基于TOC_TRIZ集成的TBM钢拱架拼装机构减振设计.pdf

收稿日期：2 0 2 2-0 5-06：修订日期：2 0 2 3-0 5-1 12023Nov.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 1 月No.11Vol.40第4 0 卷第1 1 期机计设械基于 TOC/TRIZ集成的 TBM钢拱架拼装机构减振设计徐震1.2（1.中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙410100;2.超级地下工程装备湖南省重点实验室，湖南长沙410100)摘要：TBM钢拱架是用于隧道掘进开挖最重要的支护构件之一，其安装效率对隧道的稳定性及人员的安全性有着重要影响。为了减小TBM在隧道掘进过程中产生的振动造成钢拱架拼装系统安装效率低的不利影响，文中将约束理论（T h e o r y o f Co n s t r a i n t s，T O C）和发明问题解决理论（Theoryof InventiveProblemSolving，T RIZ）进行融合，应用于钢拱架拼装机构的减振设计。首先，采用TOC对钢拱架拼装机构的不合理约束进行系统分析；然后，运用TRIZ求解输出多种设计方案，结合工程实际对不同方案进行评估分析；最后，提出合理的问题解决方案。通过TOC/TRIZ理论的融合应用解决了钢拱架拼装机构的振动问题，为相关隧道工程装备的设计提供了参考。关键词：TBM；钢拱架；减振；TOC;TRIZ中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 354(2 0 2 3）1 1-0 1 1 2-0 5Vibration-reduction design on TBM steel arch assembly mechanismintegrated with TOC/TRIZXU Zhenl.2(1.China Railway Construction Heavy Industry Corporation Limited,Changsha 410100;2.Hunan Key Laboratory of Super Underground Engineering Equipment,Changsha 410100)Abstract:TBM steel arch is one of the most important supporting components in tunnel excavation,whose installation effi-ciency greatly affects tunnel stability and personnel safety.In this article,in order to reduce the adverse effect of low installationefficiency of the steel arch assembly mechanism caused by TBM vibration in the process of tunnel excavation,TOC(Theory ofConstraints)and TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)are applied to reduce vibration of the steel arch assembly mecha-nism.Firstly,TOC is used to systematically analyze the unreasonable constraints of the steel arch assembly mechanism;Then,TRIZ is used to solve and output a variety of design schemes,efforts are made to evaluate and analyze different schemes in combi-nation with engineering practice;Finally,a reasonable solution is put forward.Through the integration of the TOC/TRIZ theories,the vibration problem of the steel arch assembly mechanism is solved,which provides reference for the design of such equipmentin terms of tunnel engineering.Key words:TBM;steel arch;vibration reduction;TOC;TRIZTBM（T u n n e l Bo r i n g M a c h i n e）在不良地质掘进施工中，钢拱架是用于隧道开挖结构面最重要的支护构件之一，其安装进度、安装质量等对隧道的稳定性及施工人员的安全性有着重要影响。