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TRIZ 理论在集装箱吊具旋锁机构中的设计应用

王思睿安徽叉车集团有限责任公司 合肥 230601

摘 要：利用TRIZ 理论，采用因果分析现有结构中缺陷与不足产生的原因。在分析了整个集装箱吊具旋锁机构的系统组件模型后，利用因果分析寻找产生的原因。针对不同的问题采用不同的TRIZ 解题工具分别运用技术矛盾、物质—场分析、进化分析对旋锁机构进行创新方案的设计。

关键词：集装箱吊具；TRIZ 理论；旋锁机构

中图分类号：U653.929.1 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）04-0057-04

0 引言TRIZ 理论源于20 世纪40 年代的苏联，由根里奇·阿奇舒勒先生提出。TRIZ 理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。TRIZ 理论不是采取折衷或者妥协的做法，是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。实践证明，运用TRIZ 理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。

集装箱吊具主要用于港口，铁路，企业物流的集装箱搬运和堆垛。吊具锁头主要用于锁紧集装箱吊耳和吊具，保证其起吊的安全性和稳定性。

1 现有旋锁机构的工作原理集装箱吊孔套入锁头，集装箱锁孔顶起锁头一侧的导向杆向上运动，同时压缩弹簧。保险销带动保险凸轮向上运动，接近着箱光电开关。同时保险凸轮与凸轮错开；光电开关被接近触发动作，液压缸带动旋转法兰旋转，进而带动锁头旋转。锁头旋转90°，锁住集装箱。吊具上升，集装箱箱体上升，集装箱锁孔开始远离保险销。保险销在弹簧的推动下回位，导杆上的保险凸轮块进入凸轮预留的半圆槽中，限位旋锁机构。锁头锁住集装箱吊孔提升集装箱。图1 所示为现有集装箱旋锁钩。

1. 锁头 2. 导向杆 3. 弹簧 4. 保险凸轮 5. 光电感应器图1 现有的集装箱旋锁机构

现有的锁头吊具可靠性不足，主要体现在：1 旋锁与着箱锁顶销易卡死，起升后回落失败。2）保险凸轮容易损伤接近开关。3）锁头连接处主要靠大尺寸螺纹锁紧。更换效率低，拆装需专用工具。

根据以上的技术系统进行分析，上述问题主要原因为：1）安全保护机构设计不合理，造成锁头机构失效。2）保险凸轮采用刚性固定，容易损伤接近开关。3）锁头与凸轮通过螺纹连接，且安装需要专用工具，更换不便。

2 系统组件分析如图2 所示，进行系统组件分析，通过建立整个系统各个组件的运行原理进行剖析。分析得到标准、不足、过剩和有害作用。

图2 系统组件分析示意图

经分析后可知保险凸轮在锁入锁孔时定位精度不足，保险销在穿过销孔时精度不足。

3 应用因果分析的方式寻找产生原因利用TRIZ 工具中的因果分析工具来找寻上述问题的原因。制造精度、安装精度、加工精度、震动、定位尺寸精度、磨损、接触力度等各种影响因素都会直接或者间接的对整体结构产生影响。

通过因果分析，如图3 所示。定位关系不可控的原因是：1）吊具支架焊接精度和保险销座孔定位精度较差 ；2）接近开关的安装方式和保险销的运动方式对碰撞不能控制。

4 技术矛盾分析在因果分析后可针对前期分析的结果利用TRIZ 解题工具进行解决，主要解题工具为矛盾分析、物场分析和进化分析。

4.1 通过解题过程进行矛盾分析进一步的利用TRIZ 理论中的技术矛盾进行矛盾分析，对相应的技术矛盾进行定义。

根据前期的因果分析, 保险凸轮定位失效原因是由于凸轮旋转角度不稳定。要提高此精度，可以考虑通过增加液压缸行程来控制凸轮转角精度，但增加液压缸行程会增加液压缸体积，在有限的安装空间内并不容易实现。

1）建立技术矛盾一 改善的参数 ：运动物体的长度；恶化的参数：运动物体的体积。通过查阅参考文献[3]，选择其中No.17 空间维数变化原理。一维变多维，将物体变为二维（如，平面）运动，以克服一维直线运动或定位困难；或过渡到三维空间运动以消除物体在二维平面运动或定位问题。将原有设计的液压缸改为倾斜布置，在有限的空间内部增加其运动的半径，提高其运动行程，增加限位凸轮的控制精度。如图4 所示。

