利用TRIZ創(chuàng)新方法提高智能干選機(jī)矸石分離率

張偉，徐鋒，劉永睿，于福龍

（1.丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧丹東 118000；2.遼寧省科學(xué)技術(shù)館，遼寧沈陽(yáng) 110167）

1 研究背景

中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)推動(dòng)倡導(dǎo)大力發(fā)展干法選煤技術(shù)，助力煤炭清潔高效發(fā)展，以替換落后的人工及重介選煤工藝?，F(xiàn)有人工及重介選煤存在低效、人員易得塵肺病、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。我國(guó)煤礦主要分布于西部地區(qū)，干旱缺水是西部的共性，而重介選煤存在高能耗、水污染等嚴(yán)重問(wèn)題。我國(guó)大力推進(jìn)高效、節(jié)能、減排技術(shù)，干法選煤機(jī)可淘汰落后的生產(chǎn)工藝，從源頭上提高煤炭的品質(zhì)和生產(chǎn)效率，減少能源消耗，降低二氧化碳等污染的排放。但現(xiàn)有的干選機(jī)存在煤矸分離率低的難題，影響精煤品質(zhì)。如何在不影響效率的情況下提高矸石分離率，是我們現(xiàn)階段需要攻克的難題[1-5]。

2 初始問(wèn)題形式分析

2.1 當(dāng)前系統(tǒng)功能及組成

功能：分離矸石。組成： 噴氣嘴、電磁閥、閥座、氣管、氣源裝置、空氣。

2.2 當(dāng)前系統(tǒng)工作原理

采用X 射線辨識(shí)輸送帶上的煤和矸石，判斷矸石的形狀及速度，并開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的噴嘴，通過(guò)噴吹高壓空氣來(lái)改變矸石移動(dòng)軌跡，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)矸石的分離。

2.3 當(dāng)前系統(tǒng)的主要問(wèn)題

分選出來(lái)的精煤中含有部分矸石沒(méi)有分離。

3 運(yùn)用TRIZ工具分析

3.1 功能分析

通過(guò)功能分析，明確功能對(duì)象，掌握組成部分的各種功能，明確各項(xiàng)功能之間的相互作用關(guān)系。

a)功能分析——組件分析：當(dāng)前作用對(duì)象是矸石。技術(shù)系統(tǒng)是空氣、噴氣嘴、氣管、電磁閥、閥座、氣源裝置。超系統(tǒng)是輸送裝置、X 射線識(shí)別系統(tǒng)、矸石料斗。見(jiàn)圖1。

圖1 組件分析

b)功能分析——相互作用分析表，見(jiàn)表1，通過(guò)相互作用分析表掌握各組件之間的相互作用關(guān)系。

表1 相互作用分析表

c)功能分析——功能模型表，見(jiàn)表2。通過(guò)功能模型表，對(duì)各組件的功能進(jìn)行分析，并劃分等級(jí)予以評(píng)分。

表2 功能模型表

d)功能分析——功能模型分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析和測(cè)量系統(tǒng)分析，建立組件模型分析圖，定義組件和超系統(tǒng)組件，如圖2所示，從圖中可以看出矸石為研究對(duì)象，在分離矸石的過(guò)程中，氣管降低氣體流速，所以氣管對(duì)空氣產(chǎn)生有害作用。

圖2 功能模型分析

通過(guò)裁剪法，得到方案（1）：去除氣管，將閥座和噴氣嘴直連[1-3]。

3.2 IFR 最終理想解

最終理想結(jié)（IFR）是對(duì)發(fā)明問(wèn)題的最好解決方案模型。它使系統(tǒng)完全消除了問(wèn)題，沒(méi)有讓系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生惡化，且對(duì)系統(tǒng)的改變最小[4-5]。

最終理想解是解決方案的模型，可以指引我們?nèi)ソ鉀Q發(fā)明問(wèn)題。在解決問(wèn)題之初，先拋開(kāi)各種客觀限制條件，把最終理想結(jié)作為終極追求目標(biāo)[6]。

以系統(tǒng)的作用對(duì)象（又稱制品、目標(biāo)）入手來(lái)定義，定義的IFR 應(yīng)用“自身”或“自我實(shí)現(xiàn)”的字眼[7]。見(jiàn)表3。

