李晨光
（中冶南方工程技术有限公司湖北武汉４３０２２３）
摘要：针对现有横切剪设备卡带头的缺点，基于ＴＲＩＺ理论，对该设备进行了创新设计。通过发现问题、分析问题、解决问题、方案验证四个阶段的创新流程，对于此技术难题得到了：增加超越离合器连接、引入压缩空气作用、改进凸轮和凸轮轴结构、增加角度调整装置、电机增大功率改为双速、齿轮齿条系统代替等方案，用以解决该技术难题。
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关键词 ：横切剪；ＴＲＩＺ理论；创新设计
中图分类号：TH122文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．07．００46
０引言
在连续精整机组中，常设有横切剪设备，用来剪切带钢头尾，便于焊接拼卷；或按一定重量剪断带钢，便于分卷；或用来把带卷剪成定尺长度的单张钢板；或用来剪掉带钢的焊缝部分和质量缺陷部分，如图１所示。
为降低剪切力，横切剪设计多采用斜刀刃下切式设计，上刀刃倾斜，下刀刃平行。在电动机驱动的横切剪设备上，有时还设置飞轮，以在空隙时间内加速贮存能量，而在剪切时间内减速释放能量，以帮助电动机克服尖峰负荷。
在现有冷轧带钢连续生产机组中，横切剪设备被广泛使用。然而在设备调试和生产过程中发现，在连续剪切多刀的情况下，活动剪刃无法回到最低位，出现卡带头（带钢被剪断后未通过剪刃的部分）现象，导致带钢品质受损，甚至停机检修，造成经济损失。
１项目情况描述及问题确定
设备工作原理如图２所示：在设备启动、未进入剪切过程的初始状态下，电机带动大惯量飞轮转动达到恒速，此时飞轮储存动能。
进入剪切过程后，在剪切冲程，压缩空气同时通入气动离合器和气闸，使得离合器啮合、气闸打开，飞轮带动凸轮轴转动，顶起活动剪刃，与固定剪刃形成剪刀，将带钢剪断，以上成为剪切冲程的上冲程。凸轮轴继续转动，活动剪刃下落，带钢得以继续前行，以上成为剪切冲程的下冲程。而在停位冲程，压缩空气断开，气动离合器通过弹簧作用打开，同时气闸通过弹簧作用啮合，使凸轮轴快速停止转动。剪切冲程和停位冲程如此反复，将长带钢剪切成短带钢。
在连续剪切多次的情况下，在停位冲程，活动剪刃无法回到最低位，即出现卡带头（带钢被剪断后未通过剪刃的部分）现象。
２问题分析
２．１组件价值分析
对系统建立组件模型图，通过组件模型分析，描述了系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系，并得出活动剪刃阻挡带头的功能因素。
对组件模型图采用价值工程方法进行组件价值分析，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，根据功能贡献、问题影响及成本因素，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件理想度，最终确定改进的顺序应该是：电动机、飞轮和凸轮。
２．２因果分析
因果分析的目的在于理清问题相互关联因素之间的关系，发现问题产生的根本原因，寻找到解决问题的“入手点”和“薄弱点”。
经对本课题的因果分析发现，导致活动剪刃阻挡带头的原因有：①缺少角度误差消除装置；②凸轮和凸轮轴转动惯量过大；③压缩空气压力过小；④电机功率不足；
从找到的以上原因，明确了解题的思路方向。
２．３问题解决
解决问题就是针对问题模型利用中间工具找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解的过程。创新原理、标准解、进化路线、知识效应库都是解决问题的工具。本部分主要阐述从“缺少角度误差消除装置”着手，综合运用三种创新方法的解题过程：基于工程问题标准解查找方案；利用创新原理解决技术矛盾得到方案；利用分离方法解决物理矛盾得到方案。
２．３．１联合采用物场分析和矛盾矩阵方法解题
首先采用物场分析方法，在明确问题产生的部位的前提下，建立问题的物场模型，并选择最恰当的标准解，以得到解决方案的物理模型。
问题的物场模型如图３所示，其中Ｓ１表示凸轮轴，Ｓ２表示凸轮，Ｆ１代表键连接的机械场。在剪切冲程的上冲程，凸轮轴带动凸轮转动，顶起剪刃向上移动做功剪断带钢，属于有利作用。在剪切冲程的下冲程，当飞轮动能下降时，凸轮轴带动凸轮在还未到位的前提下制动“抱死”，属于有害作用。因此，判断该系统属于有害完整系统。通过查找发明问题的标准解法，在“物场模型的破坏”子集中，应用“引入第二个场Ｆ２，抵消有害作用”解法，如图３所示，得到解决问题方案：在凸轮轴和凸轮之间引入超越离合器连接。
