基于TRIZ理论的电缆接头自动剥切工艺及装置设计.pdf

第22卷第1期2024年2月Vol.22 No.1Feb.2024中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY基于TRIZ理论的电缆接头自动剥切工艺及装置设计梁向东，万晓航，胡孟谦，解景浦，和佳成（河北工业职业技术大学 工业基础教学部，河北 石家庄 050091）摘要:单芯电缆终端接头目前多为人工制作，加工效率低且质量较难把控。基于发明问题解决（TRIZ）理论，系统使用裁减、物质-场分析、冲突理论、效应等工具，结合预期失效分析、资源分析与小人法，从电缆剥切自动化工艺开发和装置设计角度出发，优化加工步骤，降低装置复杂性。设计单芯多层电缆螺旋剥切装置总成和浮动式切割刀盘等结构，提升加工精度，减少绝缘层表面划痕，提高加工质量和效率，经综合评估形成最终解决方案。该研究对各领域机械装置的创新设计和优化具有一定的参考意义。关键词:电缆接头；效率；TRIZ；设计优化中图分类号:TH 12 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2024）01-0061-06Design of automatic stripping technology and device for cable joint based on TRIZLIANG Xiangdong，WAN Xiaohang，HU Mengqian，XIE Jingpu，HE Jiacheng（Teaching Department of Industrial Foundation，Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang 050091，Hebei，China）Abstract：At present，single core cable terminal joints are mostly made manually，with low processing efficiency and difficult quality control.Based on teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch（TRIZ）theory，the system uses tools such as cutting，material field analysis，conflict theory，and effect，and combines expected failure analysis，resource analysis，and small man method to optimize processing steps and reduce device complexity from the perspective of cable stripping automation process development and device design.The single core multi-layer cable spiral peeling device assembly and floating cutter head are designed to improve the processing accuracy，reduce the scratches on the surface of the insulation layer，improve the processing quality and efficiency in general，and form a solution after comprehensive evaluation.This research has certain reference significance for the innovative design and optimization of mechanical devices in various fields.Key words：cable joint；efficiency；teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch（TRIZ）；design optimization 在电力工业、机电工程、铁路、石油化工等领域1，电线电缆均扮演重要角色。以高铁为例，单芯电缆（简称“电缆”）一般连接牵引变电所与牵引网，承担电能传输的任务。电缆出现故障将导致整个供电臂失去电能，因此电缆在整个牵引供电系统中至关重要2。