图3 因果分析图形表

图4 改进设计方案一

根据因果分析, 推动凸轮进行锁紧角度变化的液压缸运行精度和自身的制造精度同样对凸轮旋转角度有影响，并且会直接影响凸轮的锁紧。直接推动凸轮旋转精度并不能进行完全控制。

2）建立技术矛盾二 改善的参数：稳定性；恶化的参数: 所用于物体的有害因素。通过查阅参考文献[3]，选择其中的No.24 借助中介物原理。借助一个中介物来完成所需动作。通过考虑使用齿轮齿条啮合运动的方式来控制凸轮的转角，可进一步提升精度。如图5 所示，或直接使用双齿轮，改为控制精度更高的步进电机驱动来控制转动角度。从液压缸直接推动凸轮转动的方式改为增加齿轮的方式，从而控制转角精度。

图5 改进设计方案二

4.2 通过解题过程进行物场分析得出解决方案除传感器与凸轮之间距离较近的情况，传感器不易探测到其与凸轮之间的距离。可引入一个新的更可控的场来控制提高距离探测的范围。如图6 所示。

图 6 改变场关系

在原方案基础上更换掉光电传感器，改为使用超声波发射器和声传感器来提高探测的距离，可以提高保险凸轮的探测距离，且传感器也不会因为表面有污染而影响探测精度。如图7 所示。

图7 设计方案三

同样的原理，也可以考虑改为使用磁性传感器。使用磁性探测传感器来探测保险凸轮上的特殊铁磁材料，只有靠近传感器的时候才会被探测出来。如图8 所示。

图8 设计方案四

4.3 利用系统进化进行分析通过选用“单系统—双系统—多系统进化路线”对现有系统进行改进。如图9 所示。

图 9 系统进化路线

原有的锁头与回转凸轮间的连接仅仅是靠锁头螺纹与凸轮螺纹的螺纹副进行锁紧，但锁头需要定期更换，大尺寸的螺纹连接不利于快速更换。可通过将螺纹副承载受力更改为轴颈斜面、双半轴和挡圈进行承载，辅助四个螺栓进行定位的方式。用较小的螺栓代替的大尺寸的螺纹副连接，更换变得更加简易快速，更换时间从原方案的20 min缩短到10 min左右，且不需要专用工具拆装。根据前期的方案设计，新的集装箱吊具旋锁机构已经采用了新的半轴结构和螺栓定位形式。新的系统采用半轴承受负载，相比原系统在可靠性方面进一步提升。基本避免了旋锁机构和着箱机构的着箱锁顶销卡死、起升后落锁失败的情况出现。

5 结论TRIZ 的设计方式打破的固有的设计模式，利用其在创新思维、创新方法和创新规律的帮助下。对现有的设计方案进行科学分析，应用解题工具进行有效地解决。对矛盾、资源、功能不同的角度进行不同的分析与解释。帮助设计者改变思维模式，寻找问题根源，充分利用可用资源，获得突破技术问题瓶颈的思路，并通过各种TRIZ 解题工具和方法得到新的解决方案。

参考文献[1] 王传友.TRIZ 新编创新40 法及技术矛盾与物理矛盾[M]．西安: 西北工业大学出版社，2010.[2] 阿奇舒勒. 创造是一门精密的科学［M］．北京: 北京航空航天大学出版社，1990.[3] 创新方法教程［M］．北京: 高等教育出版社，2012.

港口起重机械在役吊索具的安全评价

滕启斯 罗克松 王旭虹

国家起重运输机械质量监督检验中心 北京 100007

摘 要：文中以常见的港口起重机械吊索具为研究对象，通过调研港口常用吊索具的类型及特点，分析不同吊索具的失效形式，并采用综合影响评价的方法，得到吊索具的安全评价等级，为港口起重机械吊索具的管理部门提供参考，既能降低吊索具的安全事故，又能减少不必要的更换，进而减少生产开支。

