TRIZ理論在實(shí)現(xiàn)磁懸液配制充分?jǐn)嚢鑶?wèn)題中的應(yīng)用

摘要：TRIZ是解決創(chuàng)造性問(wèn)題的理論和方法， 目前已經(jīng)成為國(guó)外質(zhì)量界開(kāi)始研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)使用TRIZ功能模型、因果分析、技術(shù)矛盾和物場(chǎng)模型等工具，探討TRIZ方法在實(shí)現(xiàn)磁懸液配制充分?jǐn)嚢鑶?wèn)題中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TRIZ；功能分析；技術(shù)矛盾；物場(chǎng)模型

TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品[1]。

如圖1所示，TRIZ工程問(wèn)題解決的流程為將待解決的工程問(wèn)題的分析過(guò)程，轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ的問(wèn)題模型，然后應(yīng)用TRIZ解決問(wèn)題模型，提出解決方法，并將解決方案落實(shí)到實(shí)際問(wèn)題中。本文以解決鑄型刮砂成型過(guò)程中型砂坍塌問(wèn)題為例，討論TRIZ理論在解決工程問(wèn)題中的應(yīng)用。

1 問(wèn)題描述

大型鑄鋼件表面缺陷通常采用磁粉濕法探傷，為保證噴灑至鑄件表面的磁懸液基底中磁粉粒子同時(shí)具有良好的流動(dòng)性和顯像效果，配制及取用的磁懸液需要適宜的濃度。磁懸液攪拌設(shè)備采用機(jī)械攪拌的方式使磁粉能夠均勻分散在水基載體中，但由于磁粉粒子因自身重力而下沉，且液體中各處的攪拌強(qiáng)度不同，導(dǎo)致同一桶中不同深度處或是不同部位處抽取的磁懸液濃度差異較大，影響磁粉探傷檢測(cè)準(zhǔn)確性。如何保證磁懸液濃度的均勻性，成為當(dāng)務(wù)之急。

2 問(wèn)題分析

2.1功能分析

為實(shí)現(xiàn)磁懸液的攪拌均勻，使用磁粉攪拌設(shè)備攪拌，該設(shè)備由攪拌機(jī)構(gòu)（電機(jī)、傳動(dòng)軸、葉片）、配液桶、水、磁粉、稱(chēng)量桶等部件組成，如圖2所示。將磁粉和水按規(guī)定的比例分別加入攪拌桶中，通過(guò)攪拌機(jī)構(gòu)將其充分?jǐn)嚢韬螅褂美嫘纹坎蓸訙y(cè)定濃度，若在濃度范圍內(nèi)即可使用，否則需要對(duì)磁粉或水基載體進(jìn)行調(diào)整。

該磁懸液攪拌系統(tǒng)的作用對(duì)象是磁懸液，各組件之間的相互關(guān)系以及作用為：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)攪拌葉片，攪拌葉片攪拌磁懸液，液料桶容納磁懸液，液料桶支撐電動(dòng)機(jī)，梨形瓶稱(chēng)量磁粉。超系統(tǒng)組件與系統(tǒng)組件的相互關(guān)系與作用為：空氣（環(huán)境）改變磁懸液溫度，噴壺盛裝磁懸液，磁懸液噴灑在鑄件上，磁場(chǎng)磁化磁懸液，相互作用如圖3所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于電機(jī)對(duì)傳動(dòng)軸固定不穩(wěn)定，導(dǎo)致傳動(dòng)軸在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中擺動(dòng)幅度大，葉片容易撞擊到桶壁，造成葉片的損壞。另外由于葉片對(duì)液料的攪拌強(qiáng)度不足，導(dǎo)致液料不均勻。

2.2因果分析

磁懸液攪拌過(guò)程中，磁懸液不均勻的原因可使用圖4所示的因果鏈分析，由于攪拌強(qiáng)度的不足，導(dǎo)致磁粉不均勻，究其根本原因有兩點(diǎn)：其一是電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸太長(zhǎng)，導(dǎo)致攪拌葉片水平擺動(dòng)幅度大，降低攪拌葉片的速度，從而提供的攪拌力不足；其二是攪拌葉片數(shù)量太少。

3 問(wèn)題解決

3.1技術(shù)矛盾

所謂技術(shù)矛盾是指用已知的原理和方法改進(jìn)系統(tǒng)某部分或某些參數(shù)時(shí)，不可避免地出現(xiàn)系統(tǒng)的其它部分或參數(shù)變壞的現(xiàn)象[2]。例如：質(zhì)量和強(qiáng)度、汽車(chē)的速度和燃料耗費(fèi)等等。

