基于TRIZ方法的臺車爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)研發(fā)

王 剛

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

1 項(xiàng)目介紹

太原重工股份有限責(zé)任公司鍛造分公司目前在職員工398人，其中取得中級職稱的占36.4%；目前公司擁有各種井式和臺車式熱處理爐窯24臺，主要產(chǎn)品：3MW～1000MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，汽輪機(jī)高壓、低壓轉(zhuǎn)子，6MW以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸，Cr3系列支承輥及配套使用的油膜軸承錐套，WK系列礦用挖掘機(jī)推壓軸、拉緊軸、中央樞軸、中央樞軸套，特大型軋鋼鍛壓設(shè)備缸段及柱塞段，系列吊鉤，年調(diào)質(zhì)量可達(dá)35000噸，在國內(nèi)具有較強(qiáng)的熱處理能力；調(diào)質(zhì)爐爐溫均勻性是大型鍛件熱處理行業(yè)的重大難題，目前行業(yè)內(nèi)均無完美的方案解決此問題，我單位2臺大型電加熱熱處理爐(3000×4000×8000，3000×4000×12000)爐窯加裝8支～12支爐內(nèi)風(fēng)機(jī)攪拌使加熱空氣強(qiáng)制對流，900℃以下可實(shí)現(xiàn)±3℃保溫精度，達(dá)到一級爐窯控溫精度，風(fēng)機(jī)主軸及電機(jī)采用隔離水套方式冷卻降溫。

2 問題描述

2.1 爐窯運(yùn)行系統(tǒng)分析

正常工作時爐窯控制系統(tǒng)接收到現(xiàn)場5種異常信號輸出中斷信號，見圖1。

2.2 爐窯水循環(huán)系統(tǒng)及故障分析

通過對故障部位維修時間分析發(fā)現(xiàn)86%以上故障集中在水泵和驅(qū)動電機(jī)；通過對停機(jī)故障原因分析發(fā)現(xiàn)水溫過高、電流異常是引起系統(tǒng)輸出中斷的主要原因。

圖1 爐窯運(yùn)行原理圖

2.3 故障風(fēng)險

水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生故障將導(dǎo)致正在運(yùn)行的爐窯立即停止加熱，爐窯停止工作將產(chǎn)生如下不良影響：①使正在加熱工件內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變不充分，重新加熱使工件表面氧化脫碳層變厚，產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險極大；②爐窯故障中斷了生產(chǎn)進(jìn)程，通常馬上倒?fàn)t重新升溫加熱，或者停爐降溫待修，故障恢復(fù)后繼續(xù)加熱，不論采取何種手段都使職工勞動量增大，操作危險性增大，帶來使用上的不方便，生產(chǎn)作業(yè)率降低；③爐窯故障使能源浪費(fèi)嚴(yán)重，通常一爐工件從室溫加熱至840℃大約需要50000KWh電能，折合人民幣約3萬元；④因維修期間設(shè)備停工及維修費(fèi)用造成損失合計174萬元/年。

3 解決過程

3.1 傳統(tǒng)解決辦法與創(chuàng)新方法解決辦法

傳統(tǒng)的解決辦法是哪兒壞維修哪，公司類似系統(tǒng)（如30T、80T電爐爐壁冷卻水循環(huán)系統(tǒng)），傳統(tǒng)的處理辦法頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳使我們工作效率不高，方案實(shí)施起來職工疲憊不堪。

創(chuàng)新方法TRIZ可以系統(tǒng)性的分析問題、認(rèn)識問題，打破傳統(tǒng)思維定勢，開拓思路；便于找準(zhǔn)問題解決方向，提升效率，TRIZ基于科學(xué)方法，使獲得的解決方案更可靠。

3.2 運(yùn)用創(chuàng)新方法—金魚算法及方案獲取

3.2.1 金魚算法介紹

金魚算法是將一個異想天開的想法分為兩個部分：現(xiàn)實(shí)部分及非現(xiàn)實(shí)部分，接著把非現(xiàn)實(shí)部分再分為兩個部分：現(xiàn)實(shí)部分及非現(xiàn)實(shí)部分，繼續(xù)劃分，直到余下的非現(xiàn)實(shí)部分有時會變得微不足道，而想法看起來卻愈加可行。

3.2.2 金魚算法分析流程

（1）把不現(xiàn)實(shí)的想法分為兩個部分：現(xiàn)實(shí)部分及非現(xiàn)實(shí)部分。

（2）解釋非現(xiàn)實(shí)部分是不可行的。

（3）找出在哪些條件下想法的非現(xiàn)實(shí)部分可變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的。

（4）檢查系統(tǒng)、子系統(tǒng)、超系統(tǒng)中的資源能否提供此類條件。

（5）如果能，則可定義相關(guān)想法，即應(yīng)怎樣對情境加以改變，才能實(shí)現(xiàn)想法的看似不可行的部分。

（6）如果我們無法通過可行途徑，來利用現(xiàn)有資源為看起來不現(xiàn)實(shí)的部分提供實(shí)現(xiàn)條件，則可將這一“看起來不現(xiàn)實(shí)的部分”再次分解為現(xiàn)實(shí)與非現(xiàn)實(shí)部分。然后重復(fù)步驟1～5，直到得出可行的解決方案構(gòu)想。