关键词：港口起重机械；在役吊索具；安全评价

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）23-0090-03

0 引言

起重机械通过与各种吊具与索具的配合将重物搬运至所需位置，实现重物的空间位移，对减轻繁重的体力劳动、节省人力、提高生产效率和实现生产过程的机械化、自动化具有重要的意义。吊具是指起重吊运作业的刚性取物装置，可以直接吊取物品，索具是指吊运物品时，系结钩挂在物品上具有挠性的组合取物装置。起重机械的吊索具种类较多，使用频繁，在役吊索具安全事故时有发生。起重机使用较多的场合，比如港口货运码头，使用方只能依靠工作经验判定吊索具寿命，替换下来的吊索具以及吊索具配件堆积如山，但实际上吊索具以及配件并没有达到其使用寿命，自身的承载性能也依然能达到额定要求，因此需要对起重机在役吊索具安全评价方法进行研究，通过该方法，使用方可基本掌握在役吊索具的使用性能，降低在役吊索具安全事故的发生，减少不必要的更换，进而减少生产开支。

1 港口常用吊索具的类型及特点

港口上常用的吊具有吊钩、C 形钩、吊梁等。C 形钩（见图1）主要用于搬运钢卷，一般由钢板拼接而成，截面为箱形结构，具有较好的抗弯曲、抗扭转性能，吊具重量轻，使用寿命长，其主要检查区域为内弯处。C形钩的使用工况良好，载荷固定，因此具有较长的使用寿命。本次调研了8 台C 形钩，其中1 台发现了10 mm的裂纹，其余均未发现问题。吊梁（见图2）是专用横梁吊具。其结构简单合理、吊运和安装过程动作灵活、使用方便、安全可靠。其主要检查区域为吊点及焊缝。在使用频繁的港口码头，吊梁的吊点处会有变形情况，需要注意。本次调研了5 台工字钢吊梁、4 台吊梁，其中在一台吊梁的焊缝处发现4 mm 裂纹，多处吊点处有变形情况。支杆（见图3）用于组合吊装中，在港口比较常见，其主要检查区域为吊点。调研的4 根支杆均未发现问题。鼻形钩（见图4）常用于组合吊装，在吊洞下方及钩头内弯处易出现裂纹。调研的3 台鼻形钩均发现了大量的疲劳裂纹。因此该类型的吊具需要重点进行磁粉探伤。吊具扭锁（见图5）为集装箱吊具的受力构件，一般采用无损探伤进行检查。调研的8 台均未发现问题。港口起重机械常用吊钩分为直柄单钩和直柄双钩，如图6 所示为直柄双钩。在使用频繁，载荷较大的情况下，双钩主要受力部位易出现疲劳裂纹。本次共调研了44 个吊钩，其中25 台吊钩存在疲劳裂纹，多台使用频繁的吊钩存在明显的塑性变形。

港口常见的索具有钢丝绳、吊带，这两种索具十分常见，用途也十分广泛。在日常维护中，钢丝绳要注意观察是否有断丝以及断丝分布状况和程度，是否有生锈，腐蚀情况，是否变形，是否有强扭痕迹，是否有压扁、损伤、松股或松捻等情况。吊带要注意表面不应有横向、纵向擦破或割断，不应有边缘、软环及末端件的损坏，不应有腐蚀、表面纤维脱落或擦掉等缺陷，边缘不应有割断缺陷等。

2 常见吊索具的失效形式

通过对港口常用吊索具进行的调研发现，最常用的、数量最多的吊索具是钢丝绳和吊钩。因此我们主要对钢丝绳和吊钩进行失效形式分析。

GB/T 34198—2017《起重机用钢丝绳》和GB/T5972—2016《起重机 钢丝绳 保养、维护、检验和报废》对于钢丝绳在选型使用和检验报废方面都做了详细规定，对于钢丝绳在失效模型的建立具有重要作用。在钢丝绳失效模型中，有4 个重要的参数，分别是断丝、钢丝绳直径减少、腐蚀、畸形和损伤。钢丝绳寿命后期断丝比率要高于早期，断丝比率随时间变化而增加。对不同类别的钢丝绳达到报废程度的最少可见断丝数都有不同的要求。钢丝绳直径减少导致的报废也是根据钢丝绳类别制定有相应的报废指标。其中钢丝绳直径减少率为

式中：dref 为参考直径，dm 为实测直径，d 为公称直径。如果发现钢丝绳直径有明显的局部减小，例如由绳芯或钢丝绳中心区损伤导致的直径局部减少，则应报废钢丝绳。腐蚀分为外部腐蚀、内部腐蚀、摩擦腐蚀。评估腐蚀范围时，重要的是区分钢丝腐蚀和由于外来颗粒氧化而产生的钢丝绳表面腐蚀之间的差异。其中有明显迹象的内部腐蚀应立即报废。钢丝绳失去正常形状而产生的可见形状畸变都属于畸形。畸形通常会导致畸形区域的钢丝绳内部应力分布不均匀。

