基于TRIZ理論的乳化液精確配比系統(tǒng)的研究

王曉凱

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006;2.山西天地煤機裝備有限公司，山西太原 030006;3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西太原 030006)

0 前言

乳化液作為煤機產品液壓傳動的工作介質，尤其是作為煤礦采煤工作面液壓支架和液壓支柱的工作介質，在煤礦井下得到了廣泛的應用。而乳化液的濃度則會影響到液壓支架和液壓支柱等設備的正常運行及使用壽命。濃度過低，會影響到設備的抗硬水能力、穩(wěn)定性、防銹性和潤滑性，從而縮短設備的使用壽命，容易引起液壓系統(tǒng)事故的發(fā)生；濃度過高，不僅增加了生產成本，造成更大的環(huán)境污染，而且會降低消泡能力和增大對橡膠密封材料的溶脹性。因此，乳化液濃度的合理性和穩(wěn)定性成為煤炭生產效益的一個重要指標。隨著高產高效綜合機械化工作面的發(fā)展，對乳化液配比的自動化程度也提出了越來越高的要求。雖然我國在乳化液配比方面的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但仍存在配制精度不高、效率低、受人為因素影響較大等問題。

TRIZ理論是由蘇聯(lián)著名科學家根里奇·阿奇舒勒于20世紀40年代通過對世界數(shù)百萬件高水平發(fā)明專利進行分析后提出的一套解決發(fā)明問題的理論。TRIZ理論認為，發(fā)明問題的核心就是發(fā)現(xiàn)矛盾，創(chuàng)新的過程就是解決矛盾的過程，矛盾和沖突的解決推動系統(tǒng)的不斷進化。經(jīng)過多年的發(fā)展，TRIZ已經(jīng)形成了一套具有完整體系且實用成熟的理論和方法，總結出了九屏幕法、金魚法、小人法、最終理想解等創(chuàng)新思維；功能分析法、矛盾矩陣、科學效應庫、裁剪法等創(chuàng)新工具；以及S曲線、向超系統(tǒng)進化、提高理想度法則等創(chuàng)新規(guī)律。TRIZ理論的發(fā)展幫助研究人員擺脫了試錯法、頭腦風暴等低效地解決問題方法，而能夠利用TRIZ理論高效地解決技術問題，有效地提高產品創(chuàng)新率。

隨著TRIZ理論的發(fā)展，國內也成立了許多TRIZ研究中心以及TRIZ理論的專業(yè)公司。目前，國內學者不僅進行了一些基于TRIZ理論的工業(yè)設計方法的理論研究，而且成功地將TRIZ理論運用到了各類發(fā)明問題的研究應用中。本文作者針對乳化液配比不精確的問題，應用TRIZ創(chuàng)新理論分析并解決了乳化液自動配比的問題。

1 建立問題模型與系統(tǒng)功能分析

1.1 問題模型建立

目前，煤礦井下常用配比裝置為喉管式射流器或者乳化液混合器簡單地進行乳化液混合，以喉管式射流器為例，建立其問題模型如圖1所示。當一定壓力的水流經(jīng)射流器突然變小的截面(喉管)時，流速增加，壓力降低，在噴嘴口區(qū)域形成真空，從而將液壓油從油箱中抽到吸入室，二者在射流器中很快混合，形成乳化液并流進乳化液箱。

圖1 系統(tǒng)模型

1.2 功能分析

功能分析是TRIZ理論的重要工具之一，是一種著眼于產品功能的思維方式。功能分析法通過組件分析開始識別問題并列出系統(tǒng)中各個組件；通過相互作用分析來了解各個組件之間的關系，把其相互關系分為充分功能、不足功能、有害功能等；最終形成系統(tǒng)功能模型圖，直觀地表達組件內各個部件的相互關系。文中模型的各組件如表1所示。

表1 組件分析

模型系統(tǒng)功能如圖2所示。系統(tǒng)功能的建立便于更加直觀地分析系統(tǒng)，為矛盾的提取奠定基礎。

圖2 系統(tǒng)功能

2 問題分析

2.1 矛盾分析

在TRIZ理論中，矛盾分為物理矛盾和技術矛盾。物理矛盾是指在同一技術系統(tǒng)中的同一參數(shù)呈2種相反的狀態(tài)；而技術矛盾是指系統(tǒng)中一個參數(shù)的改善會造成另一個參數(shù)惡化的矛盾。物理矛盾一般解決辦法為4種分離方法：時間分離、空間分離、條件分離、整體與部分的分離。而技術矛盾一般通過矛盾矩陣解決。

通過對圖2進行深入分析，特別是著重分析系統(tǒng)中的不足功能和有害功能，總結出了系統(tǒng)中存在的2對主要物理矛盾。

矛盾1：希望油的流量恒定，又希望其變化。若想要保證乳化液濃度不變，那么當水的流量不變時，需要油的流量不變，當水的流量變化時，則需要油的流量跟隨變化。

矛盾2：希望有人的控制，又不希望人控制。在功能圖中，人控制開關、節(jié)流閥為有害功能，希望能夠減少人的干預，減少工人勞動強度，但是又需要人去設定以及檢測濃度值。