3.2.3 應(yīng)用金魚算法針對具體問題進(jìn)行分析及解決方案獲取

針對故障“實(shí)際電流為零，擬采用保持驅(qū)動裝置有電流”進(jìn)行分析流程如下，示意圖見圖2：

圖2 用金魚算法分析電機(jī)電流為零

（1）系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)部分：電機(jī)、驅(qū)動裝置；不現(xiàn)實(shí)部分：驅(qū)動裝置保持有電流。

（2）解釋非現(xiàn)實(shí)部分是不可行的。驅(qū)動裝置有電流保證控制系統(tǒng)不輸出中斷信號。

（3）找出在哪些條件下想法的非現(xiàn)實(shí)部分可變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的。在下列條件下可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動裝置有電流：保證驅(qū)動裝置過載能力足夠大；保證電機(jī)過載能力足夠大；使驅(qū)動裝置持續(xù)輸出電流信號。

（4）檢查系統(tǒng)、子系統(tǒng)、超系統(tǒng)中的資源能否提供此類條件。在超系統(tǒng)中存在許多這樣的情境：改變電機(jī)與水泵連接方式，如電機(jī)軸與水泵間加裝減速機(jī)，電機(jī)軸與水泵軸采用非剛性連接；提高驅(qū)動裝置過載能力，選用更大功率的驅(qū)動裝置；提高電機(jī)過載能力選用更大功率的電機(jī)。

（5）如果能，則可定義相關(guān)想法，即應(yīng)怎樣對情境加以改變，才能實(shí)現(xiàn)想法的看似不可行的部分。將這一想法與初始想法的可行部分，組合為可行的解決方案構(gòu)想。在下列條件下，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動裝置有電流：在電機(jī)軸與水泵間加裝減速機(jī)；選用更大功率的驅(qū)動裝置以提高過載能力；選用更大功率的電機(jī)提高過載能力；人為讓驅(qū)動裝置輸出假信號傳給PLC。

同理，針對故障“水溫過高，擬采用干冰換熱降溫、擬采用空氣換熱降溫”進(jìn)行分析。

應(yīng)用金魚算法針對具體問題進(jìn)行分析得到解決方案如下：

方案1.改變換熱器結(jié)構(gòu)；

方案2.換熱器配備風(fēng)機(jī)；

方案3.建設(shè)冷卻介質(zhì)干冰供應(yīng)通道；

方案4.改變電機(jī)與泵的傳動結(jié)構(gòu)；

方案5.改變電機(jī)驅(qū)動裝置容量；

方案6.改變電機(jī)功率；

方案7.人為給PLC輸入假信號；

3.3 運(yùn)用創(chuàng)新方法—最終理想解法IFR及方案獲取

3.3.1 最終理想解法IFR介紹

最終理想解法主要是在大腦中設(shè)立理想的模型，把對象簡化、鈍化，使其升華到理想狀態(tài)，通過思想實(shí)驗(yàn)的方法來研究客體運(yùn)動的規(guī)律。

為什么要獲得理想解：明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中沿著此目標(biāo)前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新方法中缺乏目標(biāo)的弊端，提升了創(chuàng)新設(shè)計的效率。如果將創(chuàng)造性解決問題的方法比作通向勝利彼岸的輪船，那么IFR就是一座目的地的燈塔。

3.3.2 最終理想解法IFR分析流程

（1）什么是系統(tǒng)的最終目標(biāo)？

（2）什么是系統(tǒng)的理想化最終結(jié)果？

（3）達(dá)到IFR的障礙是什么？

（4）出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是什么？

（5）不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么？

（6）系統(tǒng)中有什么資源可以利用？

3.3.3 應(yīng)用最終理想解法IFR分析問題及解決方案獲取

（1）什么是系統(tǒng)的最終目標(biāo)？

水泵能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）什么是系統(tǒng)的理想化最終結(jié)果？

換熱器能夠永遠(yuǎn)有一定流量的水通過。

（3）達(dá)到IFR的障礙是什么？

電機(jī)不運(yùn)行，泵停轉(zhuǎn)，節(jié)流裝置及管路故障。

（4）出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是什么？

換熱器沒有穩(wěn)定流量的水通過。

（5）不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么？

泵安全運(yùn)行，電機(jī)不超負(fù)荷運(yùn)行。

（6）系統(tǒng)中有什么資源可以利用？

水、換熱器、管道、節(jié)流閥、泵、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動裝置。

應(yīng)用最終理想解法IFR得到解決方案如下：

方案8.改變換熱器換熱面積；

方案9.降低冷卻水初始溫度；

方案10.改變管道結(jié)構(gòu)；

方案11.改變水泵的輸出流量；

方案12.改變水泵的輸出壓力；

方案13.改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；

方案14.調(diào)整驅(qū)動裝置功率；

3.4 運(yùn)用創(chuàng)新方法—技術(shù)矛盾和發(fā)明原理分析及方案獲取

3.4.1 技術(shù)矛盾和發(fā)明原理介紹

在TRIZ理論中，技術(shù)矛盾指技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在著相互制約，也就是在提高技術(shù)系統(tǒng)的某一個參數(shù)時導(dǎo)致另外一個參數(shù)的惡化，進(jìn)而產(chǎn)生的矛盾。

