矿口组成的方式达到单个输送量小的要求。

3.2 给矿器排矿口大小的物理矛盾及分离方法

经过分析，得出给矿器的排矿口大小的矛盾中，适合于不同条件下完成，利用条件分离原理可得出调节性挡料板的方案。说明为当矿量大的时候排矿口大，矿量小的时候而排矿口小。

4 技术矛盾及发明原理

经过分析，关键原因中的3个为典型的技术矛盾，分别是：（1）除铁器磁吸力的技术矛盾；（2）转接溜槽上下料口距离大的技术矛盾；（3）超声波或激光探伤仪检测精度的技术矛盾。其均存在改善一项参数，将会恶化另一个参数的技术矛盾存在，查询阿奇舒勒技术矛盾矩阵，利用40个发明原理进行分析解题。

4.1 除铁器存在的技术矛盾及发明原理

经过分析，发现除铁器磁吸力不足的问题，为典型的技术矛盾，找到增强磁吸力的同时恶化的是能量消耗，运用矛盾矩阵表找到对应的发明原理和得出的方案为：预先作用原理（纵向升力除铁装置）、空间维数变化原理（侧边分层式除铁器）、周期性动作原理（除铁器周期性增磁系统）。

4.2 转接溜槽存在的技术矛盾及发明原理

经过分析，发现转接溜槽上下料口距离大的问题，为典型的技术矛盾，找到改善上下料口距离的同时恶化的是系统可靠性，运用矛盾矩阵表找到对应的发明原理和得出的方案为：预先作用原理（物料重力缓冲阻尼系统）、反向作用原理（下料口反吹风装置）、物理或化学参数改变（中段柔性缓冲组件）。

4.3 超声波探伤仪存在的技术矛盾及发明原理

经过分析，发现超声波探伤仪测量精度不足的问题，为典型的技术矛盾，改善测量精度的同时恶化的是系统的复杂性，运用矛盾矩阵表找到对应的发明原理和得出的方案为：预先作用原理（超声波导波装置）、廉价替代品原理（水探伤系统）、物理或化学参数改变（电压差线性调节装置）。

5 物场分析

关键原因中铁杂质及其它尖锐物对皮带的破坏为主要的有害作用，此为两个物质和一个场构成的联系，将其联系用物场模型构建出来进行分析，运用76个标准解，例如改变物质的状态、改变场的状态、改变两者之间的联系、增加物质或场等等，得出方案［2～5］。

铁杂质与运输皮带的物场模型构建，分析铁杂质和运输皮带之间的物场联系，其为两个物质间相互力的作用，物为铁杂质和运输皮带，场为机械力。构建模型进行分析解题，分析过程及方案如图3所示。

图3 铁杂质与皮带的物场模型构建与标准解运用

6 一种新型皮带撕裂综合保护系统

将得出的方案，进行客观的理想度评估，找出当前理想的方案组合，得出最终的综合性方案，如图4设计一种新型皮带撕裂综合保护系统，包括前端缓冲、中端保护、末端检测，其工作原理为：

1.前端安装由阻尼器构成的转接溜槽，物料经过溜槽不会立即下落，而是由阻尼器释放，起到对物料的缓冲作用。

2.中端通过给矿装置在运输皮带上不断添加已经细碎处理过的部分均匀物料，使下落物料不完全与皮带接触，起到对运输皮带的保护作用。

图4 新型皮带撕裂综合保护系统

3.末端在皮带底部设有喷射状冲洗水，皮带未撕裂时所用水起到清洗皮带的作用，当皮带有缺口时，水透过缺口射至感应装置处完全检测报警，起到对皮带运输系统的检测和清洗作用。

7 结 论

皮带输送机在实际使用过程中所能发生的较大事故，其中运输皮带撕裂为典型的事故，造成的经济损失和安全环保风险极大，并且在各行业领域广泛使用皮带运输机的背景下，其影响是广泛的，研究一种低成本而高效的皮带撕裂保护系统或装置是有效解决皮带撕裂的关键点［6］。

常规的解决方案因环境和使用要求各不相同，各类解决办法和预防措施效果均有不同，其解决方向主要包括技术和管理两个层面，运用发明问题解决理论（TRIZ）来分析解决皮带撕裂的问题，主要目的在于用一种创新性较强的思路去解决，并提供后续的改进思路及基于较强理论性的未来技术发展的预测预想，同时达到提高专利数量和质量的双重目的。

运用发明问题解决理论（TRIZ），找到关键原因并对其进行理论分析，通过物理矛盾、技术矛盾、物场模型、技术进化路线4个层面，最终找到一种高效的新型皮带撕裂综合保护系统。该理论处理和解决工程和技术问题的效率相比于常规的思维模式和方法更快更深入，也能更好地提供创新性思路，最终引导和帮助技术人员解决各类问题。