现有技术中的钢拱架基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 1 7 YFB1302600）拼装时，由施工人员将相邻两个拱架节之间的连接板对齐，使相邻两个拱架节的连接板上的各个螺栓孔对准，然后，人工将螺栓依次穿人对准的螺栓孔中，以固定相拼接的两个连接板，从而实现相邻两个拱架节的1132023年1 1 月徐震：基于TOC/TRIZ集成的TBM钢拱架拼装机构减振设计固定连接。但是，由于存在周围隧道振动、TBM钢拱架自身尺寸大和质量大等影响，钢拱架拼装机构很难对齐对准相邻两个钢拱架，造成钢拱架拼接作业效率低和质量差，影响施工进度。因此，文中根据钢拱架拼装存在的振动问题与需求，通过约束理论（TOC）和发明问题解决理论（TRIZ）集成应用对钢拱架拼装机构进行减振设计，以减小钢拱架拼装机构受振动的影响，从而达到钢拱架快速拼装的高质量作业要求。约束理论TOC是持续改善系统中最薄弱的环节而提升系统性能的理论，成为发现系统问题的重要工具，目前已广泛应用于各领域行业的设计1-2 。TRIZ理论能为解决问题提供系统理论和方法，是先进的科学思维方法和技术创新的现代化工具3-7 ，在实际应用中,较多学者采用TRIZ结合需求分析、方案评估等集成方法取得了良好效果8-1 。文中针对TOC发现的钢拱架拼装机构振动大的冲突问题，运用TRIZ方法对钢拱架拼装机构减振提出概念解决方案，为TOC/TRIZ方法在解决隧道工程实际问题的应用方面提供理论参考。1逻辑图表构建分析1.1构建逻辑图表TOC主要用于识别并消除在实现目标过程中存在的制约因素。通过构建当前现实树（Current RealityTree,CRT)来描述当前改进设计的主要问题，按照因果逻辑关系对钢拱架拼装机构振动问题进行分解，明确系统中存在的不良结果来分析判断根本原因及核心问题。其中,CRT由最终实体（Final Entities，FE）、中间实体（IntermediateEntities，IE）和根实体（RootEnti-ties，RE)3部分组成，故钢拱架拼装机构的CRT编号顺序依据上下左右编排，如图1 所示。FE101:钢拱架拼装机构振动大IE201:拼接环结构IE202.TBM振动大设备振动大IE301:动力传动IE302:钢拱架夹持IE303:钢拱架夹持力的IE304:刀盘切削振动大接触磨损大弹簧阻尼大岩石振动大IE305隧道围岩振动大IE401:IE403:钢拱IE402:IE404:限IE405:IE406:RE407:IE408:刀盘IE409IE410:地IE411:马达架与夹持油缸运动位块磨损弹簧弹簧限位块与岩石为岩层硬度层环境隧道岩爆转矩接触面为冲击大冲击大刚性接触严重弹力小阻尼大约束不足刚性切削变化大扰动大冲击大RE503:RE504:RE502:无IE505:刀盘IE501:油液压力缓冲装置限位块弹簧刚度刀具为硬IE506:岩层地质类型变化大波动大摩擦大不足质合金RE601:技术限制图1钢拱架拼装机构改进CRT1.2逻辑图表分析通过建立减振优化问题的现实树CRT，针对各结果产生的根本原因进行分析，利用逻辑式“与（）”关系描述，从上到下逐步简化逻辑式，直到左端均转化成以RE编号的实体,其中,RE601存在技术限制,在减振分析中无法通过设计改变其影响，故对其可省略，最终分析出钢拱架拼装机构振动大所对应的逻辑关系为：RE502RE503RE504RE407FE101(1)由式（1)分析出问题产生的原因为：RE502在钢拱架与夹持接触面之间缺失缓冲装置，导致拼装机构振动增大；RE503在钢拱架与限位块之间缺失耐磨装置，导致接触摩擦间隙增大;RE504在夹持钢拱架时弹簧刚度不足；RE407在夹持固定钢拱架时限位块约束不足。RE502和RE503属于直接功能缺失，在减振设计中合理增加缓冲和耐磨装置即可解决；而RE504和RE407属于有效功能不足，需要采用分析冲突解决图表(Conflict Resolution Diagram，CRD)深人分析其产生的矛盾冲突，并找到待解决的问题（图2）。