A1tshuller 通過(guò)對(duì)大量發(fā)明專(zhuān)利的研究，抽象出39 項(xiàng)產(chǎn)生系統(tǒng)矛盾對(duì)立的典型技術(shù)特性，又在此基礎(chǔ)上給出了40 個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理[2]，提示設(shè)計(jì)者最有可能解決問(wèn)題的方法，成為解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。

在本文研究的問(wèn)題中，針對(duì)根本原因“攪拌葉片數(shù)量少”，采取增加攪拌葉片的數(shù)量，如圖5，從而提出技術(shù)矛盾如下。

技術(shù)矛盾1：增加攪拌葉片數(shù)量，葉片攪拌磁懸液的力就會(huì)增加，磁粉濃度均勻性提升，但是攪拌葉片的擺動(dòng)幅度就會(huì)更大，容易損壞攪拌葉片和液料桶；

技術(shù)矛盾2：不增加攪拌葉片數(shù)量，攪拌葉片的擺動(dòng)幅度就會(huì)不變大，也不會(huì)更容易損壞攪拌葉片和液料桶，但是葉片攪拌磁懸液的力就不會(huì)增加，磁粉濃度均勻性差。

從以上技術(shù)矛盾中找到改善的技術(shù)參數(shù)是10“力”，惡化的技術(shù)參數(shù)是31“物體產(chǎn)生的有害因素”。為了解決這一矛盾，對(duì)照阿奇舒勒矛盾矩陣[1]，提供了4種發(fā)明原理，分別為3“局部質(zhì)量原理”、13“反向作用原理”、24“借助中介物原理”、36“相變?cè)怼薄Ｍㄟ^(guò)對(duì)這些原理的比較，從發(fā)明原理3中提出概念方案1：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸下方增加限位工裝，減少攪拌葉片水平方向的擺動(dòng)，增加垂直方向的攪拌葉片；概念方案2：配料桶中不加磁粉，在配料桶出口處增加磁粉加入裝置，取樣的過(guò)程中，利用水的流動(dòng)攪拌磁粉，達(dá)到均勻的目的；從發(fā)明原理13中提出概念方案3：電動(dòng)機(jī)安裝在配料桶下方，在液料桶底部增加攪拌葉片數(shù)量；概念方案4：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)配料桶旋轉(zhuǎn)，攪拌葉片不旋轉(zhuǎn)，增加攪拌葉片數(shù)量；從發(fā)明原理24中提出概念方案5：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸下方增加限位工裝，減少攪拌葉片水平方向的擺動(dòng)，并且增加攪拌葉片數(shù)量。

3.2物理矛盾

在一個(gè)系統(tǒng)中，任何問(wèn)題均可以嘗試運(yùn)用物理矛盾進(jìn)行分析和解決，基于物理矛盾和技術(shù)矛盾的密切關(guān)系，可以從技術(shù)矛盾中提煉物理矛盾，從另外角度思考解決方案。本文研究的問(wèn)題中，針對(duì)根本原因“攪拌葉片數(shù)量少”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：為了滿足磁懸液攪拌充分，攪拌葉片的數(shù)量要多；

物理矛盾2：為了滿足攪拌系統(tǒng)的水平擺動(dòng)小，攪拌葉片的數(shù)量要少。

本文針對(duì)攪拌葉片的數(shù)量，提出了相反要求的物理矛盾，基于“空間分離原理”提出概念方案6：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸下方攪拌葉片尺寸大，上部攪拌葉片尺寸小；概念方案7：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸下方攪拌葉片密度大，上部攪拌葉片密度小。

3.3剪裁

剪裁是一種現(xiàn)代TRIZ理論分析問(wèn)題的工具，是指將一個(gè)或一個(gè)以上的組件去掉，而將其所執(zhí)行的有用功能利用系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的剩余組件來(lái)替代的方法[3]。

在本文研究的問(wèn)題中，功能模型如圖3，電機(jī)對(duì)傳動(dòng)軸固定不穩(wěn)定，葉片對(duì)液料的攪拌強(qiáng)度不足，導(dǎo)致磁懸液濃度不均勻。利用剪裁的思路，提出概念方案8：剪裁掉攪拌葉片、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)等，改用氣動(dòng)攪拌的方式攪拌磁懸液；概念方案9：剪裁掉攪拌葉片、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)等，液料桶旋轉(zhuǎn)90°，使其自己轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌均勻；概念方案10：剪裁掉攪拌葉片、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)、液料桶等，使用小噴壺替代電動(dòng)機(jī)攪拌系統(tǒng)，每次使用前，小壺加入定量的磁粉和水，使用手動(dòng)搖晃促使磁懸液均勻。