表3 最終理想解

通過(guò)最終理想解，得到方案如下：

方案（2）用篩分再破碎的方式，將大塊矸石破碎變小。

方案（3）用機(jī)械手移除大塊矸石。

方案（4）用機(jī)械彈指的方式改變大塊矸石的移動(dòng)軌跡。

3.3 九屏幕法

通過(guò)系統(tǒng)過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)，利用九屏幕法分析系統(tǒng)，如圖3所示。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行查找，得到如下解決方案[8-9]。

圖3 九屏幕法

方案（5）：引入廢棄的細(xì)小矸石顆粒，噴吹、撞擊需分離的矸石。

方案（6）：增大氣動(dòng)系統(tǒng)壓力，增加噴吹壓力。

方案（7）：增大氣動(dòng)系統(tǒng)流量，并將電磁閥換成電磁比例節(jié)流閥，可根據(jù)矸石大小，調(diào)整噴吹力。

方案（8）：增加可自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)調(diào)整角度的噴嘴。

3.4 因果分析

因果分析是TRIZ 方法中尋找工程問(wèn)題根本原因的主要工具。通過(guò)深入工程問(wèn)題，層層分析，最終找到關(guān)鍵原因[10]。從組件功能模型分析建立因果鏈，造成煤矸的主要原因如圖4所示。

圖4 因果分析

4 運(yùn)用TRIZ工具解決

4.1 矛盾分析

a)運(yùn)用技術(shù)矛盾一，根據(jù)因果鏈分析中的1.2.2.1.1，解決的是氣管太長(zhǎng)，管路氣壓損失大，導(dǎo)致噴吹力不足的問(wèn)題。如果將電磁閥至噴嘴的氣管變短，那么管路氣壓損失小，但管路過(guò)短，管路折彎費(fèi)力。將問(wèn)題模型標(biāo)準(zhǔn)化為對(duì)應(yīng)的39 個(gè)通用工程參數(shù)：改善的是NO.4 靜止物體的長(zhǎng)度，惡化的參數(shù)NO.32 可制造性。通過(guò)查矛盾矩陣表得出可使用的發(fā)明原理有：NO.15 動(dòng)態(tài)特性、NO.17 多維化、NO.27 廉價(jià)替代品。根據(jù)矛盾分析，可使用NO.17 多維化，利用給定表面的反面[11]，得到如下方案。

方案（9）：將上下布置的電磁閥按左右布置，可減少下方電磁閥至噴嘴的氣管長(zhǎng)度，減少氣壓損失。

b)運(yùn)用物理矛盾一，解決連接氣管既要長(zhǎng)又要短的問(wèn)題。如果連接氣管長(zhǎng)，那么氣管安裝空間充足，但會(huì)增加噴嘴噴吹延時(shí)時(shí)間。如果連接氣管短，那么可以縮短噴嘴噴吹的延時(shí)時(shí)間，但氣管安裝空間不足。采用條件分離原理得到如下方案[12]。

方案（10）：電磁閥分時(shí)開(kāi)啟，長(zhǎng)氣管的電磁閥先開(kāi)啟，短氣管的電磁閥后開(kāi)啟。

c)運(yùn)用技術(shù)矛盾二，根據(jù)因果鏈分析中的1.2.1.1.1，解決的是尼龍管耐壓小，氣動(dòng)系統(tǒng)壓力小，導(dǎo)致噴吹力不足的問(wèn)題。如果將尼龍氣管耐壓提高，那么系統(tǒng)壓力可以增高，但尼龍管壁厚增加，安裝空間需更大。將問(wèn)題模型轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的39 個(gè)通用工程參數(shù)：改善的是NO.11 壓力，惡化的參數(shù)NO.32 可制造性。通過(guò)查矛盾矩陣表得出可使用的發(fā)明原理有：NO.1 分割原理、NO.35 參數(shù)改變?cè)怼O.16 未帶到或作用過(guò)度原理。根據(jù)矛盾分析，可使用NO.1 分割原理，把一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分[13]，得到如下方案。

方案（11）將氣管集成到閥座內(nèi)，可以提高管路耐壓，再將閥座分割加工。

方案（12）將尼龍氣管改為鋼管，提高耐壓。

d)運(yùn)用物理矛盾二，解決氣管耐壓既要小又要大的問(wèn)題。如果氣管耐壓小，可用PVC 快插氣管，那么安裝空間小，但系統(tǒng)壓力無(wú)法提高。如果氣管耐壓大，需用壁厚大的管，那么系統(tǒng)壓力可以提高，但是安裝空間大。采用條件分離原理得到如下方案[14]。

方案（13）將氣管集成到閥座內(nèi)部。

4.2 物-場(chǎng)分析

用物-場(chǎng)分析法對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行分析并改進(jìn)當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)的功能。

