基于TRIZ理論之物——場模型分析法優化自動供水系統

謝鵬波

廣州工程技術職業學院，廣東廣州 510725

0 引言

本校學生宿舍全自動供水系統是機電儀等設備的高效集成。由于使用年限比較長，后來經常間歇性供水故障。如何有效排除這一故障，筆者對系統現場進行全面檢查、分析，準確判斷了故障的部位，并按TRIZ理論中物―場分析原理，對系統進行了優化改造，徹底解決了間歇性供水問題。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ內容簡介

TRIZ理論是研究解決發明問題的系統化方法學。是Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫，意思為“發明問題解決理論”。TRIZ理論認為：任何技術（人工）系統都是按客觀規律進化的，系統進化客觀規律可以被人們發現、認知和利用。TRIZ理論由進化法則、最終理想解、40個發明原理、39個工程參數和矛盾矩陣、物理矛盾的分離原理、物－場分析模型、76個標準解、發明問題解決算法和知識效應庫等九個部分。

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，該理論認為實現一個完整功能有三個基本元件。兩個物質和一個場是最小的具有工作能力的可控技術系統模型。TRIZ理論中的物－場模型如圖1。S1和S2為產生相互作用的兩個物質，F是物質之間的效應（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，可能缺少物質或者是缺少場，系統不能達到預期效果的；“效應不足的完整模型”，系統雖然三個元素齊全，但沒能實現希望的效應或效應實現得不足夠；“有害效應的完整模型”，有三元素，但產生的效應與所希望的效應相反或是有害效應。

1.3 物-場分析應用步驟

物－場分析解題模式主要是借助物--場分析和標準解,從技術系統的結構角度出發,最終為待解問題找到最終解決方案。物場分析應用過程如圖2所示。

圖2 物-一場分析的解題模式

對技術系統進行改進主要根據問題情形，描述相關元素間的作用、確定作用的程度，構建問題物－場模型，根據不同情況，從76個標準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方式，選擇最終理想解，制訂最終解決方案。

2 供水系統工況

2.1 供水系統結構及工作原理

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

該系統工作過程是：當儲水管中的壓力達到0.2MPa時,泵組中的泵組自動啟動，為小區供水；當儲水罐的壓小小于0.2MPa時，泵組自動停止運轉，小區將沒有自來水供應；當小區用小量減少時，系統通過變頻系統控制離心泵轉速，維持輸出正常水壓和水量。

圖3 宿舍小區供水系統流程圖

2.2 供水系統故障及分析

系統經常出現間歇性供水現象，技術人員進行了“匯診”，從泵組故障、控制系統故障、安全閥泄漏、市政自來水系統等方面進行了分析。筆者認為，該系統故障發生在進口閥至儲水罐內進口管出水處之間，制訂了對該段進行拆卸檢查的故障排除方案。拆卸該段零構件時，發現在進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，直接影響進水速度，引發故障。

3 利用物-場分析，優化供水系統

3.1 建立該系統故障部位物-場模型

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

圖4 浮球閥物-場模型

分析2：根據供水系統的工作原理，確定相關元素為：S1-水；S2-浮球閥；F-水流動力。分析三元素之間的關系，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“分析一”所建立的圖4物－場模型。該系統屬于物-場模型中“效應不足的完整模型”，標準解法可用解法4、解法5和解法6。根據實際情況，修復浮球，浮球為物場3，產生浮力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“分析二”所建立的圖5物－場模型。該系統屬于有害效應的完整物-場，通過分析，標準解法可用簡化改進系統之解法67、解法9。根據實際情況，采用管道直接替代浮球閥的解法來簡化系統，其物－場模型如圖7，S 3為新物質進口管管口。

圖6 增加1個物質，產生另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，如果修復浮球，系統短時間內將能正常使用，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。使用解法二使系統得到簡化，徹底消除進水速度慢的問題，解決該系統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 結論

實施本優化方案后，學校宿舍小區供水系統故障得到解決。在技術問題上，利用物－場模型分析原理，將需要解決的問題轉化為物－場模型，通過分析其所屬類型，按照TRIZ解題步驟，可以有效解決復雜的問題。

[1]顏惠庚，李耀中.技術創新方法入門——TRIZ基礎[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2]趙新軍.技術創新理論(TRIZ)及應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3]楊清亮.發明是這樣誕生的[M].北京：機械工業出版社，2009.