基于TRIZ的电缆隧道机器人专用双向通过防火门研究_岳刚.pdf

19山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）基于 TRIZ 的电缆隧道机器人专用双向通过防火门研究（1.天津交通职业学院，天津，300110；2.天津光电安辰信息技术股份有限公司，天津，300000；3.清华大学基础工业训练中心，北京，100083）岳 刚1，程贝贝 2，井平安3 摘 要 目前越来越多的电缆隧道采用机器人进行巡检和灭火，但电缆隧道由于消防要求实际投运的是只适合人工开启的单向防火门，电缆隧道机器人通常采用推门通过方式，导致只能正向通过，无法反向通过，因此带来很多不便。本文基于 TRIZ 理论对电缆隧道机器人专用双向通过防火门的问题进行了分析，提出一种电缆隧道机器人专用双向通过防火门，设置了主防火门和副防火门，二者门扇间设置了联动机构，保证电缆隧道机器人反向通行时，主防火门在副防火门带动下打开，便于机器人自由出入，以实现电缆隧道机器人正向反向均能自主通过防火门。关键词 TRIZ；电缆隧道机器人；隧道巡检及灭火；防火门 中图分类号 TH122 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0019-06DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.003 收稿日期 2022-10-06 基金项目 全国职业院校教师教学创新团队建设体系化课题研究项目(TX20200104)；天津市科技军民融合重大专项（18ZXJMTG00160）；天津市科技支撑重点项目(18YFZCSF00600)。作者简介 岳刚（1989），男，硕士，天津交通职业学院，讲师；程贝贝（1989），女，天津光电安辰信息技术股份有限公司，工程师。通讯作者：井平安（1990），男，硕士，清华大学基础工业训练中心，工程师。引 言TRIZ 理论作为一套严谨的理论创新体系，从开创至今已在各行各业得到了大量的运用，其对创新设计的推动作用越来越明显，熟练掌握TRIZ 理论，可以有效提升解决工作中工程实际问题的能力和效率1,2。随着电缆隧道总里程的不断突破，隧道的巡检及灭火工作的自动化问题越来越凸显，目前较多采用电缆隧道机器人进行巡检和灭火，但电缆隧道由于消防要求，长期以来实际投运的普通防火门均为单向开启方式，这就使得机器人要反向通过防火门必须把门拉开，使机器人的设计复杂化。针对机器人双向通过防火门的问题，为简化机器人设计，提高电缆隧道安全性，应用 TRIZ理论进行了分析，对防火门进行了创新设计，即保留了防火性能，满足防火要求，又使机器人能够从正反两个方向推开防火门，降低了电缆隧道机器人的设计难度，减少了机器人的故障率，增强了电缆隧道的消防性能。一、现有电缆隧道防火门分析电缆隧道通常为地下封闭走廊或隧道式结构，通道狭长且低矮3，如图 1 所示。消防要求20中防火门除了能够耐火之外，还需要单向开启以抵挡因燃烧导致的风压4，如图 2 所示。图 1 电缆隧道图 2 电缆隧道现有防火门由于电缆隧道封闭而狭长的应用环境，并经常存在有各类有毒气体及可燃气体，电缆隧道特殊环境使得传统人工巡检及灭火效率低下，并伴随人身安全威胁，如图 3 所示。因此越来越多的采用机器人代替人工实现电缆隧道巡检及灭火3,59，如图 4 所示。但通过电缆隧道灭火机器人灭火又受到单向防火门的阻隔，无法正常通过，亟需能使机器人通过的一种双向防火门，减少火灾损失。有鉴于此，本文旨在提出一种电力隧道机器人用双向开启防火门，以实现机器人正向反向均能自主通过防火门。图 3 电缆隧道消防演练图 4 电缆隧道机器人若以电动方式开启防火门，在发生火灾时，一旦电力系统无法正常供电，电动开门器就会失效，可靠性较低，因此需要采用纯机械式双向开启防火门。二、双向开启防火门的创新设计理论分析运用 TRIZ 理论对防火门面对的冲突问题进行分析，明确防火门设计中存在的技术冲突是运用 TRIZ 理论进行双向开启防火门创新设计的基础。分析防火门的应用现状后，使用 TRIZ 理论中的通用工程参数对防火门设计进行描述，将具体问题替换为创新理论问题物质-场分析法是一种通过简化待解决问题的工程系统模型，提炼出基本元素及其相互作用场的建模方法，将系统主要元素及主要作用场用符号表示，以找出问题的解决方案1。图 5 物-场模型图在该系统中，机器人作为基本元素 S2，防火门作为基本元素 S1，则可以描述为机器基于 TRIZ 的电缆隧道机器人专用双向通过防火门研究21山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）人选用一种方法拉开防火门，容易看出这是一组不完整模型，缺失了场 F，其物场模型如图 5。系统分析：对于不完整模型，只需要补齐所缺失的元素就可以。所以这里我们需要补充场，可选择的类型有五个，如图 5 所示。可以利用副防火门加绳索及滑轮改变力的方向，机器人推副防火门，副防火门拉绳索，进而拉开主防火门；还可以考虑利用一个电动推杆，在机器人靠近防火门时，将防火门拉开；也可以在同一个门洞上并排布置两个防火门，一个用来正向通过，一个用来反向通过。