简易集装箱吊具|TRIZ理论在集装箱吊具扭锁机构中的设计与应用

王思瑞安徽叉车集团有限公司合肥230601

摘要：运用TRIZ理论，对现有结构的缺陷和不足的原因进行因果分析。在分析了整个集装箱吊具扭锁机构的系统组件模型后，通过因果分析找出原因。针对不同的问题，采用不同的TRIZ解题工具，利用技术矛盾、材料场分析、演化分析等方法，为自旋锁机构设计创新方案。

关键词：集装箱吊具；TRIZ理论；扭锁机构

中国图书馆分类号：U653.929.1 文献识别码：A 文章编号：1001-0785（2020）04-0057-04

0 引言TRIZ理论起源于1940年代的苏联，由Genrich Altshuller先生提出。TRIZ理论成功地揭示了创造和发明的内在规律和原理，着眼于澄清和强调系统中的矛盾，其目标是彻底解决矛盾并获得最终的理想解决方案。TRIZ 理论不是妥协或妥协的方法。它基于技术的进化规律而不是随机行为来研究整个设计和开发过程。实践证明，运用TRIZ理论可以大大加快人们创造发明的进程，获得高质量的创新产品。

集装箱吊具主要用于港口、铁路、企业物流中的集装箱装卸和堆垛。吊具锁主要用于锁住集装箱的吊耳和吊具，以确保其吊装的安全性和稳定性。

1 现有扭锁机构的工作原理 容器挂孔套在锁头内，容器锁孔在压缩弹簧的同时向上推动锁头侧面的导杆向上移动。安全销带动安全凸轮向上移动，接近箱体光电开关。同时，安全凸轮与凸轮错开；光电开关由接近触发，液压缸带动旋转法兰旋转，进而带动锁头旋转。锁头旋转90°锁定容器。吊具上升，箱体上升，集装箱锁孔开始远离安全销。安全销被弹簧推回，导杆上的安全凸轮块进入凸轮预留的半圆槽内，限位旋锁机构。锁扣锁住集装箱的起吊孔以起吊集装箱。图 1 显示了现有的容器扭锁钩。

1. 锁头2. 导杆3. 弹簧4. 保险凸轮5. 光电传感器 图1 现有集装箱旋转锁机构

现有锁式吊具的可靠性不足主要体现在： 1、扭锁和箱锁的顶销容易卡死，起吊后不脱落。2）保险凸轮很容易损坏接近开关。3） 锁头的接头主要是用大号螺纹锁紧。更换效率低，拆装需要专用工具。

根据对上述技术体系的分析，出现上述问题的主要原因是：1）安全保护机制设计不合理，导致锁机制失效。2）保险凸轮刚性固定，容易损坏接近开关。3） 锁头与凸轮采用螺纹连接简易集装箱吊具，安装需要专用工具，更换不方便。

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工作原理来进行分析。分析标准、不足、过度和有害影响。

图2 系统组件分析示意图

经分析可知，安全凸轮锁入钥匙孔时定位精度不足，安全销穿过销孔时定位精度不足。

3 用因果分析找出原因。使用TRIZ工具中的因果分析工具查找上述问题的原因。制造精度、安装精度、加工精度、振动、定位尺寸精度、磨损、接触强度等各种影响因素都会直接或间接影响整体结构。

通过因果分析，如图3所示。定位关系不可控的原因有：1）吊具支架焊接精度和安全销座孔定位精度差；2）接近开关的安装方式和安全销的运动方式无法控制碰撞。

4 技术矛盾分析 因果分析后，可以使用TRIZ解题工具对前面分析的结果进行求解。解决问题的主要工具是矛盾分析、对象场分析和演化分析。

4.1 通过解决问题的过程分析矛盾吊车公司，进一步利用TRIZ理论中的技术矛盾来分析矛盾并定义相应的技术矛盾。

根据前面的原因分析，保险凸轮定位失败是由于凸轮旋转角度不稳定。为了提高这个精度，可以考虑增加液压缸的行程来控制凸轮角度的精度。但是，增加液压缸的行程会增加液压缸的体积，这在有限的安装空间内是不容易实现的。

1） 建立技术矛盾。一个改进的参数：运动物体的长度；最差的参数：运动物体的体积。参考参考文献[3]，选取No.17空间维数变化原理。一维转多维吊车，将物体变为二维（如平面）运动，克服一维直线运动或定位的困难；或过渡到三维运动以消除物体在二维平面中运动或定位的问题。将原设计的液压缸改为倾斜布置简易集装箱吊具，在有限的空间内增加了运动半径，提高了运动行程，提高了限位凸轮的控制精度。如图 4 所示。

图3 因果分析图

图4 改进设计方案一

根据因果分析，推动凸轮改变锁定角度的液压缸的工作精度及其自身的制造精度也会影响凸轮的旋转角度，直接影响凸轮的锁定。凸轮的旋转精度不能通过直接推动来完全控制。

2） 建立技术矛盾二。改进的参数：稳定性；劣化参数：使用对象的有害因素。查阅参考文献[3]，从中选取第24条，依据中介原则。使用中介来完成所需的操作。通过考虑利用齿轮齿条啮合运动来控制凸轮的旋转角度，可以进一步提高精度。如图5，或者直接使用双齿轮，改用控制精度更高的步进电机驱动来控制旋转角度。由液压缸直接推动凸轮转动的方式改为加齿轮的方式来控制转动角度的精度。

图5 改进设计方案二

4.2 通过解题过程，通过分析对象域得到解。除了传感器与凸轮之间的距离较短外，传感器不易检测到它与凸轮之间的距离。可以引入一个新的、更可控的领域来控制和增加距离检测的范围。如图 6 所示。

图 6 更改字段关系

在原方案的基础上，更换了光电传感器，采用超声波发射器和声学传感器增加检测距离，可以增加保险凸轮的检测距离，传感器不会因传感器而影响检测精度以污染表面。如图 7 所示。

图7 设计方案三

同样的原理也可以考虑使用磁传感器代替。磁检测传感器用于检测安全凸轮上的特殊铁磁材料，只有靠近传感器才会被检测到。如图 8 所示。

图8 设计方案四

4.3 选择“单系统-双系统-多系统进化路线”，分析利用系统进化改进现有系统。如图 9 所示。

图9 系统演进路线

原来锁头与旋转凸轮的连接仅靠锁头螺纹与凸轮螺纹的螺纹副锁紧，但锁头需定期更换，大规格螺纹连接不利于快速替代品。螺纹副的承载力可改为轴颈斜面、双半轴和挡圈，以支撑四个螺栓的定位。用更小的螺栓代替大尺寸螺纹接头连接，使更换更容易、更快捷，更换时间从原计划的20分钟缩短到10分钟左右，拆装无需专用工具。根据初步设计，集装箱吊具新型扭锁机构采用了新型半轴结构和螺栓定位形式。新系统采用半轴承承载，相比原系统进一步提高了可靠性。基本避免了旋转锁机构的顶销和加载机构的加载锁被解除后卡住而锁失效的情况。

5 结论 TRIZ的设计方法打破固有的设计模式，借助创新思维、创新方法和创新规律加以运用。对现有设计方案进行科学分析，运用问题解决工具有效解决。从矛盾、资源、功能的不同角度进行不同的分析和解释。帮助设计师转变思维方式，找到问题的根源，充分利用现有资源，获得突破技术问题瓶颈的思路，通过各种TRIZ问题解决工具和方法获得新的解决方案。

参考文献 [1] 王传友．TRIZ新编与创新40个方法与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．创造是一门精确的科学［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.

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