吊钩的失效形式有：表面裂纹、变形、磨损、腐蚀。吊钩的表面不应有裂纹，如果有裂纹，应该报废。裂纹通常产生于吊钩主要受力面上。吊钩由变形导致的报废有三种，分别是开口尺寸超过使用前的10%，扭转变形超过10°，钩柄有塑性变形。吊钩磨损量不应超过基本尺寸的5%，否则应报废。吊钩的钩柄直径腐蚀的尺寸大于基本尺寸的5%，应报废。吊钩的螺纹不得腐蚀，否则应报废，另外吊钩的缺陷不允许补焊。

3 检验试验方法

吊索具常见的检验试验方法有尺寸检测、拉力试验、无损探伤。尺寸检测主要是针对相关标准有规定的用于检测相关尺寸超过报废条件的测量。拉力试验应用于钢丝绳、链条、吊带、吊钩等，通过特殊的工装，拉力试验也可用于箱型吊梁的拉力试验，如图7 所示。无损检测方法包含磁粉检测、超声检测、渗透检测。其中超声检测用于发现工件内部的缺陷，磁粉检测与渗透检测用于发现近表面的缺陷。对于在役吊索具而言，长时间的使用容易产生疲劳裂纹，而疲劳裂纹多产生于表面，前文提到的吊钩和鼻形钩大量的疲劳裂纹就是通过磁粉探伤发现的。对于钢丝绳的检测，目前市场上有一种智能钢丝绳探伤仪，可以对钢丝绳的断丝、磨损、锈蚀、变形进行检验，非常方便，通过一种仪器就能将钢丝绳多种失效形式同时进行检测，大大提高了检测效率。

图7 拉力试验机箱型梁工装

4 安全评价方法

综合影响评价方法是对被评价对象进行客观、公正、合理的全面评价，通过对评价对象不同指标分别进行评价，综合各指标的结果，获得评价对象综合的评价结果。文中采用综合影响评价方法，应用于吊钩的安全评价。首先确定吊钩的劣化种类，检验并记录每种独立劣化的类型和数量；其次评价每种独立劣化的严重程度，严重程度用可以表示为独立报废基准的百分比表示，最后将每种独立劣化的严重程度的百分比相加，得到综合百分比

式中：R 为综合评价百分比，i=1,2,3,4…（劣化的种类数量），Si 为第i 种劣化的严重程度（百分比）。将影响吊钩失效的指标进行分级，获得不同失效形式的百分比，如果结果达到100%，则判定吊钩报废，如果结果低于100%，则达不到报废标准，可以根据严重程度采取相应措施后继续使用，并提高检查保养的频率。表1 为吊钩不同劣化严重程度分级表。

5 总结

采用综合影响评价的方法来判断吊索具的状态，用不同劣化严重程度的综合百分比来表示吊索具的状态，通过不同的检测手段，获取不同劣化的等级信息，然后综合起来得到最终评价的结果。管理部门根据评价结果采用不同的应对措施，既能减少安全事故，又能减少生产开支。

参考文献

[1] GB/T 5972—2016 起重机 钢丝绳 保养、维护、检验和报废[S].

[2] 胡萌. 起重设备吊具索具管理[J]. 设备管理与维修,2019(1):19,20.

铁路货物都是哪些“大力神”装卸的？

“大吊车真厉害

它轻轻地一抓就起来”

这句耳熟能详的的京剧《海港》唱词

充分显示了现代装卸设备的威力

如今在铁路货物运输中

像大吊车这样的装卸设备广泛应用

有效降低了劳动强度

大大提升了装卸效率

助力铁路货运多拉快跑

都有哪些“大力神”

