0 引 言
目前我国现代化综合采煤工作面液压支架数量普遍超过150架，总质量超过7 000 t，因此液压支架的运输效率直接决定了综采工作面搬家倒面的效率。除内蒙古神东矿区外，我国绝大多数矿井均采用竖井开采工艺，重型液压支架入井安装及出井大修均通过罐笼运输[1-5]。因此提高重型液压支架竖井罐笼运输的效率对减少辅助生产时间、提高矿企经济效益具有重大意义。
经典TRIZ理论是由前苏联G·S·阿奇舒勒为首的专家发现并建立的一套解决发明创造问题的方法[6]。为了提高经典TRIZ理论的实用性，韩国金昊宗博士开发了实用TRIZ体系。实用TRIZ有5种解决问题的方法，分别是：①制作问题模型图；②导出矛盾；③矛盾分析；④系统的功能分析；⑤要素-相互关系图[7]。
制作问题模型图：是指对问题即将发生时的状况，用图表的方式形象地表现出来。通过制作问题模型图，可以更容易地找到问题中包含的物理矛盾。系统的功能分析图是对于引发问题的各要素的功能，用图表的形态表现的方法。裁剪法是一种分析工具，用于移除(裁剪)系统中的某个(些)组件，并在剩余组件或超系统组件之间重新分配有用的功能。功能分析图结合裁剪法可以快速找到解决问题的思路[8]。功能分析图必须有3个要素，即技术系统、目标对象及环境要素。矛盾导出及分析是指把包含在问题中的物理矛盾找出来，并且用简单的文字形式表现的过程。矛盾分析指的是对导出的物理矛盾运用TRIZ的分离原理找出具体的解决方案的过程。要素-相互关系图是利用TRIZ解决非技术性问题时，把人与人、人与事物的关系用图表的方式来表现的方法[6]。
笔者以某煤矿竖井罐笼运输50 t级重型液压支架问题为研究对象，应用实用TRIZ理论研发了一种专用于重型液压支架竖井运输的搬运车，为竖井煤矿的重型液压支架快速出、入矿井提供了一套高效无轨化辅助运输工艺。
1 应用TRIZ理论分析液压支架竖井运输问题
1.1 问题背景描述
某煤矿企业每隔半年即需要将160余架重型液压支架(单架约50 t)运输至地面进行大修，大修完成后再运输至井下采煤工作面。该矿起初采用的竖井无轨辅助运输工艺中，重型液压支架主要采用平板车牵引入罐方式运输，其工艺流程如图1所示。该矿井下换装硐室至采煤工作面距离约4 km，液压支架通过平板车从地面运输至井下换装硐室，由于平板车轮胎小，路面适应能力差，无法长距离运输支架，因此必须转载至框架式支架搬运车上运至工作面，单个支架运输过程平均耗时约为2 h，其中支架的装卸及转载耗时约占70%，上述工艺流程及装备如图2所示。上述运输方案存在问题如下：
1)效率问题：井下换装硐室至工作面路段条件利用率最高时，可允许4台框架支架搬运车同时运行；而由于吊装、固定、转载环节时间长，仅允许2台平板车交替入罐运行。而根据运输时间计算，最多2台框架支架搬运车即可完成2台平板车交替入罐的运量，导致效率低下。
2)安全问题：环节多，工人多，劳动强度大，支架转运时重心高，平板车易倾翻。
3)成本问题：投入设备种类多，人员多，搬家时间长，影响煤炭产量。
图1 平板车竖井罐笼运输液压支架示意
Fig.1 Schematic of hydraulic support for vertical shaft cage transportation of flatbed truck
图2 某矿液压支架运输工艺流程及装备
Fig.2 Process and equipment of hydraulic support transportation in a mine
1.2 绘制系统功能分析图及问题模型图
系统要素如下:平板车、吊车、牵引车、捆绑链、人。目标对象为液压支架。环境要素为地面、罐笼，其功能分析如图3a所示。利用裁剪分析法将有害功能的组件裁剪掉后(图3b)，利用裁剪后剩余的组件完成所有功能即可达到提高液压支架运输效率的目的[9-13]，即通过牵引车、平板车2个要素实现液压支架的提升、固定、操作、牵引、调整、支撑/运输的功能，基于此可绘制出问题模型图，如图4、图5所示。
图3 裁剪前后的系统功能分析
Fig.3 System functional analysis before and after tailoring
1.3 矛盾导出及分析