电缆是由内外护套、钢铠、铜屏蔽层、半导层和绝缘层构成的多层结构，导致电缆施工，尤其是电缆终端（或中间）接头制作复杂性高、难度大3。目前，电缆终端接头多通过人工制作。由于施工环境复杂、时间紧、工具不合适等问题，会出现钢铠末端不齐、划伤线芯、绝缘材料等状况，给电缆运行带来基金项目：河北省教育厅科学技术研究项目（QN2022129）；河北省大中学生科技创新能力培育专项（22E50179D）作者简介：梁向东（1991），男，工程师，硕士。E-mail：通信作者：万晓航（1972），男，教授，博士。E-mail：第22卷中 国 工 程 机 械 学 报一定的安全隐患4。尤其在剥除外半导屏蔽层时，下刀太深导致主绝缘损伤，极小的损伤也会导致电场强度分布局部畸变，在运行中会加速绝缘老化，逐渐形成电树枝，最终将绝缘击穿5-6。如何创新设计单芯电缆自动化剥切装置，降低劳动强度，成为相关施工企业的紧迫需求。发 明 问 题 解 决 理 论（teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ）是基于数百万计的专利研究，通过归纳提炼，逐步形成的一套系统化、实用的解决发明问题创新方法。可将其广泛地应用于各个领域，指导人们创造性地解决问题7-10。基于此，本研究采用TRIZ，设计和改进单芯电缆剥切工艺和装置11，提升终端接头制作效率，降低劳动强度。随着问题研究的深入，组合、迭代使用冲突理论、物质-场分析、效应、裁减等 TRIZ 理论和工具。1 初始问题分析 1.1模型与原理为解决电缆接头加工劳动强度大的问题，设计电缆接头自动化剥切装置，原理模型如图1和图2所示。由图可知，装置通过传动系统和自动装置替代人工操作，设置有2个环向切割组件和1个轴向切割组件（内含刀盘和支撑板）。电缆由夹具固定，2个环向切割组件产生旋转运动，分别用于电缆软质和硬质材料的环切。轴向切割组件通过丝杠驱动沿轴向运动，用于材料的纵向切割以便剥离。1.2预期失效分析在电缆剥切过程中，影响加工质量和效率的因素较多，为提高系统可靠性和样机试制的成功率，结合预期失效分析，评估系统潜在问题和原因。失效模式及原因分析结果见表1。该系统通过自动装置代替人工，自动剥切装置独立完成周向和轴向的“剥”“切”动作，可大幅降低劳动强度和耗时，提高加工效率。但该系统结构较为复杂，3个切割组件在工作时要符合一定的次序并协调运行，增加了操作难度，且仍存在划伤绝缘层、长度切割偏差、电缆外层的切割效果差等加工质量不高的潜在问题，结构和工艺也较为复杂，需进一步优化。1.3相关专利分析目前，暂未应用单芯多层电缆的自动剥切设备，现对电缆剥切工具、工序和自动化方面的现有方案表1确定电缆剥切失效模式分析Tab.1Analysis of cable stripping failure modes反转理想状态A电缆接头各层预留长度不满足要求B绝缘层出现划痕C外层切割不掉D 切割过程停止、卡顿达到反转理想状态的假想方法A1：使切割组件切割基准存在偏差B1：增加刀头伸长量B2：增加电缆晃动C1：使用不相适应的刀具D1：电机停转应用可用资源验证每种假想方法是否能实现3个切割组件如果作用不协调，基准不统一，A1方法可能实现刀具进给量过大，B1可能实现电缆柔性大，每层厚度不均，B2可能实现橡胶层切割刀具加工钢铠层，或相反，C1可能实现电机输出扭矩较小或电源断电，D1可能实现得到潜在失效模式切割误差导致接头各层长度不合格刀具切割力大引起表面划伤同轴度偏差导致局部划痕电缆外层剥切不掉设备终止运行、损坏失效原因切割组件数量多，步骤多，误差累积刀具伸长量控制不足夹具夹紧和拉伸力不足，安装对中性差刀具不匹配电机选型不当图1自动剥切装置Fig.1Schematic diagram of automatic peeling and cutting device图2切割组件的刀盘结构Fig.2Knife disc structure for cutting components62第1期梁向东，等：基于TRIZ理论的电缆接头自动剥切工艺及装置设计和专利展开分析，列举其中典型方法与方案12。已有较多人工剥切工具和相应专利（CN203760942U、CN106374396B、CN214379773U），但大多针对电缆橡胶层的环切，且对电缆钢铠层切割无法满足，后续需进一步完成轴向剥离。自动剥切方面获得部分专利。通过滚切刀组件实现电缆外护套自动剥切的装置（CN212991811U），减少了人工耗时，通过滚切刀组件的转动来带动电缆从进料孔向出料孔移动并对电缆进行外护套剥切；采用切刀、旋转和拉皮机构（CN217182793U），完成电缆外皮的自动“剥”“切”动作；将电缆的剥皮和切断为一体，可自动适应不同直径的电缆并剥切的装置（CN113161932B）。