综合考虑上述方法，选择合理解：隧道发生火灾时，很可能使电动推杆的电力供应受到影响，无法保证可靠性；防火门要求能够阻挡风压，两个防火门肯定会有一个顺向风压，在风压作用下会被打开，起不到防火作用。所以只要利用副防火门加绳索和滑轮就可以解决问题。三、双向开启防火门的创新设计方案电力隧道机器人用双向开启防火门结构简图如图 6 和图 7 所示，在图中的标记含义分别为 1-主防火门、2-副防火门、3-缆绳、4-滑轮、5-机器人。双向开启防火门包括隧道内设置的一个只能单向开启的主防火门、一个可以双向开启的副防火门及联动机构，副防火门和主防火门正对且副防火门设置在主防火门门扇开启的一侧，副防火门高度低于主防火门，该副防火门门扇数量和主防火门相同，副防火门对应的安装铰链和主防火门对应的安装铰链位于隧道同一侧，所述联动机构包括滑轮和绳索，滑轮安装在隧道内副防火门背离主防火门的一侧，绳索一端连接在副防火门门扇远离其安装铰链的一端，绳索另一端绕过滑轮后连接在主防火门门扇远离其安装铰链的一端。主防火门门扇和副防火门门扇数量各自为两个，每一个主防火门门扇和其正对的副防火门门扇间对应设有一联动机构，滑轮和其对应副防火门门扇的安装铰链位于隧道同一侧，副防火门、滑轮和绳索分别为耐高温防火件，滑轮中轴线竖直设置。图 6 结构简图主视图图 7 结构简图俯视图相对于现有技术，电力隧道机器人用双向开启防火门具有以下优势：设置了主防火门和副防火门，主防火门扇和副防火门扇间设置了联动机构，保证灭火机器人反向通过时，主防火门在副防火门带动下自动打开，便于机器人自由出入，提高灭火效率，减小财产损失。四、双向开启防火门设计方案改进在上述方案中会引入一个矛盾，副防火门打开时，由于绳索的长度固定，经过几何计算，主防火门打开的角度小于副防火门打开的角度，无法保证主防火门打开角度足够机器人通过。因此再次使用理论分析。1.部分超越原理应用 No.16 部分超越原理，采用将副防火门加长，充分拉开主防火门，使主防火门打开的角度远大于机器人通过需要的角度，从而将问题简化。但将副防火门加长后，又会引入一个矛盾，两个副防火门过长，在关闭时会互相卡住，导致主防火门不能关闭。222.非对称性原理应用 No.4 非对称性原理，改变对称性或增加不对称性，来实现增强功能的目的，将副防火门改为交错的半门，解决副防火门互相卡死，导致无法关闭的问题，将轮轴布置为一上一下，解决绳索与机器人的干涉问题。最终双向开启防火门三维设计如图8和图9。图 8 主视图图 9 侧视图 五、具体实施方案如图 9 所示，主防火门 1 为单向开启门，为便于描述，将主防火门1的开启方向设为正向，主防火门 1 包括门框和门扇，门扇通过安装铰链安装在门框上，门框内侧面和门扇外侧面相贴，主防火门 1 门框内侧面沿其周缘设有密封圈，该主防火门 1 门扇关闭时，主防火门 1 的门扇和门框间的密封圈起到阻挡热气流及烟气的目的，进而起到防火作用。副防火门结构和主防火门结构类似，副防火门 2 同样通过其对应的安装铰链铰接在隧道内对应设置的门框上，但该副防火门为双向开启门，也就是副防火门的门扇可正向及反向开启，副防火门 2 对应的安装铰链和主防火门 1 对应的安装铰链位于隧道同一侧。联动机构包括滑轮 4 和绳索 3，滑轮 4 和绳索 3 分别为耐高温防火件，滑轮 4 设置在隧道内副防火门 2 背离主防火门 1 的一侧上方和下方各一个，滑轮 4 中轴线竖直设置，滑轮 4 和其对应副防火门 2 门扇的安装铰链位于隧道同一侧，绳索 3 一端连接在副防火门 2 门扇远离其安装铰链的一侧顶端，绳索 3 另一端绕过滑轮 4 后连接在主防火门 1 门扇远离其安装铰链的一侧顶端。机器人 5 正向通过时，只要直接顺次撞击主防火门 1 及副防火门 2 即可，主防火门开启，副防火门开启，灭火机器人 5 通过；当机器人 5 反向通过时，机器人首先撞击副防火门 2 的门扇，如图 10、图 11 所示，该副防火门 2 门扇反向开启，拉动绳索 3，由于绳索 3 长度一定，因此该绳索 3 拉动主防火门 1 门扇，由此将主防火门 1 打开，由于主防火门 1 和副防火门 2 间距小于机器人 5 长度，因此能够保证机器人顺利通过主防火门 1，如图 12-15 所示，达到巡检和灭火需求。图 10 过门前图 11 通过副防火门中基于 TRIZ 的电缆隧道机器人专用双向通过防火门研究23山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）图 12 副防火门即将与车身侧面接触图 13 副防火门与车身侧面接触图 14 即将放开副防火门图 15 完全通过 六、结论应用 TRIZ 理论对电缆隧道防火门进行了分析,运用物质-场分析法解决了机器人双向通过防火门的问题；运用部分超越原理将副防火门加长，解决了不能充分拉开主防火门的问题；运用非对称性原理解决了两个副防火门过长，在关闭时会互相卡住，导致主防火门不能关闭的问题。