1)物理矛盾1：由图4可以看出，支架离开地面装载在平板车上时需要吊车辅助提升和人工捆绑固定，但吊车辅助提升及固定支架过程环节复杂，至少需要1名吊车司机和2名工人配合操作，装卸耗时较长且存在一定的安全隐患。采用抽取组合原理[6]，可考虑将吊车的起吊功能与平板车运输功能组合，实现平板车的自装自卸功能。
图4 平板车装卸液压支架耗时问题模型
Fig.4 Model for time consuming problem of hydraulic support for flatbed truck loading and unloading
图5 平板车井下运输支架转载问题模型
Fig.5 Model of downloading transport support for flatbed trucks in underground mine
2)物理矛盾2：平板车轮胎直径既要大，又要小。由图5可知，平板车长距离运输支架时，需要直径大的轮胎，以适应不平的路面[14-16]，否则井下路面条件不好，支架需要转载到框架支架搬运车上后才能运输至工作面，但罐笼高度和井下巷道高度的限制，要求平板车轮胎要小，否则无法运输，且轮胎越大，平板车装载重心越高，增加了不安全因素。采用空间分离法[6]，轮胎之所以要小，是因为轮胎安装在平板车正下方，轮胎直径大小决定了平板车高度，因此可以从宽度上争取轮胎空间。
2 液压支架竖井运输工艺及装备
已知该矿罐笼尺寸为(长×宽×高)5.9 m×3.3 m×2.9 m，最大承载能力65 t，所运输的液压支架宽度1.68 m。根据前述分析，得出2种解决方案。方案一：开发超窄型50 t级框架式支架搬运车，其外宽尺寸不得超过3.2 m，满足倒车入罐需求和罐内自装自卸支架的使用需要。方案二：设计新型拖车类产品，要求其具备自装自卸功能，且外宽要小于3.2 m，拖车随支架整体入井，其质量及外形尺寸需满足该矿罐笼要求。
2.1 超窄型50 t级框架式支架搬运车
目前市场上常见的50 t级框架式支架搬运车整车宽度为3.5 m，内部运输支架宽度为1.75 m。若使整车外宽不超过3.2 m，内宽不变的前提下，该方案的关键技术是研发超窄型带制动功能的轮驱减速器，由于轴向空间的限制，需要中间减速器自带中间贯通传动轴将动力传递给后面的减速机，该车型方案设计如图6所示，目前市场上暂无可直接应用的成熟产品，且传动布置需要采用新技术，技术上开发难度高，成本高，周期长，由于传动需要重新设计，可靠性有待验证[14-16]。
运输支架时，采用超窄型框架式支架搬运车倒车入罐将液压支架直接卸载进罐笼内。入井后，采用另一台超窄型框架式支架搬运车倒车入罐，装载支架后运输至指定工作面，该方案目前已申请2项国家发明专利(专利1：201611258805.1，一种六轮驱动矿用框架式搬运车；专利2:201611264542.5，一种带制动器的贯通轴锥齿行星轮边减速器)。
1—发动机；2—分动箱；3—闭式泵；4—前驱动马达；5—前减速器；6—后驱动马达；7—齿轮箱；8—前传动轴；9—万向节；10—中间带制动功能的轮边减速器；11—中间传动轴；12—后轮边减速器；13—装卸工作机构
图6 超窄型框架支架搬运车方案设计
Fig.6 Scheme design of support carrier with super narrow frame
2.2 带自装卸功能的新型拖车
参考目前框架式支架搬运车的后车架结构及自装卸功能，设计的新型拖车产品如图7所示。该拖车可由矿方现有的多功能车牵引，采用U型框架结构，牵引车与拖车之间采用可快速连接的三自由铰接装置，可实现机械结构与液压系统的快速断开与连接功能。该拖车自带4个提升机构，采用链轮+圆环链钩提升方式，液压缸驱动链轮转动，液压动力来自牵引车液压系统，进而实现液压支架的自装自卸功能(运输支架时为吊装运输，无需额外固定)，可靠性高[17-18]。同时由于该拖车无需驱动，可直接选用市场上成熟的制动器产品，整车外宽3.15 m，内宽1.75 m，完全满足支架装载及罐笼运输要求，制造成本低，技术成熟可靠。