3.4.2 技術(shù)矛盾和發(fā)明原理分析流程

（1）將待解決的問題轉(zhuǎn)化為通用問題模型，也就是提取出實(shí)際問題中的技術(shù)矛盾—改善某一參數(shù)，卻導(dǎo)致另一參數(shù)的惡化。

（2）根據(jù)技術(shù)矛盾利用TRIZ的中間工具—矛盾矩陣，得到TRIZ的解決方案模型—發(fā)明原理。

（3）根據(jù)發(fā)明原理得到解決方案。

3.4.3 應(yīng)用技術(shù)矛盾和發(fā)明原理分析問題

通過對實(shí)際問題、現(xiàn)有解決方案以及現(xiàn)有解決方案的缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提取出現(xiàn)有方案優(yōu)化了2個參數(shù)—電機(jī)功率、水泵能量損失，惡化了2個參數(shù)—水循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性；通過中間工具--矛盾矩陣表，得到優(yōu)先使用的發(fā)明原理，進(jìn)而得到解決方案。優(yōu)化電機(jī)輸出功率對系統(tǒng)可靠性的影響查詢矛盾矩陣表見圖3，其他類同；

圖3 優(yōu)化功率、惡化可靠性獲得發(fā)明原理

應(yīng)用技術(shù)矛盾與發(fā)明原理得到解決方案如下：

方案15.改變驅(qū)動方式

方案16.加入中介物

方案17.用廉價的代替品

方案18.改變材料為多孔材料

方案19.改變冷卻水的密度、溫度、透明度、顏色

方案20.改變泵的動態(tài)特性

方案21.備用應(yīng)急措施

方案22.改變泵體曲面

方案23.使系統(tǒng)工作在惰性環(huán)境中

方案24.使泵具有多功能性

4 方案評價

4.1 方案評定辦法

我們用理想度對獲得的各個方案進(jìn)行功能評價，計算公式如下：

4.2 方案評定規(guī)則

有用功能占0分～50分；

有害功能占0分～20分；

成本占0分～30分；

4.3 獲得的方案理想度分析

我們用理想度對獲得的各個方案進(jìn)行功能評價，見圖4；

圖4 各方案理想度分析

5 最終方案

5.1 改變水泵動態(tài)特性曲線

通過對水泵深入學(xué)習(xí)，改變水泵葉輪參數(shù)實(shí)現(xiàn)改變水泵動態(tài)特性曲線，見圖5，黑色曲線為出廠提供，紅色曲線為改造后實(shí)際特性曲線。

圖5 改變?nèi)~輪參數(shù)改變水泵動態(tài)特性曲線

5.2 改變水循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際工作點(diǎn)

通過將驅(qū)動電機(jī)由傳統(tǒng)的星型啟動，三角型運(yùn)行方式改為變頻驅(qū)動，實(shí)際轉(zhuǎn)速由2930調(diào)整為2020，實(shí)現(xiàn)流量～揚(yáng)程曲線改變，水循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際工作點(diǎn)由M點(diǎn)調(diào)節(jié)到K點(diǎn)，通過調(diào)整節(jié)流裝置工作位置將實(shí)際工作點(diǎn)由K點(diǎn)調(diào)節(jié)到點(diǎn)A點(diǎn)，見圖6。

圖6 改變電機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)流裝置工作位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作點(diǎn)

6 成果總結(jié)

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過此次改造，水循環(huán)系統(tǒng)流量增大約1/3；

冷卻水工作后溫度升高2℃；

電機(jī)實(shí)際電流為額定值的40%；

環(huán)境噪音排放降低7dB～10dB；

節(jié)約故障維修時間約394小時/年；節(jié)約維修費(fèi)用24.9萬元/年；節(jié)約停爐浪費(fèi)149.2萬元/年；水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行3年內(nèi)免維護(hù)。

6.2 社會效益

通過改造，提高了設(shè)備完好率；保障了生產(chǎn)作業(yè)率；

同時減少了電能資源浪費(fèi)；降低了環(huán)境噪音排放；

本項(xiàng)目正在申請專利1項(xiàng)。

6.3 TRIZ在技術(shù)創(chuàng)新和企業(yè)創(chuàng)新中的作用

本次改造技術(shù)在公司內(nèi)類似系統(tǒng)完全可以推廣利用。

更重要的是TRIZ方法能打破思維定勢，激發(fā)創(chuàng)新思維，從更廣的視角看待問題，使創(chuàng)新不再依靠“靈光一現(xiàn)”，創(chuàng)新可以持續(xù)不斷進(jìn)行，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)正確的問題，有的放矢；對“創(chuàng)新性問題或矛盾的解決”提供更合理的方案和更好的創(chuàng)意；提高創(chuàng)新效率，獲得高質(zhì)量的創(chuàng)新技術(shù)。