基于ARIZ算法研制氧化鋁破袋裝置

李莉 朱煜

摘 要：本文利用TRIZ理論中ARIZ問題分析與求解模式，通過對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)功能模型、分析問題模型、利用物理沖突、物質(zhì)-場分析、應(yīng)用知識(shí)庫等解決流程，從氧化鋁破袋器結(jié)構(gòu)形狀、材質(zhì)選擇等方面提出11種技術(shù)方案，通過優(yōu)化組合，研制出破袋效率高、安全可靠的破袋器裝置。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；ARIZ算法；破袋器；效率

中圖分類號(hào)：TF351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）19-0038-03

An alumina Bag Breaker Was Developed Based on ARIZ Algorithm

LI Li1 ZHU Yu2

（1.Qinghai Zhengyi Testing Technology Co. Ltd， Xining Qinghai 810008；2.Qinghai Province Science and Technology Information Research Institute Co. Ltd.，Xining Qinghai 810000）

Abstract： In this paper， the problem analysis and solution mode of ARIZ in TRIZ theory was adopted. Through the analysis of technical system， the system function model， problem analysis model， physical conflict， material-field analysis， application knowledge base and other solutions were established. Eleven technical solutions were proposed from the aspects of structure shape and material selection of alumina bag breaker. By optimizing the combination， a bag breaking device with high efficiency and safety wea developed.

Keywords： TRIZ theory；ARIZ problem；torn bags； efficiency

ARIZ最初由Ahshuller于1956年提出，經(jīng)過多次完善才形成比較完整的體系其主導(dǎo)思想和觀點(diǎn)主要有[1，2]：①?zèng)_突理論；②克服思維慣性；③ARIZ集成應(yīng)用了TRIZ理論中絕大多數(shù)工具；④充分利用TRIZ效應(yīng)庫和實(shí)例庫，并不斷擴(kuò)充實(shí)例庫。

1 問題背景和問題描述

1.1 問題背景

通常情況下，采用天車將氧化鋁袋起吊放置在下料平臺(tái)上完成破袋作業(yè)。由于該裝置一次破袋效率低，需要二次起吊重新對位操作，不僅破袋用時(shí)長，而且氧化鋁袋處于懸空狀態(tài)，使粉塵四處飛揚(yáng)。此外，二次起吊時(shí)需要人工配合對位，安全隱患大。

1.2 問題描述

1.2.1 定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。在割破袋裝氧化鋁的技術(shù)系統(tǒng)中，其功能主要是破袋，實(shí)現(xiàn)該功能的限制主要是安全性差。

1.2.2 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理及存在的問題。傳統(tǒng)輸送工藝流程中，袋裝氧化鋁首先由割袋作業(yè)人員與天車配合，起吊至卸料平臺(tái)，重達(dá)1.5t/袋的氧化鋁包與割袋人員近距離接觸，若天車吊索出現(xiàn)故障或人車配合失誤，大的氧化鋁結(jié)塊在人工割袋過程中易從氧化鋁包中墜落，極易造成重物墜落傷人或起吊重物碰撞擠壓傷人的不安全事件發(fā)生。此外，吊到指定位置后，工人進(jìn)行割袋作業(yè)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且物料下料高度高出集氣罩高度3倍以上，破袋作業(yè)現(xiàn)場粉塵飛揚(yáng)較大，嚴(yán)重影響割袋工人的身心健康。

1.2.3 問題出現(xiàn)的條件和時(shí)間。鋁電解生產(chǎn)屬于連續(xù)性作業(yè)，氧化鋁通過濃相輸送系統(tǒng)進(jìn)入電解槽是實(shí)現(xiàn)鋁電解的基礎(chǔ)，若不改變現(xiàn)有破袋方式，不僅破袋效率低，而且無法避免破袋裝置暴露在外容易傷人及二次起吊對位操作導(dǎo)致粉塵飛揚(yáng)的問題。