但上述装置仅适用于单层电缆的橡胶层外护套剥切，切割尺寸不能满足定长要求。2 系统分析 2.1功能分析现有技术系统的工作原理为：所加工的对象为单芯多层电缆，终端接头在加工时，通过装置的夹具固定电缆两端，分别用环向切割组件和轴向切割组件对电缆各层环切、纵切后完成剥离。其中环向切割组件由驱动轮提供转矩，轴向切割组件通过丝杠实现轴向运动。根据技术原理，建立系统的功能模型如图3所示。2.2因果分析采用应用因果链分析法确定产生问题的原因，并确定冲突区域，如图4所示。由图4可得，导致电缆接头加工质量不高的关键问题为：一是各刀盘相互独立导致工艺复杂、精度下降；二是刀头伸长量控制不足。3 问题解决 3.1关键问题1以“各刀盘相互独立导致工艺复杂、精度下降”为入手点解决问题，利用功能裁剪+冲突理论+效应+资源分析，优化系统和装置。3.1.1功能裁剪考虑到多刀盘增加了剥切系统复杂性，且2个环向切割组件均为旋转运动，因此首先裁剪其中1个环向切割组件，优化系统构成。通过分析发现，采用“规则3：主动元件的作用由其他元件或超系统替代”可以实现裁剪，即通过结构设计，将2个环向图3剥切工艺功能模型Fig.3Functional model of peeling and cutting process图4因果链分析法Fig.4Causal chain analysis method63第22卷中 国 工 程 机 械 学 报切割组件合并为1个。3.1.2技术冲突求解裁剪后，保留1个环向切割组件，并实现钢铠层和橡胶层的切割。由此引入新问题，即如何使剥切刀具具有适配性。采用技术冲突分析，将问题矛盾点转化为TRIZ标准冲突参数，随后查找矛盾矩阵表，得到推荐的发明原理，再将发明原理应用到具体问题上并提出解决方案。冲突描述：为使电缆剥切系统实现“橡胶层切割”，刀片需锋利且薄，但会导致刀片刚性和强度降低，不利于钢铠层切割，构成技术冲突。转换成TRIZ标准冲突：改善的参数为“形状”，恶化参数的参数为“结构的稳定性”。查找冲突矩阵表，得到相应的发明原理。依据 No.1分割原理-3，得到方案 1，设置双刀切换，不同材质选用不同刀具；依据No.14曲面化原理-1，用曲线或曲面代替直线或平面部。得到方案2，将刀片设置为弧形或圆形刀片。基于方案1和方案2设计刀盘装置如图5所示。3.1.3效应（网络效应库）由于刀具缺乏适配性，考虑其他方式实现电缆外层的剥离。通过效应工具展开分析。（1）确定问题要实现的功能为：“分离+分割实体”（separate+divided solid）。（2）查找效应知识库，得到可用效应相变（phase change）和热收缩（thermal contraction），依据该效应得到方案3，仅保留钢铠层切割刀具，切割前用液氮将橡胶层快速冷却硬化变脆，便于切削。3.1.4功能裁剪随着分析深入，如果能将环向与轴向切割组件进一步合并和裁剪，可最大限度地简化系统结构，即通过结构设计，合并环向与轴向切割组件。为保证唯一的切割基准，提高加工精度，可安装标尺用于长度控制。3.1.5技术冲突求解冲突描述：为实现电缆剥切系统的“外层材料切割”，刀具沿外层圆周环切，但会导致系统无法实现轴向切割和剥离。既要刀具周向运动，又要轴向运动，构成技术冲突。依据NO.15动态化原理-3，得到方案4：将刀盘中的刀具设置为可活动式，能够90旋转，再通过轴向运动实现纵向切割剥离。依据NO.17空间维数变化原理-1，得到方案5：通过螺旋剥切，使刀具沿周向运动的同时沿轴向运动，实现剥切。综合方案4和方案5，关键技术点在于刀具可实现周向和轴向运动，由于方案5不需调整刀具角度，因此优先选择。设备内部工艺原理如图6所示。3.1.6资源分析从内部物质资源看，驱动齿轮和丝杠均由各自电机提供动力，如果将2部件建立传动连接，那么仅用其中1个电机输出动力即可。得到方案6，系统内部原理如图7所示。在原结构基础上增加光杠，光杠与丝杠间通过齿轮传递动力，刀盘的驱动齿轮和光杠通过键连接，光杠开有通长键槽用于对驱动齿轮导向。3.2关键问题2以“刀头伸长量控制不足，容易划伤绝缘层”为入手点解决问题。利用物质-场分析+冲突理论+小人法，改进刀盘结构。3.2.1物质-场分析及76个标准解（1）建立问题的物质-场模型，该物质-场模型属于有害效应模型。图5刀盘设计方案Fig.5Knife head design scheme图6设备内部工艺原理Fig.6Internal process principles of equipment图7方案6原理Fig.7Schematic diagram of scheme six64第1期梁向东，等：基于TRIZ理论的电缆接头自动剥切工艺及装置设计（2）根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为NO.12：增加场F2和抵消场F1的有害效应，或获得有用的附加效应。