TRIZ理論在減少冷軋管材表面油污量方面的應用

文/寧夏東方鉭業股份有限公司　李永林寧夏科技發展戰略和信息研究所　韓博

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TRIZ理論在減少冷軋管材表面油污量方面的應用

文/寧夏東方鉭業股份有限公司李永林
寧夏科技發展戰略和信息研究所韓博

摘要：為減少冷軋管材表面的油污含量，利用TRIZ理論在系統內找到了理想解，相比較而言，此方案具有成本低廉、操作簡便、材料易于獲取、無污染、反復多次利用等特點，對于顯著降低管材表面的油污含量具有重要意義，更重要的是本文探索了TRIZ理論在冷軋管機除油方面的應用，豐富了工程材料表面除油研究的方法。

關鍵詞：TRIZ理論；冷軋管材；表面油污

引言

鈦及鈦合金管材作為一種先進的輕量化結構材料，因其密度小、比強度高、耐腐蝕性好、疲勞強度和抗裂紋擴展能力好、綜合性能優異，因此被廣泛應用于化工、航空航天、艦船等領域[1-10]。在鈦及鈦合金無縫管冷軋過程中要使用氯化石蠟、機油的混合液進行工藝潤滑，這樣軋制后的管材表面就粘附著大量的油污，需要進行后續的超聲波清洗、酸洗（或煤油洗）工序除油。由于目前國內采用的除油裝置比較簡單，除油效果不好，還帶來了許多負面影響，造成冷軋管材表面的油污量較多，不但加大了軋制潤滑劑的損失，還造成后續清洗、酸洗工序的壓力。如何通過理想的方案顯著減少冷軋管材表面的油污含量，對于降低潤滑材料的消耗，提高后續清洗、酸洗生產效率具有重要意義。

本文利用TRIZ理論提出了兩個解決減少冷軋管材表面的油污量的有效方案，這不僅為解決冷軋管材表面的油污量問題提出了兩個可行方案，更重要的是探索了TRIZ理論在冷軋管機除油研究方面的應用，這對于豐富和完善工程材料表面除油研究方法起到了重要意義。

1　初始問題描述

1.1工作原理

目前國內周期式兩輥冷軋管機配備的除油裝置主要由出料口、導向孔、支架、密封圈組成。帶有空腔的出料口支撐著支架，支架固定密封圈，密封圈摩擦分離管材表面的油污。管材按2mm/次向前移動，同時順時針旋轉57°，如圖1所示。

圖1　除油裝置結構示意圖

1.2主要問題

密封圈摩擦的這種除油方式，由于密封圈不能吸油、而且密封圈不能和管材表面緊密接觸，這樣造成整體除油效果不明顯。在管頭通過密封圈時，由于有些管頭有開叉和嚴重抖動的現象，造成了管頭頂到密封圈上面，造成管材彎曲、無法通過的質量事故，不但影響產品質量，還造成設備故障。因此，希望通過除油系統的改進或調整，顯著減少管材表面的油污，甚至沒有油污。這對于冷軋無縫管是一次很大的技術提升，具有重要的意義。

圖2　冷軋管機除油系統的九屏圖

1.3限制條件：

為使裝置可行，并能得到可行方案，對設備（方案）提出理想化的限制條件，以便得到理想的結果。

（1）裝置易于安裝，不增加系統的復雜度，不影響管材的質量。

（2）成本低廉，物件易于獲取，無污染。

（3）裝置易于拆除，可反復多次利用。

2 目前解決方案、存在問題

目前美國的Meer冷軋管機裝配的專用除油裝置效果非常好，管材表面幾乎沒有油污，但是該技術對國內保密。

東方鉭業公司使用的兩輥冷軋管機是國內設計、制造軋管機最先進的西安重型機械研究所仿制美國Meer高速軋機，代表了國內兩輥冷軋管機的最高水平，但是管材表面的除油效果依然不好。

國內其他軋管機生產廠家配備的除油裝置與西重所采用的除油裝置大同小異，都是采用物理接觸的方式除油，除油效果依然不明顯，而且帶來了影響管材表面質量、除油裝置故障多的問題。