3.4物場(chǎng)模型

物場(chǎng)模型是TRIZ對(duì)與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題建立模型的工具，是技術(shù)系統(tǒng)中最小的單元，由兩個(gè)元素以及兩個(gè)元素間傳遞的能量組成，執(zhí)行一個(gè)功能。Altshuller把功能定義為兩個(gè)物質(zhì)（元素）與作用于它們中的場(chǎng)（能量）之間的交互作用，也就是物質(zhì)S2 通過(guò)能量F 作用于物質(zhì)S1產(chǎn)生的輸出（功能）[4]，如圖6 所示。

物場(chǎng)模型在解決效應(yīng)不足的問(wèn)題時(shí)，提供的一般解法有3種：1）增加另外一個(gè)場(chǎng)F2（或者F2和S3一起）替代原來(lái)的場(chǎng)F1（或者F1及S2）；2）增加另外一個(gè)場(chǎng)F2來(lái)強(qiáng)化有用的效應(yīng)；3）插進(jìn)一個(gè)物質(zhì)S3并加上另一個(gè)場(chǎng)F2來(lái)提高有用效應(yīng)[1]。

在本文研究的問(wèn)題中，針對(duì)攪拌葉片S2對(duì)磁懸液S1的攪拌作用不充分，導(dǎo)致磁粉在液料中濃度不均勻、刮板對(duì)樹(shù)脂砂的作用不充分，利用物場(chǎng)模型進(jìn)行分析，建立物場(chǎng)模型如圖7所示，攪拌葉片通過(guò)機(jī)械場(chǎng)對(duì)磁懸液有攪拌的作用，但是此作用不充分，屬于效應(yīng)不足的完成模型，應(yīng)用物場(chǎng)模型-標(biāo)準(zhǔn)解2.2.5構(gòu)造場(chǎng)，利用異質(zhì)的或可調(diào)的有組織結(jié)構(gòu)的場(chǎng)代替同質(zhì)的或非組織結(jié)構(gòu)的場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)物場(chǎng)模型，提出概念方案11：用壓縮空氣通入的方法，增強(qiáng)磁懸液的攪拌效果，將壓縮空氣管從液料桶底部接入，并且通過(guò)葉輪的攪動(dòng)促進(jìn)磁懸液的混合；概念方法12：選取一種可控性好的攪拌裝置，例如磁場(chǎng)攪拌代替機(jī)械攪拌的方法，能更加充分的使磁粉和液料混合均勻。

3.5方案評(píng)價(jià)

從消除矛盾、產(chǎn)生新的危害、投入成本、復(fù)雜性以及可行性5個(gè)方面，按照0/1/2三個(gè)等級(jí)，分值越大代表越有利于消除矛盾，產(chǎn)生的新危害越小，投入的成本越低，系統(tǒng)越簡(jiǎn)單，可行性越高，對(duì)以上解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)5種解決方案進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。如表1所示，得分最高的方案8為優(yōu)選方案，其次是方案11、方案5、方案1、方案9。

采用概念方案5，設(shè)置如圖8氣動(dòng)攪拌裝置，包括電機(jī)1、鼓風(fēng)機(jī)2、氣壓表3、進(jìn)氣軟管4、盤(pán)旋型進(jìn)氣管5、攪拌桶6、蓄水池7、抽水泵8、進(jìn)水閥門(mén)9、進(jìn)水管10、出水閥門(mén)11、出水管12、進(jìn)料口13、水位刻度表14，對(duì)磁懸液配料系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)攪拌替代目前電動(dòng)攪拌系統(tǒng)，解決了磁懸液濃度不均勻的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文通過(guò)應(yīng)用TRIZ基本理論，結(jié)合磁懸液配料系統(tǒng)攪拌不均勻的問(wèn)題，探討了如何利用TRIZ分析工具分析實(shí)際問(wèn)題，并且轉(zhuǎn)化成TRIZ問(wèn)題模型，然后利用TRIZ工具解決問(wèn)題，對(duì)此問(wèn)題提出解決方案，最后通過(guò)各方案的評(píng)價(jià)篩選出最優(yōu)的解決方案。

責(zé)編/劉紅偉

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