快跟小编到现场去看看

门式起重机

设备简介：门式起重机，又叫龙门吊，是桥式起重机的一种变形。

适用范围：主要适用于钢材等大件货物的装卸。

使用效果：赤峰车务段赤峰南站铁发商贸物流专用线主要运输钢材，通过使用龙门吊将打捆的钢材运送到货物站台上，仅需2小时便可装卸完成1车。

正面吊

设备简介：正面吊，又称集装箱正面起重机。具有机动灵活，操作方便，稳定性好，轮压较低，堆码层数高等优点。

适用范围：主要适用于港口堆场、铁路货场内集装箱的堆码整理和装卸作业。

使用效果：延吉车务段长白山东站用正面吊将一个个装满矿泉水的集装箱装上火车，运往全国各地。一台正面吊一个小时最多可装卸集装箱20箱。

汽车吊

设备简介：汽车吊是装在汽车底盘上的一种起重机，可以直接完成货物的提升和降落作业，灵活机动、传动平稳、操纵省力。

适用范围：用于大型笨重货物露天装卸作业。

使用效果：锦州货运中心盘锦营业室友谊作业站运用汽车吊装卸卷钢和钢管等大型笨重货物，用4台汽车吊对位专用线两端作业，每台汽车吊每小时卸4车货物，专用线1次对位30车，卸车仅需7.5小时。

抓料机

设备简介：抓料机是一种重要的工程机械，采用液压动力元件驱动执行机构进行作业，对作业场地要求低，具有控制灵活、操作简便、安全可靠、搬运物料快等特点。

适用范围：适用于煤炭、矿石等散堆货物卸车作业。

使用效果：本溪货运中心金家堡货场抢卸冬季集中到达取暖煤，车辆对位以后，通过抓料机抓取煤炭，卸到货位上，平均卸一车仅需25分钟。

装载机

设备简介：装载机是一种土石方施工机械，俗称铲车，它具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点。

适用范围：主要用于铲装碎石、煤炭、矿粉等散堆装货物。

使用效果：通辽货运中心贺斯格乌拉营业室乌尼特作业站使用装载机装运煤炭，4台装载机同时作业，每装一辆货车约10分钟左右，5小时左右即可完成一列百余辆7250吨煤炭装车任务。

翻车机

设备简介：翻车机是一种用来翻卸铁路敞车散料的大型机械设备，可将车辆固定后翻转到一定角度，实现卸料。

适用范围：适用于敞车装运的煤炭、矿粉和焦炭等散堆装货物卸车。

使用效果：吉林车务段大长屯站负责国能吉林江南热电有限公司煤炭运输工作。车站现用的是C形转子式翻车机卸煤，作业时将装满煤炭的车厢旋转175度，翻至传送带上，整个卸煤过程仅需110秒。

皮带输送机

设备简介：皮带输送机是用来输送松散物料或成件物品的输送设备。它输送能力大、功率消耗小、传送距离远、易于布置，在任何位置都可设置装料与排料接口。

适用范围：适用于装卸小件包装或散装的粮食、化肥等货物。

使用效果：白城车务段白城北站货场用皮带输送机装运袋装货物和散粮，一台输送机每小时可装卸30多吨货物。

叉车

设备简介：叉车是铁路常用的搬运车辆之一，外形体积小、操作简单、移动灵活。

适用范围：广泛应用于车站、货场、仓库、物流中心和配送中心等，适合成件、成组以及托盘货物的装卸作业和短距离倒运。

使用效果：大连货运中心金桥货场的汽车配件一般是30辆棚车成列到达，工作人员采用叉车从棚车上对位卸下配件，再直接“摆渡”到展翼箱式货车上，实现了汽车配件卸火车、装汽车的“无缝对接”，全过程仅需4个小时。

吨袋

设备简介：吨袋，又称柔性集装袋、太空袋等，是一种帆布包装袋。大小可根据货物的体积和重量等专门定制，经济便携，结实耐用。配以起重机或叉车，就可以实现货物无损耗运输。

适用范围：主要适用于装运焦炭、硅铁、粮食、膨润土、硅微粉等大宗散装粉状物料。

使用效果：通化车务段白山市站使用吨袋包装、装卸膨润土。膨润土吨袋长1米、宽1.2米，每个吨袋可装 1.2吨膨润土，2个吨袋同时作业，一次装卸完成 70 吨膨润土，仅需 1 小时。

端部站台

设备简介：端部站台是一种特殊形态的铁路站台，巧妙契合车辆特点，实现与车辆的无缝对接，保证商品车安全便捷装入专用运输车辆。

适用范围：端部站台是专门为轮式、履带式车辆装卸量身打造的基础设施。

使用效果：长春货运中心长春南营业站中国第一汽车集团有限公司专用铁路的端部站台，商品车从车库提出后，可直接从端部站台开上铁路专用运输车进行装车，装完一列290辆商品车仅需4.5小时。

这些“大力神”真是太给力了

铁路还有哪些装卸设备

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