其中，114机械计设第4 0 卷第1 1 期RE504为了增大弹簧刚度,则需增大弹簧弹性模量，增大系统弹力，而同时又要减小阻尼器的阻尼力，又造成系统弹力变小,两者之间有潜在矛盾冲突；RE407为了增强定位块约束限位功能，则要增加定位块数量，导致钢拱架存在过约束，而要通过改变定位块台阶结构数量，在不增加定位块数量的前提下，实现限位钢拱架功能，则要减少定位块自身台阶数量，会导致定位块存在欠约束,故两者之间存在矛盾冲突。调节弹簧调节定位块阻尼刚度约束限位增大弹簧减小阻尼器增加定位块减少定位块弹性模量阻尼力数量台阶数量冲突冲突弹力过大弹力过小限位过约束限位欠约束图2钢拱架拼装机构改进CRD2问题冲突求解设计根据前面的逻辑图表分析，采用TRIZ冲突解决方法要改善的技术特性是钢拱架拼装机构的减振稳定性和限位约束性。综合考虑拼装机构结构及功能等方面的改善因素，主要从弹簧阻尼刚度和定位块限位约束这两个冲突问题中进行求解。2.1弹簧阻尼刚度矛盾求解（1）拼装机构接触弹力小针对弹簧阻尼存在的技术矛盾问题，若要拼装机构接触弹簧弹力减小，就会恶化弹簧形状。故系统中存在的矛盾是，为了解决“弹簧变形”问题，导致系统中“力”的恶化。通过查询矛盾矩阵表可得表1。表1技术矛盾查询与对应的发明原理改善参数恶化参数对应发明原理形状力35,10,37,4035物理或化学参数改变原理；1 0 预先作用原理37 热膨胀原理；4 0复合材料原理由表1 可得到以下解决冲突的概念方案：方案1 一种弹力可调节的弹簧（原理35）。通过改变弹簧的柔度，使原有弹簧改为弹力层次不同的弹簧。当前一层弹力到位后，后面一层对应开始作用，逐层调节。方案2 一种具有体积可变的弹簧（原理35）。通过改变弹簧现有体积变化形式，来改善弹簧的弹力，提升弹簧的弹性。方案3一种具有热膨胀变化的弹簧（原理37）。通过调节弹簧的温度，来改变弹簧的热膨胀系数，提升弹簧的弹性力。方案4一种具有复合橡胶材质的弹簧（原理40）。复合橡胶弹簧是由金属螺旋弹簧及其外边包裹的优质硫化橡胶共同构成。集金属弹簧和橡胶弹簧的优点于一体，克服了金属弹簧刚性大、工作噪声高及橡胶弹簧承载量小、形状及力学性能稳定性差等缺点。具有更大的载荷量和大变形量、减振降噪效果更好、工作平稳及共振区间短等优点(2)增加阻尼器消能会导致阻力过大为了解决阻尼消能与阻力大小的技术矛盾，对照TRIZ中的矛盾矩阵，寻找意义上与矛盾特性最接近的通用工程参数。与需要增加的阻尼消能特征对应最接近的改善工程参数为“运动物体的能量消耗”，与需要减弱的阻力特征对应最接近的恶化工程参数为“力”。通过查找矛盾矩阵表可得表2。表2技术矛盾查询与对应的发明原理改进参数恶化参数对应发明原理运动物体的能量消耗力16,26,21,216未达到或过度的作用原理；2 6 复制原理；2 1 减少有害作用时间的原理；2 抽取原理由表2 可得到以下解决冲突的概念方案：方案5一种并联组合的阻尼器（原理1 6)。在现有一个阻尼器的基础上，再并排连接一个或多个阻尼器，通过吸收能量消耗，加快振动衰减。方案6一种具有摩擦性能的阻尼器（原理26）。利用层叠钢板之间的摩擦性能来简化阻尼器结构，降低了阻尼器成本，通过摩擦消耗能量，加快振动衰减。方案7 一种快速吸能阻尼器（原理2 1）。利用快速吸能元器件来构建快速消能阻尼器结构，增强了阻尼器消能能力，通过快速消能，加速振动衰减。方案8 一种高效消能阻尼器（原理2）。运用抽取原理，通过分析优化阻尼器消能不同阶段，来高效抽1152023年1 1 月徐震：基于TOC/TRIZ集成的TBM钢拱架拼装机构减振设计离出对消能有害的阶段，越过阻尼器消能有害过程，通过高效消能，减小振动影响。2.2定位块限位约束矛盾求解(1)限位块磨损严重（摩擦大）由于钢拱架拼接系统存在机械场磨损导致限位块之间过度磨损的问题，建立两物质一个场的物场模型，并运用物场模型的7 6 个标准解S1.2.1引人S3来消除过度磨损（方案9），如图3所示。机械场机械场FFS2MS1S2S1限位块钢拱架限位块钢拱架S3图3限位块磨损物场模型方案99一种安装在限位块上的耐磨装置。在限位块与钢拱架接触的位置，安装耐磨装置,在该耐磨装置接触滑动过程中，通过减小耐磨装置的摩擦因数，提升耐磨效果。（2）限位块约束不足由于钢拱架拼接系统存在机械场磨损导致限位块之间约束不足的问题，建立两物质一个场的物场模型，并运用物场模型的7 6 个标准解S2.1.2并联式场来消除约束不足（方案1 0），如图4 所示。机械场机械场PS2S2S1限位块钢拱架限位块钢拱架M磁场图4限位块约束物场模型方案1 0）一种可磁约束的限位块。