运输液压支架时，由牵引车将装载液压支架的拖车一同倒车进入竖井罐笼，支架卸载在罐笼地板上，由支撑机构将拖车支撑稳定后，牵引车与拖车断开，罐笼将拖车连同液压支架一同运输至井下，再由井下另一台牵引车将拖车连同支架一同拖出。由于拖车轮胎直径远大于平板车，可满足井下路面的长距离运输，无需转载，可直接将液压支架运输至指定工作面。该方案产品结构简单，牵引车可采用矿方自有车型，因此成本低，周期短，可快速投入使用。目前该产品及运输工艺已申请国家发明专利1项并获授权(201410694760.7，重型液压支架无轨化搬运车及支架无轨化入罐方法)。
1—牵引车；2—快换机构；3—三自由度铰接；4—拖车U型框架；5—前提升机构；6—后提升机构；7—支撑机构；8—牵引车转向油缸；9—提升链钩
图7 新型拖车+牵引车产品
Fig.7 New trailer + traction vehicle
2.3 运输工艺及其新产品的试验验证
按照方案二所述拖车产品，试制后投入内蒙古地区某矿进行工业性试验，新型拖车地面运输支架如图8a所示，牵引车将装载有液压支架的拖车牵引进入竖井罐笼，牵引车与拖车断开后的照片如图8b所示。
经试验论证，从地面运输160架重型液压支架(50 t级)至该矿的工作面，分别采用平板车运输方案和新型拖车运输方案时，2种方案所需设备、人员、效率、成本对比见表1。由表1可看出，新型拖车运输工艺相比原平板车运输工艺，其设备、人工投入成本增加仅为22.6%(主要由于设备利用率提高，可同时投入运行的车辆数量增加)，而其运输效率可提高70.8%。若综合考虑产煤效益，新型拖车运输工艺相较平板车运输工艺可提前8.9 d完成支架运输任务，其产煤效益可增加7 911.21万元[19]。且工人劳动强度低，运输过程中安全可靠，效益显著。
图8 新型拖车竖井运输支架试验现场
Fig.8 Test site of new trailer shaft transport support
表1 平板车方案与新型拖车方案运输效率对比
Table 1 Comparison of transport efficiency between scooter scheme and new trailer scheme
项目平板车方案新型拖车方案备注设备框架支架搬运车2台(由于支架下井效率低,井下最多配置2台即可满足运量要求)不需要用于液压支架整体长距离运输,具备自装自卸功能,安全可靠多功能牵引车2台(井下1台,地面1台)5台(井下运距长,可配置4台,地面运距短,配置1台即可)可构快换其工作机构,功能随工作机构,改变平板车/新型拖车2台(交替使用)5台(交替使用)主要用于竖井开采工艺的矿井罐笼运输物料吊车2台(井下1台,地面1台)不需要辅助吊装捆绑链8条(每个平板车4条)不需要平板车运输物料时固定物料用人员司机(每班)6人(除平板车外每车1人)5人(除拖车外每车1人)装卸物料,驾驶车辆或吊车辅助装卸人员(每班)6人(井下3人,地面3人,劳动强度大,安全隐患多)2人(井下1人,地面1人,劳动强度小,几乎无安全隐患)辅助司机装卸、固定物料等效率运输160架支架(50 t级)至工作面,每天三班倒连续运输每天有效工作时间18 h,平均每架需要2 h,160架需要17.8 d,36人×17.8 d=640.8人·d每天有效工作时间18 h,平均每架需要1 h,160架需要8.9 d,21人×8.9 d=186.9人·d有效工作时间是指去除换班及其他与工作无关的时间(注:不考虑设备故障情况)成本直接成本(包含设备、人工)估算投入成本1 634.00万元估算投入成本约2 002.8万元各设备均按当前市场价估算,司机500元(人·d),辅助人员300元/(人·d)间接成本由于生产准备时间长,影响煤炭产量,因此间接成本增加约7 911.21万元—该矿按年产800万t煤计算,吨煤价格400元/t,每年产煤时间按360 d计算
3 结 论
1)针对重型液压支架竖井罐笼运输效率问题，应用实用TRIZ理论进行深入分析，通过对该问题绘制系统功能分析图(裁剪法)、问题模型图、矛盾导出及分析等过程，开发一种重型液压支架搬运车及支架无轨化入罐方法。
2)研究结果表明：该方法安全可靠，降低了工人劳动强度，操作方便、快捷。相较于以往平板车运输工艺，虽然其设备、人工总投入成本增加约22.6%，但其运输效率提高了约70.8%，为煤矿企业竖井罐笼运输重型液压支架提供了一种高效运输工艺。
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