3　TRIZ解題流程

3.1系統分析

3.1.1九屏圖分析

利用九屏圖分析問題，結果如圖2所示。

由圖2可知，可以利用當前系統的未來資源下料架，在其上鋪設一層吸油材料，吸收管材表面的油污。還可以利用超系統的資源壓縮空氣，利用壓縮空氣吹走管材表面的油污。

3.1.2生命曲線

國外的除油方式處于技術保密狀態，國內普遍采用物理接觸，依靠摩擦和吸附的方式除油，效果不好，而且負作用多。國內查詢不到相應的專利，而且也沒有專門的廠家制造除油裝置，所以冷軋管機除油系統應該處于嬰兒期。如圖3所示。

圖3　冷軋管機除油系統的生命曲線圖

3.1.3因果鏈分析

圖4為造成管材表面油污多的因果鏈，從圖中可以明顯得出，造成管材表面油污多的主要原因是：密封圈與管材表面未充分接觸，密封圈不吸油。

圖4　管材表面油污多的因果鏈

圖5　冷軋管機除油系統功能結構圖

表1　系統的IFR

表2　保留的3個創新原理及對本項目的啟示

3.1.4功能分析

圖5為冷軋管機除油系統功能結構圖，從圖中可以明顯看出，密封圈對油污的去除作用不足，導致冷軋管機除油系統效率低下，管材表面油污較多。

3.2資源分析

（1）可利用物質資源：

軋輥、機架、齒輪、齒條、連桿、噴油管、壓縮空氣、出料口、導向孔、支架、密封圈、管材、芯棒。

（2）可利用能量資源：

機械能、勢能、壓縮空氣、電能。

（3）可利用信息資源：

轉速、送進量、軋制速度、軋制尺寸變化。

（4）可利用空間資源：

機架的空間、機架到刮料裝置的距離，出料口到下料架的距離、下料架和料架的空間。

（5）可利用時間資源：

兩輥冷軋管機的機架是水平方向前后往復做周期運動。

（6）可利用結構資源：

機架結構、噴油機構、刮料裝置、下料架、撥料機構。

（7）可利用系統資源：

軋管機潤滑、轉動、送進、回轉系統。

3.3理想解及TRIZ工具

3.3.1理想解

系統IFR定義見表1。

主要原因是：目前的除油方式效率低下。據此，推測可利用的資源應為：除油裝置、機架、軋輥、管子、芯棒、噴油管等。

3.3.2運用TRIZ工具

（1）運用技術矛盾解決方法提出原理解

①原問題技術矛盾：

改善：選用高彈性、高吸附性的密封圈，增加與管材表面的接觸面積，提高除油效果；

惡化：管頭容易產生堵塞、頂料等質量事故。

②問題模型

對應的39個通用工程參數

改善的參數：26物質的量

惡化的參數：30外來有害因素。

③解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為4個，經篩選，保留3個創新原理（表2）：

（2）運用物理矛盾解決方法提出原理解

①物理矛盾：

管材與密封圈的間距，既要小，又要大。

②物理矛盾分離法：

時間分離。

③解決方案模型

將密封圈拆分為兩個柔性的半圓，在管頭即將進入密封圈的時候，取下密封圈，管頭通過后將兩個柔性半圓的密封圈再安裝上去。

（3）運用物-場模型分析提出原理解

①在密封圈前面增加一個吸附圈。

②在密封圈前面利用壓縮空氣增加一個熱風場，降低油污的黏度，降低油污與管材的粘附力。

4最終方案

最終方案①如圖5所示，利用廢舊的塑料軟管，當管頭通過后，在管子上逆時針纏繞幾圈，隨著管子順時針旋轉和前進，塑料軟管和管材表面緊密接觸，而且軟管帶有弧形且非常光滑，油污依靠重力和旋轉力很快滴落，除油效果非常顯著。

最終方案②就是將工藝潤滑的噴油管從機架的前置噴油改為機架后置噴油，利用機架的前后周期式往返運動、孔型開—閉的特點，從而使管材表面沒有一點油污。

相比方案①，方案②更具有重要意義，能實現真正意義上的自動清除油污的目的，也就達到了最終理想解的目標。

責編/劉紅偉

圖6　最終方案示意圖

參考文獻

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基金項目：國家創新方法工作專項（2013IM021600）.