其内部设置磁线圈和磁导体，在不改变原系统限位块的条件下，运用电磁吸力的原理来增强限位块的约束能力。3方案汇总及评价在提出1 0 个概念解决方案的基础上，采用TRIZ理论的理想度计算方法对每个方案进行评价，如表3所示。表3钢拱架拼装机构解决方案评价表标号方案名称有用有害成本理想度1一种弹力可调节的弹簧4350.52一种具有体积可变的弹簧4360.443一种具有热膨胀变化的弹簧5360.564一种具有复合橡胶材质的弹簧8231.65一种并联组合的阻尼器5180.566一种具有摩擦性能的阻尼器7251.07一种快速吸能阻尼器8161.148一种具有高效消能的阻尼器7151.179安装在限位块上的耐磨装置5240.8310一种可磁约束的限位块9161.29按照理想度计算值优选出以下5个设计方案：（1）一种具有复合橡胶材质的弹簧。复合橡胶弹簧克服了金属弹簧刚性大、工作噪声高及橡胶弹簧承载量小、形状及力学性能稳定性差等缺点，具有更高的载荷量和大变形量，减振降噪效果更好，工作平稳，以及共振区间短等优点（2）一种具有摩擦性能的阻尼器。采用层叠钢板之间的摩擦性能来简化阻尼器结构，降低了阻尼器成本，通过摩擦消耗能量，加快振动衰减。（3）一种快速吸能阻尼器。采用快速吸能元器件来构建快速消能阻尼器结构，增强了阻尼器消能能力，通过快速消能，加速振动衰减。(4)一种高效消能阻尼器。运用抽取原理,通过分析优化阻尼器消能不同阶段，来高效抽离对消能有害的阶段，越过阻尼器消能有害过程，通过高效消能，减小振动影响。（5）一种可磁约束的限位块。其内部设置磁线圈和磁导体，在不改变原系统限位块的条件下，运用电磁吸力的原理来增强限位块的约束能力。采用上述5个优选方案研发设计出具有减振功能的钢拱架拼装机构，如图5所示1 2 ，其主要由拼装夹持机构、拼装旋转环、限位功能定位块和弹簧阻尼系统等组成，并在四川乐西高速公路隧道等工程中进行了现场应用，如图6 所示。该机构实现了安装一环钢拱架作业时间从大约1 h缩短至0.5h，提高了人工操作安装的速度和效率，节约了支护安装工序的时间，保障了TBM高效安全地进行支护作业。116第4 0 卷第1 1 期计机设械1拼装夹持机构；2 拼装旋转环；3限位功能定位块；4钢拱架；5弹簧阻尼系统图5钢拼架拼装机构减振设计方客图6钢拱架拼装机构应用现场4结论文中针对TBM钢拱架拼装机构振动大的问题，通过应用TOC/TRIZ集成方法在钢拱架拼装机构减振设计中，创造性地提出了采用复合橡胶材质的弹簧和快速吸能摩擦阻尼器组合的弹簧阻尼器、可磁约束的限位块装置等创新方案，设计出了具有减振功能的钢拱架拼装机构，在工程应用中弥补了钢拱架拼装机构振动造成的施工缺陷，改善了隧道钢拱架拼装施工质量和效率低的现状，为隧道工程施工装备的功能优化设计提供了理论方法的参考。参考文献1Scheinkopf L J.Thinking for a Change:Putting the TOCThinking Process to Use M.Boca Raton:St.LucieProess,1999.2刘晓敏，檀润华，王晓云，等.TOC构造过程模型驱动产品创新设计J.工程设计学报，2 0 0 7,1 4（4）：2 6 9-2 7 3.3Wei Zihui,Tan Runhua,Ma Lihui,et al.Research on com-plex problem analysis in TRIZ J.Computers in Industry,2009,60(8):584-591.4姚威，韩旭，储昭卫创新之道-TRIZ理论与实战精要【M 北京：清华大学出版社，2 0 1 9.5董琛，王豪.基于TRIZ理论的运动助力机械臂座轻量化设计J.机械设计，2 0 2 0，37(S1)：7 7-8 2.6刘小勇，吴小玲，李荣丽，等.基于TRIZ冲突解决原理的产品感知设计方法研究J.机械设计，2 0 2 1,38（1 0）：1 36-144.7陈锦豪，张凯瑞，穆瑞.基于TRIZ理论的进气道调节机构创新设计J.机械设计，2 0 2 1,38（S2）：1 1-1 4.8Huang Shuiping,Liu Xiaomin,Ai Haiping.Research on ap-plication of process model for product concept creative designbased on TRIZ and TOC J.International Journal on Inter-active Design and 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