（3）依据选定的标准解，得到方案7，在刀盘上安装激振器引入振动场，实现振动切削，减小切削力并提高加工质量13。初始和改进后的物质-场模型如图8所示。3.2.2物理冲突求解物理冲突是同一参数的矛盾面。采用物理冲突分析时，可将物理冲突与4大分离原理相结合，再根据40条发明原理，求得解决方案。冲突描述：为“完成材料的切割”，需要参数“刀头伸长量”保持“固定”，又为“保证电缆与刀盘的同轴度，均匀切割”，参数“刀头伸长量”根据电缆柔性和材料不均匀性“可调整”。即，刀头伸长量既要“固定”又要“可调整”，构成典型的物理矛盾。选用4条分离原理中的“条件分离原理”原理。查找与该分离原理对应的发明原理，得到解决方案。依据“NO.23反馈原理-1，得到方案8，在刀具上引入弹簧，当同轴度偏差较大时，以弹力大小作为反馈，调整刀具伸长量。3.2.3小人法为细化加弹簧后的刀具结构，采用“小人法”对刀盘结构进行分析设计，如图9所示。分析共分以下4步。（1）出现同轴度偏差较大时，存在材料切割不均匀现象，将不均匀部分用小人代替。（2）根据切割部位分析，灰色区域为切割后的形状。被切割掉的材料用小黑人表示，未被切掉的材料用白色小人表示。（3）分析如何让小黑人、小白人在切割时保持相同数量，即均匀切割避免局部过大的切割厚度。通过分析，可将压紧轮设置为根据电缆接触面的微小晃动自动调整。（4）得到技术方案，在压紧轮支撑部设置弹簧，实现浮动切削。3.2.4通用工程参数法（4848矛盾矩阵表）冲突描述：为了“切割材料”，需要刀头“压力”足够“大”，又为了“保证绝缘层上无划痕”，需要“压力”适当“小”。查询通用工程参数“应力或压力”，选取“NO.10预操作原理-1，得到方案9，对绝缘层外层采用部分（预）切割，后期通过较小的外力实现材料剥离，避免绝缘层产生划痕。结合方案8和方案9，优化刀盘结构，如图10所示。4 方案整理 整理汇总上述方案，考虑装置的加工质量、加工效率和工艺复杂程度，结合可操作性及可实施性，对各方案进行可用性评估，见表2。图8物质-场模型Fig.8Material Field Model图9“小人法”分析Fig.9Analysis of the Little Man Method图10优化后的刀盘设计方案Fig.10Optimized cutterhead design scheme表2方案评价Tab.2Scheme evaluation方案要点采用双刀切换采用弧形或圆形刀片橡胶层冷却剥切刀具采用可活动式（90旋转）采用螺旋切割使用单电机，光杠与丝杠建立传动振动切削采用浮动切削预切割所用创新原理裁剪+技术冲突：NO.1裁剪+技术冲突：NO.14效应裁剪+技术冲突：NO.15裁剪+技术冲突：NO.17裁剪+资源分析物质-场及76个标准解物理冲突+“小人法”物理冲突+通用工程参数法可用性评估强可用强可用弱可用弱可用强可用强可用弱可用强可用弱可用65第22卷中 国 工 程 机 械 学 报综合整理上述方案要点，设计自动化装置，通过齿轮、丝杠控制刀盘的周向和轴向运动，实现单芯电缆的螺旋剥切，并结合预切割控制表面加工质量。刀盘部分设计为双刀可切换、可浮动式，并安装弧形刀片。单芯多层电缆螺旋剥切装置的最终方案，如图11所示。目前装置总成（202222621359.3）和浮动切割刀盘（202222621353.6）已申请专利。5 结语 针对目前单芯电缆终端接头人工制作效率低的问题，设计单芯电缆自动化剥切装置，并应用TRIZ理论，对工艺和装置进行设计改进，降低了劳动强度，提升终端接头制作效率。其中电缆外层环切采用浮动式刀盘，可自适应电缆各层直径以及旋转产生的同轴度偏差。整体采用螺旋切割，配合导轨标尺完成定长尺寸的电缆接头加工。本研究将TRIZ与具体工程问题相结合，可为各领域机械装置的创新设计和改进提供参考。参考文献：1邵森安，马勰，丰如男，等.电力电缆国内外研究综述 J.电线电缆，2021（3）：1-6，10.2李瑞，崔超，艾广宁.高铁电力电缆中间接头故障分析和应对措施 J.铁道运营技术，2020，26（1）：1-3.3张俊平.110 kV高压电缆施工技术难点与解决措施分析思路构建 J.现代制造技术与装备，2022，58（5）：150-152.4徐四勤，黄向前，杨昆，等.基于温度以及运行数据的电缆接头绝缘劣化状态预测 J.计算机科学，2022，49（10）：132-137.5曹晓斌，易志兴，陈奎，等.高速铁路馈线电缆雷电过电压及防护措施 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