2.2 解決矛盾1

對于矛盾1，從時間分離原理和基于條件的分離原理可以得到啟發(fā)。

(1)時間分離原理：在水的流量變化時，油的流量變化；在水的流量不變時，油的流量也不變。這就需要控制水流量的設備和控制油流量的設備之間有精確的聯(lián)系。

(2)基于條件的分離：濃度變化時，油的流量變化；濃度不變時，油的流量也不變。即當檢測到濃度變化時，改變油的流量。

結合原理(1)和(2)以及工程實際情況，可以用泵的轉動來控制水和油的流量，則問題就轉變成了如何控制泵的轉速。

2.3 科學效應庫解決問題

科學效應是在尋找專利產品的技術功能和實現(xiàn)技術功能的科學原理之間的相關性過程中形成的?？茖W效應庫總結了解決發(fā)明問題時經(jīng)常會遇到的30種功能，以及實現(xiàn)這些功能過程中經(jīng)常要用到的100個科學原理和現(xiàn)象，是TRIZ理論中一種按照 “從技術目標到實現(xiàn)方法”的方式組織起來的知識庫，適用于“問題解決方向已知”的情況。

將“控制泵的轉速”轉化為30個主要功能中的一種為：F06控制物體的運動。對應的科學效應和現(xiàn)象有：磁力，電子力，壓力，浮力，液體動力，振動、慣性力，熱膨脹，熱雙金屬片。啟發(fā)性的2種原理如下所示：

(1)電子力。使用電機驅動泵，在系統(tǒng)中增加變頻器并使用變頻電機以控制電機轉速。

(2)液體動力。使用配油馬達驅動油泵，為控制配油馬達的轉速，需要增加比例流量閥來控制驅動泵進入配油馬達的液壓油的流量。

通過以上2種原理，結合工程實際情況，擬定了2種實施方案，將2種方案進行比較如表2所示。

表2 方案對比

對比各自優(yōu)缺點以及成本可知：馬達驅動泵的方案比較適合煤礦井下的情況。

2.4 解決矛盾2

對矛盾2，同樣可以從時間分離和基于條件的分離得到啟發(fā)。

(1)時間分離原理。在開始時人為設定濃度，工作時人不控制?？梢圆捎密浖刂?，開始設定好濃度值，之后通過程序控制電磁閥的開口度來控制水和油的流量。

(2)基于條件的分離。希望改變濃度時，人為控制。不希望濃度變化時，不用人控制。依然可以采用軟件控制，需要改變時通過操作面板控制，不需改變時，由軟件自行控制。

以上2個原理都指向了一點，增加電控系統(tǒng)。

2.5 解決新增技術矛盾

在新的方案中，系統(tǒng)的使用方便性得到大大的改善，但是因為水的流量不可能一成不變，而且沒有人去觀察濃度變化，其可靠性有待驗證，所以使用方便性和可靠性形成了一對技術矛盾。技術矛盾通過對應39個工程參數(shù)、查詢矛盾矩陣表、得到對應的發(fā)明原理來解決。對應39個工程參數(shù)，文中系統(tǒng)改善的參數(shù)為使用方便性，惡化的參數(shù)為可靠性。對應發(fā)明原理分別為40(復合材料)、35(參數(shù)變化)、2(分離)、17(維數(shù)變化)、12(等勢性)、29(氣壓或液壓構造)、23(反饋)。

受到反饋原理的啟發(fā)，在液箱里增加濃度傳感器反饋到電控系統(tǒng)中，電控系統(tǒng)可以實時根據(jù)濃度來調節(jié)比例流量閥調節(jié)配油馬達和配油泵的轉速以達到穩(wěn)定濃度的目的。在液箱中增加液位傳感器來判斷液箱中的液位，并通過電控系統(tǒng)控制水泵和油泵是否轉動來控制是否向液箱中配液，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 實施方案

經(jīng)過對TRIZ理論以及工具的應用，最終系統(tǒng)流程如圖3所示，實施方案如圖4所示，實施效果如圖5所示。系統(tǒng)主要由PLC控制器、油箱、補油泵馬達泵組件、配水泵馬達泵組件、配油泵馬達泵組件、控制閥塊組件等組成。PLC控制器收到各傳感器的反饋后，控制各電磁閥的通斷以及比例流量閥的開口大小，最終達到乳化液的精確配比，解決了乳化液配比濃度不精確的問題。在實際生產過程中，所配置的乳化液濃度一直保持在設定值3.5%左右，符合預期要求。

圖3 系統(tǒng)流程

圖4 實施方案

圖5 實施效果

4 結論

將系統(tǒng)化的TRIZ理論和工具應用到實際工程中亟待的發(fā)明問題，取得了良好的效果?；谖闹蟹桨傅某晒Γ瑢⑵鋺糜诰乱簤褐Ъ芑爻酚玫囊苿颖谜?，其濃度配比精準，安全可靠，只需一次設置即可。接通水源和油桶之后，可實現(xiàn)配液的無人值守，真正減少了工人勞動強度，增加了配比可靠性、精準性，具有重大經(jīng)濟效益與社會效益。