1.2.4 相關(guān)問題或類似問題的現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)。行業(yè)內(nèi)通常采用由作業(yè)人員用自制刀具切割氧化鋁袋的方式完成該作業(yè)。其自制切割工具有鋼鋸、帶柄尖刀、長柄剪刀等，但切割效果均不理想。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，專利號(hào)為201320571074.1，名稱為一種破袋裝置的實(shí)用新型專利，可實(shí)現(xiàn)破袋功能。

基于上述破袋裝置的啟發(fā)，在濃相系統(tǒng)卸料平臺(tái)料斗上安裝平臺(tái)破袋裝置。該裝置采用槽鋼焊接格柵，格柵的交叉點(diǎn)上焊接有呈正八面錐形的刀架，并與長度足夠長的刀具焊接形成一體，將氧化鋁袋吊至刀具上方，通過袋裝氧化鋁4.5t的自身重量，使氧化鋁袋底部得以刺破，從而達(dá)到破袋的目的。

但自制刀具和平臺(tái)破袋裝置均存在缺陷：用自制刀具破袋，要求天車對割了一半的氧化鋁袋進(jìn)行二次提升，才能實(shí)現(xiàn)二次破袋作業(yè)。但是，這樣會(huì)產(chǎn)生2m的高空落差，造成氧化鋁粉飛揚(yáng)，嚴(yán)重影響現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康。使用平臺(tái)破袋器時(shí)，刀具固定焊接在槽鋼制作的井字格刀架上，給天車起吊后的對位操作增加了難度，需要反復(fù)多次操作。同時(shí)，由于卸料點(diǎn)平臺(tái)工作環(huán)境的限制，平臺(tái)破袋器的刀具完全暴露在工作環(huán)境中，易傷人，危險(xiǎn)性較大。

由此，必須建立一個(gè)能有效解決井字格平臺(tái)破袋裝置破袋效率不高的問題的新系統(tǒng)。

2 基于ARIZ的問題分析與求解

2.1 問題的分析與表述

2.1.1 建立系統(tǒng)功能模型。通過功能模型分析出系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，得出導(dǎo)致堵料問題的功能因素，其目標(biāo)問題有3方面：格柵阻擋氧化鋁粉通過下料平臺(tái)；刀具彎曲鈍化阻擋氧化鋁粉通過下料平臺(tái)；卸料平臺(tái)自身阻擋氧化鋁順利通過。

2.1.2 因果分析。應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的原因。

具體分析結(jié)果見圖1。

2.1.3 確定問題關(guān)鍵點(diǎn)。①刀具抗壓能力差，易彎曲鈍化；②格柵過密，阻擋氧化鋁粉順利通過下料平臺(tái)；③下料平臺(tái)設(shè)計(jì)不合理。

2.1.4 “縮小問題”描述獲得方案初步意向?yàn)橥ㄟ^改進(jìn)格柵的疏密程度來解決格柵刀架堵料問題。

2.1.5 “擴(kuò)大問題”描述。從系統(tǒng)構(gòu)成的超系統(tǒng)、子系統(tǒng)，時(shí)間維度的過去和將來，因果關(guān)系的原因和結(jié)果及輸入和輸出4個(gè)角度分析問題，尋找可替代的問題。

2.2 分析問題模型

2.2.1 沖突描述。以“格柵過密，阻擋氧化鋁粉通過”為著手點(diǎn)，定義2個(gè)技術(shù)沖突TC1和TC2。技術(shù)沖突描述見表1。

本文選取技術(shù)沖突TC2。

2.2.2 為提高下料速度，使系統(tǒng)不堵料，需要破袋器的格柵刀架疏，但這樣做會(huì)導(dǎo)致破袋器的破袋效率降低。為此，將該技術(shù)沖突轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突，查找沖突矩陣，得到兩種方案。

