抓斗创新设计案例展示

抓斗是重型机械的一种取物装置，主要用来就地装卸大量散粒物料，用于河口、港口、车站、矿山、林场等处。目前使用的一些抓斗，还不能完全满足装卸要求，长撑杆双鄂板抓斗虽应用广泛，但由于其具有闭合结束时闭合力呈减小趋势的致命弱点，影响抓取效果。其他类型的抓斗虽有使用，但不很普通，也存在各自的缺点，故市场上希望有一种装卸效率高、作业快、功能全、适用广的散货抓斗。从设计方法学和创造学的角度出发，通过对抓斗的功能分析，确定可变元素，列出形态矩阵表，组合出多种抓斗原理方案，再评价择优，从而得到符合设计要求的原理方案，为设计人员提供抓斗原理方案设计的新思路。

在分析调查的基础上，运用缺点列举法、实现希望法等创造技法，制订抓斗开发设计任务（见表11.4）。运用反求工程设计方法，对起重机一般取物装置作反求分析，得起重功能树如图11.7所示。

表11.4　抓斗开发任务书

由现有抓斗可知，抓斗的主要特点是颚板运动，结合设计任务书，得抓斗的功能树如图11.8所示。

抓斗的功能结构如图11.9所示。所谓功能结构图是一种图形，它包括了对系统的输入及输出的适当描述，为实现其总功能所具有的分功能和功能元以及它们之间的顺序关系。

确定了功能结构图，也就明确了为实现其总功能所具有的分功能和功能元以及它们之间的相互关系，利于寻找实现分功能和功能元的作用效应。

按设计方法学理论，如果一种作用效应能实现两个或两个以上的分功能或功能元，则机构将大大简化，运用反求工程设计方法，确定抓斗可变元素为：

图11.7　起重机功能树

图11.8　抓斗功能树

图11.9　抓斗功能结构

A——能实现支承、容料和启闭运动的原理机构；

B——能完成启闭动作、加压、自锁的动力装置（即动力源形式）。

运用各种创造技法，对可变元素进行变换（即寻找作用效应），建立形态矩阵表（见表11.5）。理论上，表11.5中任意两个元素的组合就形成了某一种抓斗的工作原理方案。尽管可变元意只有A，B两个，但理论上可以组合出5×5=25种原理方案，其中包括明显不能组合在一起的方案。经分析得出明显不能组合在一起的方案有：A2 B22，A4 B1，A4 B22，A4 B3，A4 B4，A5 B1，A5 B21，A5 B3，A5 B4，把这些方案排除，剩16种方案，而常见的一些抓斗工作原理方案基本包含在这16种内，如A1 B1组合，就是耙集式抓斗的工作原理方案。除此之外，这16种方案中包含了一些创新型的抓斗。

表11.5　抓斗原理方案形态矩阵表

方案评价过程是一个方案优化的过程，希望所设计的方案能最好地体现设计任务书要求，并将缺点消除在萌芽状态，为此，从矩阵表中抽象出抓斗的评价准则为：

A——抓取力大，适应难抓物料；B——可在空中任一位置启闭；C——装卸效率高；D——技术先进；E——结构易实现；F——经济性好，安全可靠。根据这六项评价准则，对抓斗可行原理方案进行初步评价，见表11.6。

表11.6　抓斗可行原理方案初步评价表

续表(www.xing528.com)

注：表中“√”表示实现或能满足准则要求；“×”表示不满足或不能实现准则要求；“?”表示信息量不足，待查。

从表11.6中可知，能满足六项准则的有6种方案，即A1 B3，A1 B4，A2 B3，A2 B4，A3 B3、A3 B4。为进一步缩小搜索区域，在确定最佳原理方案之前，应及时进行全面的技术经济评价和决策。

研究这6种初步评价获得的可行方案，发现为了实现装卸效率较高，动力源形式选择液压或气压。为进一步筛选、取优，这里不妨对液压和气压作一比较（见表11.7）。

表11.7　动力源采用液压或气压的抓斗性能比较

由表11.7可知，液压传动相比气压传动具有明显的优点，液压传动的抓斗功率密度大，结构紧凑，质量小，调速度性能好，运转平稳、可靠，能自行润滑，易实现复杂控制。气压传动明显的优点是结构简单，维护使用方便，成本低，工作寿命长，工作介质（压缩空气）的传输简单，且易获得。对于抓斗设计，要求抓取能力强，质量小，结构紧凑，经济性好，维护方便。通过分析比较，权衡主次，选择液压传动作为控制动力源较优。

经过筛选，剩3种方案，即A1 B3，A2 B3，A3 B3。将这3种方案大概构思，画出其简图，分别如图11.10（a）至11.10（c）所示。

图11.10　方案简图

A1 B3组合为液压双颚板或多颚板抓斗，需要两个或两个以上液压缸。

A2 B3组合为液压长撑杆双颚板或多颚板抓斗，只需一个液压缸。

A3 B3组合为液压剪式抓斗，需要两个液压缸。

通过以上的分析，经过评价、筛选确定了这3种抓斗原理方案。对这3种方案可以对照设计任务书作进一步定性分析（见表11.8）。

表11.8　抓斗原理方案的对比

从表11.8中得出：A1 B3能较好地满足设计要求，其不足是结构稍复杂；A2 B3无法防止散漏这至关重要的性能要求；A3 B3液压缸行程大，这在技术上很难实现，故最后确定A1 B3为最佳原理设计方案。

以上是利用设计方法学和创造学原理对抓斗开发设计中的原理方案创新设计进行了研究，在设计过程中还应注意以下几点：

①评价过程中应充分利用集体智慧，提高评价准确性，在定性分析方法无法得出结论时，可用加权的方法进行定量分析。

②一次次地比较、筛选，实际上是逐步寻找薄弱环节，是一个优化的过程。

③在最佳原理方案确定之后的设计中，也应当充分运用设计方法学和创造学的基本原理进行创新设计。比如，在抓斗的结构设计中，要充分发挥设计人员的创造性，确定结构设计中的可变元素，对可变元素进行变化、创新得出最佳设计。