當(dāng)前系統(tǒng)物場(chǎng)模型的技術(shù)系統(tǒng)是，在煤矸分選機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，用噴氣嘴將矸石噴吹至矸石箱中，但部分矸石無(wú)法落入矸石箱中。當(dāng)前系統(tǒng)的問(wèn)題是煤矸石分離過(guò)程中效果不理想，矸石無(wú)法落入矸石箱中。當(dāng)前的物S1 是矸石，物S2 是空氣，場(chǎng)F 是機(jī)械場(chǎng)?？諝釹2 利用機(jī)械場(chǎng)F 作用于矸石S1。因?yàn)榭諝釹2 無(wú)法利用機(jī)械場(chǎng)F 將大塊矸石S1 噴吹分離，所以空氣S2 作用于矸石S1 是一個(gè)效應(yīng)不足的完整模型。

利用76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解引入場(chǎng)S2.1 向符合物場(chǎng)模型進(jìn)化中的S2.1.1 引入物質(zhì)向串聯(lián)式物場(chǎng)模型進(jìn)化。增加新的動(dòng)力場(chǎng)F2 和新物質(zhì)矸石顆粒或水S3,利用原有氣動(dòng)場(chǎng)給矸石顆?；蛩粋€(gè)初始動(dòng)能，再撞擊矸石，改變矸石下降軌跡，得到如下方案。

方案（14）引入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的廢水，噴吹、撞擊需分離的矸石。增加機(jī)械場(chǎng)的能量。

利用76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解引入場(chǎng)S5.2 中的S5.2.1，首先應(yīng)用物質(zhì)所含有的載體中已存在的場(chǎng)。增加新的場(chǎng)F2第二個(gè)噴吹孔，增強(qiáng)噴吹力，改變矸石下降軌跡，得到如下方案。

方案（15）增加新的機(jī)械場(chǎng)，雙噴氣嘴，增加噴吹動(dòng)能。

4.3 科學(xué)效應(yīng)庫(kù)

a)問(wèn)題分析：開(kāi)采的煤中含有矸石，在選煤過(guò)程中，控制矸石的移動(dòng)，使矸石與煤分離。

b)確定功能：控制矸石的移動(dòng)。

c)查找科學(xué)效應(yīng)：查找TRIZ 的功能代碼表，對(duì)應(yīng)的代碼是F6—控制物體移動(dòng)。對(duì)應(yīng)的科學(xué)效應(yīng)有：磁力、電子力、壓強(qiáng)、浮力、振動(dòng)等。

d)效應(yīng)取舍：經(jīng)過(guò)對(duì)以上效應(yīng)的分析，“振動(dòng)的離析作用和振動(dòng)的慣性力” 可以改變矸石的移動(dòng)軌跡。

e)方案驗(yàn)證：矸石和煤的密度不同，利用帶隔板的振動(dòng)平臺(tái)，低密度的煤在重力作用下沿平臺(tái)表面下滑，高密度的矸石在激振力驅(qū)動(dòng)下向遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)。

f)解決方案：用振動(dòng)的方法改變矸石的移動(dòng)。

根據(jù)科學(xué)效應(yīng)庫(kù)的分析得到如下方案。

方案（16）利用帶隔板的振動(dòng)平臺(tái)，對(duì)不同密度的矸石和煤進(jìn)行激振，低密度的煤在重力作用下沿平臺(tái)表面下滑，高密度的矸石在激振力驅(qū)動(dòng)下向遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)。

5 方案評(píng)估

從綜合成本、可靠性、可維護(hù)性、易加工性、創(chuàng)新性5 個(gè)方面，進(jìn)行方案評(píng)估與打分。對(duì)最終分?jǐn)?shù)最高的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終方案采用方案1、6、9、10 相結(jié)合的方式。

6 解決方案實(shí)施情況

目前改進(jìn)后的智能干選系統(tǒng)已在河南能化某百萬(wàn)噸產(chǎn)量的煤礦試用，運(yùn)行良好。原系統(tǒng)分選效果不夠理想，矸石分離率達(dá)到85%，改進(jìn)后技術(shù)指標(biāo)明顯提升，矸石分離率達(dá)到95%，達(dá)到了預(yù)期效果。

7 結(jié)語(yǔ)

本文基于TRIZ 方法對(duì)智能干選機(jī)的噴吹機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，能夠更好地提高矸石的分離率，滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)要求，提高精煤比例，提高煤炭品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。