①方案1。將正八面棱錐刀具設(shè)置成可拆卸的。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際計(jì)算各底角角度、棱錐高，在保證刀具的刀尖足夠長的前提下，在槽鋼焊接的格柵刀架上，按焊接角度先焊接10cm的套裝頭，將各邊靠近底部的部分做成能與套裝頭相匹配使用的中空形狀。這樣，一旦因破袋器引起堵料，可人工將刀具取下。

②方案2。在刀具周圍，安裝可活動(dòng)的分流裝置，使氧化鋁物料在下落過程中能分散開來，盡可能散落在下料平臺(tái)的其他區(qū)域，而不至于都集中在放置破袋器處，以期解決因物料過于集中而導(dǎo)致的堵料問題。

2.3 構(gòu)建物質(zhì)-場模型

在格柵刀架和氧化鋁之間建立機(jī)械場，構(gòu)建物質(zhì)-場模型，以消除因功能不足帶來的有害因素。

2.4 從X1角度應(yīng)用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解

得到2類標(biāo)準(zhǔn)解，即No.12和No.60。得到兩個(gè)解決方案：

①方案3。增加另一種機(jī)械場，使之產(chǎn)生攪拌力，通過攪拌作用減少格柵刀架對氧化鋁粉的阻力，加快下料速度。

②方案4。在料斗的篩網(wǎng)上方加裝一套流化裝置。流化裝置具體由6mm的不銹鋼管制作成直徑為1m的圓形，在不銹鋼管下方，每間隔5cm打一個(gè)[Φ]8的圓孔，在流化裝置進(jìn)口通入0.6MPa以下的壓縮空氣，利用[Φ]8圓孔流出的壓縮空氣使料斗篩網(wǎng)上的物料沸騰，達(dá)到均勻下料的目的。

3 定義理想解確定物理沖突

3.1 定義操作區(qū)域和操作時(shí)間

從操作區(qū)域考慮，破袋區(qū)域?yàn)楦駯诺都芴帲铝蠀^(qū)域?yàn)楦駯诺都芴?；從操作時(shí)間考慮，格柵刀架破袋時(shí)和格柵刀架堵料時(shí)。

3.2 分析操作區(qū)域和操作時(shí)間內(nèi)的可用資源

從系統(tǒng)內(nèi)部資源（氧化鋁袋、刀具、格柵刀架、氧化鋁粉、刺破）、外部資源（起吊設(shè)備、下料平臺(tái)、梯形料斗、重力場）、超系統(tǒng)資源（濃相輸送系統(tǒng)、重力場）3方面分析資源的可用性。

3.3 定義理想解

假設(shè)存在一個(gè)X，在格柵刀架處，可以實(shí)現(xiàn)“破袋器破袋料率高”，能夠“消除格柵刀架堵料”，且不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度和不產(chǎn)生任何有害作用。

3.4 使用限制條件應(yīng)用理想解

使用刀具，在格柵刀架處刺破氧化鋁袋時(shí)，實(shí)現(xiàn)“破袋效率高”并且能夠“避免二次對位破袋操作”；使用格柵刀架，在格柵刀架處下料時(shí)，實(shí)現(xiàn)“下料速度快”，并且能夠“消除格柵刀架堵料”。

得到兩個(gè)方案。

①方案5。得到的解如下：通過加裝電動(dòng)裝置使平臺(tái)破袋器能振動(dòng)。當(dāng)氧化鋁粉覆蓋到平臺(tái)破袋器上時(shí)，碰觸到感應(yīng)按鈕，自感應(yīng)功能立即啟動(dòng)，平臺(tái)破袋器通過往復(fù)運(yùn)行的振動(dòng)模式，使氧化鋁順利通過破袋器，而不至于堆積在下料平臺(tái)上。

②方案6：改變平臺(tái)破袋器的整體結(jié)構(gòu)，在其底部四周焊接4個(gè)一定高度的支撐腳，增加破袋器和卸料平臺(tái)之間的垂直距離，為瞬間漏下的物料建立一個(gè)中轉(zhuǎn)緩沖區(qū)域。

