基于TRIZ理論的過濾裝置研究

趙晨鵬朱耿輝屈建志邵正旭張海川(燕山大學(xué)，河北秦皇島066000)

1 TRIZ理論簡介

TRIZ 理論是阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的，旨在運用物場分析和技術(shù)進(jìn)化分析等TRIZ理論工具解決產(chǎn)品設(shè)計問題以及預(yù)測未來產(chǎn)品趨勢，是一種綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，由各種方法、算法組成的綜合創(chuàng)新理論體系。

2 問題初始形勢分析

2.1 現(xiàn)有裝置分析

目前現(xiàn)有的化工原料過濾裝置為袋式過濾裝置，如圖1所示。袋式過濾裝置由螺栓、排氣口、上蓋、濾網(wǎng)、支架等組成，液體由進(jìn)口流進(jìn)，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后從出口流出，雜質(zhì)則被攔截在濾袋當(dāng)中，從而達(dá)到固液分離目的。

圖1袋式過濾裝置

2.2 目前技術(shù)系統(tǒng)的問題

(1)袋式過濾裝置的濾網(wǎng)易堵塞，需更換濾網(wǎng)后才能繼續(xù)工作，因而降低了過濾裝置的過濾效率，影響生產(chǎn)效率。

(2)袋式過濾裝置的過濾效率只有理想效率的50%左右，袋式過濾裝置不能適應(yīng)目前工藝環(huán)保高效的要求。

3 TRIZ工具的應(yīng)用

3.1 針對顆粒過大和聚沉

針對沖突區(qū)域(1)濁液的顆粒過大和黏附性強的小顆粒由于流動時的攪拌而聚沉，運用TRIZ 工具進(jìn)行解決問題。

3.1.1 物質(zhì)-場分析

在普通液壓場的作用下的物場模型如圖2所示。此處的物場模型為不充分模型。根據(jù)物場模型的標(biāo)準(zhǔn)解，可以采用第2大類的增強物場模型中的S2.2加強物場模型中的S2.2.5使用異構(gòu)場的解法。因此可以通過引入橫向流管將原來作用場改變?yōu)闇u旋場從而使雜質(zhì)可以聚集在渦旋場的中央底部，而達(dá)到分離雜質(zhì)的作用。改進(jìn)后的物場模型如圖3所示。

圖2流場過濾器物場模型圖

圖3流場過濾器引入異構(gòu)場的物場模型圖

由圖3的物場模型，可得方案一，見圖4。

圖4回旋流場過濾器

如圖3所示，利用我們設(shè)計的渦旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)使流場變成渦旋流場，渦旋流場中壓強最小的地方位于渦流最底部，因而雜質(zhì)會聚集在渦流最底部，聚集在底部的雜質(zhì)可以通過底部的閥門放出系統(tǒng)外部進(jìn)行處理或者回收。當(dāng)過濾裝置中的液體滿時，通過過濾網(wǎng)從出口處溢出完成過濾。

3.1.2 技術(shù)進(jìn)化分析

因此，根據(jù)技術(shù)進(jìn)化法則可以在過濾系統(tǒng)中增加漏斗狀的結(jié)構(gòu)，儲存雜質(zhì)可以在需要搜集雜質(zhì)的場合中實用，提高系統(tǒng)的功能。由此可得到方案二，如圖5所示。利用我們設(shè)計的渦旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)使流場變成渦旋流場，因而雜質(zhì)會聚集在渦流最底部，通過阻擋結(jié)構(gòu)使雜質(zhì)和液體分離開從而達(dá)到過濾的作用。最終聚集在雜質(zhì)倉的雜質(zhì)可以通過底部的閥門放出。當(dāng)過濾裝置中的液體滿時，通過過濾網(wǎng)從出口處溢出完成過濾。

圖5渦流場雜質(zhì)可存過濾器

3.2 針對濾網(wǎng)利用效率低

針對沖突區(qū)域(2)濾網(wǎng)的利用效率低，運用TRIZ工具進(jìn)行解決問題。

3.2.1 物質(zhì)-場分析及標(biāo)準(zhǔn)解

(1)確立問題。液體經(jīng)過袋裝濾網(wǎng)時濾液通過了濾網(wǎng)，濾渣則留在了濾網(wǎng)上。而殘留的濾渣會堵塞濾網(wǎng)導(dǎo)致濾網(wǎng)利用率下降，同時也會對濾網(wǎng)造成損耗。因此，使用物場模型來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

(2)建立、分析物場模型。建立的物場模型如圖6 和圖7所示，其中S1、S2分別代表濾網(wǎng)及濾渣，F(xiàn)1表示一個機械場。由圖所知，濾網(wǎng)對濾渣有過濾接收的充分作用，而濾渣對濾網(wǎng)有堵塞的有害作用，因此可以通過對模型中的有害作用進(jìn)行拆解和抵消。

圖6濾網(wǎng)過濾濾渣的物場模型

圖7 濾網(wǎng)過濾濾渣引入新場的物場模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.4用場F2來抵消有害作用。

可以將進(jìn)液口設(shè)置在濾網(wǎng)下方，出液口設(shè)置在濾網(wǎng)上方，通過重力場的作用使濾渣不再停留在濾網(wǎng)上而是向下沉淀，減少濾網(wǎng)的堵塞，增加濾網(wǎng)的有效面積。由此可得方案三，參見圖8。

如圖8所示，濁液從下部進(jìn)液口進(jìn)入，從上部出液口流出，其間濁液通過整個濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，不存在濾網(wǎng)面積利用率低的問題，但是需要過濾裝置所在系統(tǒng)所提供足夠的壓力將水從上部出液口壓出。

圖8 倒沖式過濾器

4 技術(shù)方案整理與評價

4.1 全部技術(shù)方案及評價

各個方案的可行性評價如表1所示。

表1方案評估

4.1.1 討論

選用方案2為最優(yōu)方案，有如下理由：

(1)運用渦旋場替代機械阻擋，解決了雜質(zhì)對濾網(wǎng)的堵塞的問題，并且實現(xiàn)完全非能動及其自動化。

(2)將筒壁設(shè)計為可拆卸式，提高了過濾系統(tǒng)的適應(yīng)性，方便對過濾設(shè)備的清洗和維修。

(3)阻擋結(jié)構(gòu)方便了對雜質(zhì)的回收和再利用。

4.1.2 結(jié)果分析

(1)為了準(zhǔn)確模擬流體在裝置中的流動情況，對所設(shè)計的過濾裝置應(yīng)用流體分析軟件Floxpress 進(jìn)行流場分析，圖9、圖10 為流場分析圖，可見此過濾裝置流動情況符合我們的設(shè)計情況。

圖9上出口流場分析圖

圖10下出口流場分析圖

4.2 最終方案確定

最終方案確定為方案2，渦流場雜質(zhì)可存過濾器，參見圖11。

圖11渦流場雜質(zhì)可存過濾裝置

5 結(jié)語

本文利用TRIZ 理論中的的功能分析、因果分析等方法對現(xiàn)有過濾裝置的不足進(jìn)行了充分的分析，并且靈活運用了TRIZ理論所提供的物理沖突解決原理、技術(shù)沖突解決原理等工具提出了4個解決方案，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計并根據(jù)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)建立模型應(yīng)用軟件分析模擬最終確定采用非能動設(shè)計，根據(jù)流速大時壓強小的特點，利用結(jié)構(gòu)制造渦流場。此設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、造價低廉、體積小而效率高、操作簡便的優(yōu)點，是可以完全適用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的化工原料過濾裝置。