最终设计方案即保留了防火性能、满足防火要求，又使机器人能够从正反两个方向推开防火门，简化了电缆隧道机器人的设计要求，减少了机器人的故障率，增强了电缆隧道的消防性能，具有一定的应用价值。参考文献1 王欢,孙涛,吴周鑫,廖禺.TRIZ 理论在粮食收集机设计中的应用 J.机械设计与制造,2021(01):6-9+15.2 郭课.TRIZ 理论在数控装调实训台设计中的应用 J.西南师范大学学报(自然科学版),2020,45(12):72-77.3 黄嘉盛,卢润戈,邱冠武,廖毅仪.轮式智能巡检机器人在电力隧道环境应用 J.电工技术,2019(04):78-79.4 GB 50877-2014,防火卷帘、防火门、防火窗施工及验收规范 S.5 王翔.电力系统机器人的研究现状与展望 J.中国设备工程,2018(13):171-172.6 邓方远.隧道巡检机器人关键技术研究 D.华北电力大学,2013.7 蒋正华,应之丁,傅立新,徐爱民.雪峰山隧道横洞专用防火门研究 J.中南公路工程,2006(01):14-17.8 黄山,吴振升,任志刚,刘弘景,桂媛.电力智能巡检机器人研究综述 J.电测与仪表,2020,57(02):26-38.9 谷山强,姜文东,罗浩.电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计 J.科技通报,2019,35(02):80-84.24TRIZ-based Two-way Passage Fire Door Research for Cable Tunnel RobotYUE Gang1,CHENG Bei-bei2,JING Ping-an3（1.Tianjin Transportation Technical College,Tianjin 300110,China;2.Tianjin TOEC Safety Technology CORP.,LTD,Tianjin 300000,China;3.Fundamental Industry Training Center,Tsinghua University,BeiJing 100083,China）Abstract:At present,more and more cable tunnels use robots for inspection and fire extinguishing.However,due to the fire protection requirements,the cable tunnels are actually installation one-way opening fire-proof doors that are only suitable for manual opening.Cable tunnel robots usually push doors to pass through,resulting in only It can pass in the forward direction but cannot pass in the reverse direction,which brings a lot of inconvenience.Based on the TRIZ theory,this paper analyzes the problem of two-way passage through fire-proof doors for cable tunnel robots,and proposes a special two-way fire-proof door for cable tunnel robots.The main fire-proof door and the auxiliary fire-proof door are set,and the main fire-proof door leaf and the auxiliary fire-proof door leaf are set up.The linkage mechanism ensures that when the fire extinguishing robot passes in the reverse direction,the main fire-proof door is automatically opened by the auxiliary fire-proof door,which facilitates the free entry and exit of the robot,so that the cable tunnel robot can autonomously pass through the fire-proof door in both forward and reverse directions.Key Words:TRIZ,cable robots,inspection and fire extinguishing of tunnels,fire-proof door基于 TRIZ 的电缆隧道机器人专用双向通过防火门研究