基于TRIZ理論之物——場模型分析法優(yōu)化自動供水系統(tǒng)

謝鵬波

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510725

0 引言

本校學(xué)生宿舍全自動供水系統(tǒng)是機(jī)電儀等設(shè)備的高效集成。由于使用年限比較長，后來經(jīng)常間歇性供水故障。如何有效排除這一故障，筆者對系統(tǒng)現(xiàn)場進(jìn)行全面檢查、分析，準(zhǔn)確判斷了故障的部位，并按TRIZ理論中物―場分析原理，對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，徹底解決了間歇性供水問題。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ內(nèi)容簡介

TRIZ理論是研究解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法學(xué)。是Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫，意思為“發(fā)明問題解決理論”。TRIZ理論認(rèn)為：任何技術(shù)（人工）系統(tǒng)都是按客觀規(guī)律進(jìn)化的，系統(tǒng)進(jìn)化客觀規(guī)律可以被人們發(fā)現(xiàn)、認(rèn)知和利用。TRIZ理論由進(jìn)化法則、最終理想解、40個發(fā)明原理、39個工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾的分離原理、物－場分析模型、76個標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問題解決算法和知識效應(yīng)庫等九個部分。

1.2 TRIZ理論中物-場分析模型

物－場模型分析是最簡單和最受歡迎的TRIZ工具之一，該理論認(rèn)為實現(xiàn)一個完整功能有三個基本元件。兩個物質(zhì)和一個場是最小的具有工作能力的可控技術(shù)系統(tǒng)模型。TRIZ理論中的物－場模型如圖1。S1和S2為產(chǎn)生相互作用的兩個物質(zhì)，F(xiàn)是物質(zhì)之間的效應(yīng)（即場）。

圖1 物-一場基本模型

在TRIZ理論中，常見的物－場模型有四種：“效完整模型”，三個元素都存在，且都有效，系統(tǒng)功能是有效、正常的；“不完整模型”，三個元素不全，可能缺少物質(zhì)或者是缺少場，系統(tǒng)不能達(dá)到預(yù)期效果的；“效應(yīng)不足的完整模型”，系統(tǒng)雖然三個元素齊全，但沒能實現(xiàn)希望的效應(yīng)或效應(yīng)實現(xiàn)得不足夠；“有害效應(yīng)的完整模型”，有三元素，但產(chǎn)生的效應(yīng)與所希望的效應(yīng)相反或是有害效應(yīng)。

1.3 物-場分析應(yīng)用步驟

物－場分析解題模式主要是借助物--場分析和標(biāo)準(zhǔn)解,從技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)角度出發(fā),最終為待解問題找到最終解決方案。物場分析應(yīng)用過程如圖2所示。

圖2 物-一場分析的解題模式

對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)主要根據(jù)問題情形，描述相關(guān)元素間的作用、確定作用的程度，構(gòu)建問題物－場模型，根據(jù)不同情況，從76個標(biāo)準(zhǔn)解中尋找解決問題的方案。

在分析物－場模型時，如果有不同的解法，一般進(jìn)行比較以獲得最佳解法。獲得最佳解法后，建立解決方案的物-場模型，綜合考慮不同限制條件下的實現(xiàn)方式，選擇最終理想解，制訂最終解決方案。

2 供水系統(tǒng)工況

2.1 供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本供水系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、變頻離心泵組、壓力傳感器、進(jìn)水閥、儲水罐、安全閥、出水管單向閥等組成。

該系統(tǒng)工作過程是：當(dāng)儲水管中的壓力達(dá)到0.2MPa時,泵組中的泵組自動啟動，為小區(qū)供水；當(dāng)儲水罐的壓小小于0.2MPa時，泵組自動停止運轉(zhuǎn)，小區(qū)將沒有自來水供應(yīng)；當(dāng)小區(qū)用小量減少時，系統(tǒng)通過變頻系統(tǒng)控制離心泵轉(zhuǎn)速，維持輸出正常水壓和水量。

圖3 宿舍小區(qū)供水系統(tǒng)流程圖

2.2 供水系統(tǒng)故障及分析

系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)間歇性供水現(xiàn)象，技術(shù)人員進(jìn)行了“匯診”，從泵組故障、控制系統(tǒng)故障、安全閥泄漏、市政自來水系統(tǒng)等方面進(jìn)行了分析。筆者認(rèn)為，該系統(tǒng)故障發(fā)生在進(jìn)口閥至儲水罐內(nèi)進(jìn)口管出水處之間，制訂了對該段進(jìn)行拆卸檢查的故障排除方案。拆卸該段零構(gòu)件時，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口管出口處安裝了一組浮球閥，長期使用造成浮球破損、淤泥沉積造成閥門開度不足，直接影響進(jìn)水速度，引發(fā)故障。

3 利用物-場分析，優(yōu)化供水系統(tǒng)

3.1 建立該系統(tǒng)故障部位物-場模型

分析1：根據(jù)浮球閥的工作原理，確定相關(guān)元素為：S1-水；S2-球閥芯；F-閥芯開啟力。分析三元素之間的關(guān)系，建立物-場模型如圖4。

圖4 浮球閥物-場模型

分析2：根據(jù)供水系統(tǒng)的工作原理，確定相關(guān)元素為：S1-水；S2-浮球閥；F-水流動力。分析三元素之間的關(guān)系，建立物－場模型如圖5

圖5 浮球閥物-場模型

3.2 選擇物-場模型的合適解法

解法一：對應(yīng)“分析一”所建立的圖4物－場模型。該系統(tǒng)屬于物-場模型中“效應(yīng)不足的完整模型”，標(biāo)準(zhǔn)解法可用解法4、解法5和解法6。根據(jù)實際情況，修復(fù)浮球，浮球為物場3，產(chǎn)生浮力F 2，共同作用于閥芯，提高閥門的開度，其物-場模型如圖6。

解法二：對應(yīng)“分析二”所建立的圖5物－場模型。該系統(tǒng)屬于有害效應(yīng)的完整物-場，通過分析，標(biāo)準(zhǔn)解法可用簡化改進(jìn)系統(tǒng)之解法67、解法9。根據(jù)實際情況，采用管道直接替代浮球閥的解法來簡化系統(tǒng)，其物－場模型如圖7，S 3為新物質(zhì)進(jìn)口管管口。

圖6 增加1個物質(zhì)，產(chǎn)生另1個場的物-場模型

圖7 簡化浮球閥后物-場模型

3.3 最終解決方案

綜合分析兩個主要方案，如果修復(fù)浮球，系統(tǒng)短時間內(nèi)將能正常使用，但由于儲水罐壓力變化頻繁，浮球很容易損壞，解法一將又失效。使用解法二使系統(tǒng)得到簡化，徹底消除進(jìn)水速度慢的問題，解決該系統(tǒng)由于供水不足而引起的間歇性供水故障，最終確定采用解法二。

4 結(jié)論

實施本優(yōu)化方案后，學(xué)校宿舍小區(qū)供水系統(tǒng)故障得到解決。在技術(shù)問題上，利用物－場模型分析原理，將需要解決的問題轉(zhuǎn)化為物－場模型，通過分析其所屬類型，按照TRIZ解題步驟，可以有效解決復(fù)雜的問題。

[1]顏惠庚，李耀中.技術(shù)創(chuàng)新方法入門——TRIZ基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論(TRIZ)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.