4 利用擴(kuò)展物質(zhì)-場資源

4.1 使用“小人法”建模

將格柵交叉點(diǎn)上焊接的正八面錐形刀架變化為正四面體錐形刀架，通過減少每個(gè)刀架上側(cè)棱的數(shù)量，改進(jìn)格柵刀架阻礙物料通過的不利影響。

通過改進(jìn)平臺(tái)破袋器結(jié)構(gòu)，使紅色格柵刀架小人在下料平臺(tái)上以一定速度和一定半徑作圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單刀多點(diǎn)刺破的破袋效果。

4.2 利用擴(kuò)展資源

可利用的擴(kuò)展資源主要有起吊設(shè)備、下料平臺(tái)、梯形料斗、空間高度，其類別為物資資源和場資源，且均可用。

4.3 應(yīng)用新資源重新考慮采用標(biāo)準(zhǔn)解解決問題

根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到以下解決方案。

方案9。得到如下解：在擴(kuò)展資源下料平臺(tái)與料斗的連接處加裝流化裝置。

5 應(yīng)用知識(shí)庫

確定問題要實(shí)現(xiàn)的功能為“輸送物料”，查找效應(yīng)知識(shí)庫，未得到可用的效應(yīng)解決方案。

通過定義物理矛盾，運(yùn)用相應(yīng)的分離原理得出12條原理，根據(jù)選定的發(fā)明原理，得到兩種可用解決方案。

①方案10。能使平臺(tái)破袋器由原來的靜止不動(dòng)轉(zhuǎn)化為可活動(dòng)的，隨著氧化鋁粉的迅速堆積，平臺(tái)破袋器可在下料平臺(tái)上隨時(shí)移動(dòng)位置，減少因破袋器自身帶來的堵料問題。

②方案11。改變平臺(tái)破袋器的整體結(jié)構(gòu)，將其制作成三刀具三個(gè)圓柱體相切而成、帶有可移動(dòng)支撐架的圓筒型結(jié)構(gòu)。減少刀具數(shù)量，改變格柵刀架的疏密程度。

6 方案選擇及綜合評估

依據(jù)上面得到的若干創(chuàng)新解，通過評價(jià)，確定最優(yōu)解為方案8和方案11。

方案8。將平臺(tái)破袋器形狀改進(jìn)為圓筒形，上部焊接正八面體棱錐形刀具，在圓筒刀架內(nèi)安裝小型電機(jī)并設(shè)置運(yùn)行程序，在外接電源的作用下，利用筒內(nèi)設(shè)置的電機(jī)帶動(dòng)該裝置在下料平臺(tái)上沿著下落到一定高度的氧化鋁袋，以略大于三袋氧化鋁相切半徑為半徑作圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單刀多點(diǎn)刺破的破袋效果。

方案11。改變平臺(tái)破袋器的整體結(jié)構(gòu)，將其制作成三刀具三個(gè)圓柱體相切而成，帶有可移動(dòng)支撐架的圓筒型結(jié)構(gòu)，將刀具數(shù)量減少為3套，改變格柵刀架的疏密程度。

從橫向和縱向多維度空間改變原有平臺(tái)破袋器結(jié)構(gòu)，為氧化鋁物料的下落提供有效空間，在此基礎(chǔ)上，建立一定高度的可活動(dòng)支撐架，為下落的物料建立起有效的中轉(zhuǎn)緩沖區(qū)域，而且方便吊運(yùn)和平穩(wěn)放置。

7 結(jié)語

經(jīng)過方案評估，研制出三刀具三個(gè)圓柱體相切而成，帶有可移動(dòng)支撐架的圓筒型氧化鋁破袋裝置。該裝置具有制作成本低，可操作性好的特點(diǎn)，并已形成實(shí)用新型專利（專利號(hào)：201520274564.4），在國內(nèi)外行業(yè)中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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