超越离合器功能为：当凸轮转速小于凸轮轴时，凸轮轴向凸轮传递扭矩；当凸轮转速大于等于凸轮轴时，凸轮轴不再向凸轮传递扭矩。在剪切下冲程，当凸轮轴被制动器抱死时，凸轮轴速度变为０，此时凸轮受活动剪刃自重以及凸轮自身偏心重力作用向下旋转，直至到达活动剪刃最下位，亦即凸轮重心最下位。
以上方案似乎可以解决问题，然而通过三步法分析，可以找到该方案存在的技术矛盾：
Ｓｔｅｐ１：问题是什么？
缺少角度误差消除装置。
Ｓｔｅｐ２：现有解决方案是什么？
增加超越离合器连接。
Ｓｔｅｐ３：现有解决方案的缺点是什么？
下降过程可能存在冲击以及震荡。
该方案存在的技术矛盾为：
改善的参数：运动物体的作用时间。
恶化的参数：稳定性。
由矛盾矩阵查得解决问题的创新原理为：反向作用原理、局部质量原理和物理化学参数改变原理。
根据反向作用原理，通过系统资源分析发现，可以引入压缩空气，形成空气阻尼器，避免震荡（见图４）。
在整个剪切过程中，密闭筒体不充气，活塞处于筒体底部，阻尼器不影响剪刃正常工作；
直到剪切停止信号发出时（此时即将退出剪切过程），阻尼器立即与制动器同步充气，活塞上升，阻尼器对剪刃最后一个剪切下冲程产生阻尼作用，从而避免震荡。
以上利用ＴＲＩＺ的物场模型分析工具，采用标准解方法得到了增加凸轮轴和凸轮间超越离合器联接的解决方案；又针对该方案的缺点，利用ＴＲＩＺ的矛盾矩阵分析工具，采用创新原理方法得到了引入压缩空气避免震荡的优化方案。二者的结合实施，较好地解决了横切剪设备活动剪刃卡带头的问题。
２．３．２联合采用因果分析和技术矛盾方法解题
通过前文因果分析，已明确问题为“缺少角度误差消除装置”，因此可以直接想到的方案是：增加角度误差调整装置。此方案的具体说明为：引入一台步进电机（力矩电机／液压马达）作为动力源，如图７所示，通过齿轮传动降速增矩后，带动凸轮轴旋转。利用凸轮轴上原有的编码器，反馈凸轮轴实时偏角α，然后电机带动凸轮轴反转－α，从而实现剪切后剪刃回到最低位。
以上方案与现有技术系统存在矛盾，从因果轴定义技术矛盾如下：
同时存在两个动力源驱动凸轮轴，且二者要求的旋向相反。
提取物理矛盾：
参数：凸轮轴的旋转方向。
要求１：剪切时希望凸轮轴正转。
要求２：角度调整时希望凸轮轴反转。
定义理想状态：
剪切时，凸轮轴自由正转，角度调整装置对其无影响；角度调整时，凸轮轴自由反转，主动力系统对其无影响。
以上两个时间段不交叉，可应用时间分离方法，为此可在大齿轮和凸轮轴之间引入电磁离合器联接，如图７所示。在每次剪切动作的剪切冲程，电磁离合器不通电不啮合，凸轮轴与角度调整电机隔离，不受其影响；在每次剪切动作的停位冲程，电磁离合器通电啮合（此时需保证飞轮与凸轮轴之间的气动离合器不啮合，气动制动器处于打开位置），角度调整电机带动凸轮轴旋转，调整角度。
以上利用ＴＲＩＺ的因果分析方法得到了增加“角度误差调整装置”的解决方案；又针对该方案的缺点，利用ＴＲＩＺ的物理矛盾分析工具，采用时间分离方法得到了引入电磁离合器的优化方案。二者的结合实施，较好地解决了横切剪设备活动剪刃卡带头的问题。
３方案评价及验证
将根据ＴＲＩＺ理论得到的若干备选方案从方案理想度、设备可维护性、设备重量、成本等维度的方案评价（见图６）。从表中可以看出，“增加凸轮轴和凸轮间超越离合器联接，引入压缩空气避免震荡”的方案综合评价得分较高，在实际工程中应用可能性比较大，具有很好的应用实施价值。
２０１４年初，国内某大型钢厂在对某冷轧连退机组出口横切剪设备进行技术改造时，采取了“增加凸轮轴和凸轮间超越离合器联接，引入压缩空气避免震荡”的改造方案，如图７所示。该设备已调试成功，正在试生产，效果良好。
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参考文献
１史晓凌．ＴＲＩＺ简明教程［Ｍ］．北京：北京亿维讯科技有限公司，２００９
２林岳．技术创新实施方法论（ＤＡＯＶ） ［Ｍ］．北京：中国科学技术出版社，２００９．
３赵敏．ＴＲＩＺ入门及实践［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．
（责任编辑 晓天）