基于TRIZ理論對新型環保水霧噴砂裝置的研制

張雄剛，吳泰峰，任 偉，鐘雄峰

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

修船噴砂除銹通常采用干噴砂除銹工藝[1]，此工藝在施工中會產生大量的粉塵，并且噴砂后產生的粉塵的排放方式為無組織排放，100%直接排放在環境中，會造成嚴重的空氣污染。

為更好、更科學地進行設備研制，本文將學習TRIZ理論并應用。TRIZ意譯為發明問題解決理論[2]，該理論將創造發明的內在規律和原理進行了歸納總結，重點在于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是徹底解決矛盾，從而達到最終的理想狀態。

1 基于TRIZ研制新型環保水霧噴砂裝置的主要思路

1.1 新型環保水霧噴砂裝置理想解分析

1)理想解。當設計人員不需要額外的花費就實現了產品的創新設計時，這種狀況就被稱為最終理想解結果(IFR)。理想解有4個特點:①保持了原有系統的優點；②消除了原有系統的不足；③沒有使系統變得更復雜；④沒有引入新的不足。

在設計過程中，正確描述理想解有利于避開各種可觀限制條件，突破傳統的思維方式，提高設計效率。

2)新型環保水霧噴砂裝置的理想解。環保除銹裝置理想解分析應遵循以下6個步驟。①設計的最終目的：用較低的成本實現環保除銹；②IFR：綠色環保、高效率除銹裝置；③達到IFR的障礙：顆粒物小易擴散，船塢面積大不容易密封，不易收集，效率低；④出現這種障礙的結果： 污染嚴重，效率低，影響施工人員的職業健康；⑤不出現這種障礙的條件：增加顆粒物重量，減少擴散，便于粉塵收集；⑥為達到理想解，可利用資源為壓縮空氣、水、礦砂磨料。

經過一系列分析，得到的解決方案是根據系統內的水和壓縮空氣等資源，在磨料中加入水用于降塵。

1.2 新型環保水霧噴砂裝置九屏幕法分析

九屏幕法的目的是尋找資源，分析清楚系統的構成與環境，其過程原理如下。①從技術系統本身出發，考慮可用資源；②考慮技術系統的子系統、超系統中的資源；③考慮系統的過去和未來，從中尋找可利用的資源；④考慮超系統和子系統的過去和未來。

對除銹裝置(技術系統)及其子系統、超系統進行九屏幕法分析，如圖1所示。分析發現，可利用超系統的過去、超系統的未來和子系統的未來形成水霧噴砂裝置初步設想。

圖1 九屏幕法分析

經過上述方法的分析，我們最終形成了新型環保水霧噴砂裝置(以下簡稱新型裝置)的基本原理：將不同配比的磨料和水，利用磨料缸進行混合，通過控制壓差形成水霧磨料，最終實現鋼材表面清理。新型裝置工作原理圖如圖2所示。

圖2 新型裝置工作原理圖

1.3 新型裝置功能需求分析

按照TRIZ理論思路，針對新型裝置的功能需求進行逐步分析，發現影響裝置總體性能(高效環保除銹)的組件有：承載框架、磨料缸、柱塞泵、噴砂槍、水霧磨料。新型裝置功能需求分析如圖3所示。

圖3 新型裝置功能需求分析

1.4 新型裝置功能建模及功能裁剪分析

功能建模是對工程系統進行功能分析的一個階段，目的是建立一個功能模型[3]。對承載框架、磨料缸、柱塞泵、噴砂槍、水霧磨料等關鍵組件進行功能建模分析，得到新型裝置功能模型及各組件之間的相互關系見圖4。通過TRIZ方法的分析，新型裝置主要存在的不足：磨料缸與磨料混合物穩定不足，泵對噴砂槍提供的動力不足，磨料回收不足，承載框架對磨料缸、控制箱的承載不足。

圖4 新型裝置功能模型及各組件之間的相互關系

針對技術系統實施裁剪，可以簡化系統結構，提高理想度[4]。進一步分析時，將泵、閥組、控制箱進行集成，形成集控箱，承載框架直接用有限元進行模擬。但是由于泵對噴砂槍動能不足、磨料缸對水和磨料混合不足等，需要對泵、噴砂槍、磨料缸、磨料回收等進行設計優化，滿足功能要求。新型裝置功能裁剪圖如圖5所示。

圖5 新型裝置功能裁剪圖

1.5 新型裝置技術矛盾分析

運用TRIZ理論將39個工程參數與40條發明原理相對應形成了矛盾矩陣[5]，矛盾矩陣中包括欲改善的參數和被惡化的參數。針對磨料缸與水霧磨料的關系，發現如果提高磨料缸的容積，那么可持續噴砂作業的時間會增加，但是磨料加砂流出穩定性會減弱，兩者存在技術矛盾。改善的參數是形狀，惡化的參數是穩定性，據此查找TRIZ矛盾矩陣，根據實際情況，得到技術矛盾解決思路及方案如表1所示。

表1 技術矛盾解決思路及方案

1.6 新型裝置物理矛盾分析

研究新型裝置發現，為了實現單缸雙槍裝置，柱塞泵的流量要高；為了保證磨料缸精確控制壓差和安全性，柱塞泵的流量要小，這是一個典型的物理矛盾。物理矛盾的解決方法一直是TRIZ研究的重要內容。現代TRIZ在總結解決物理矛盾的各種方法的基礎上，提煉出了分離方法，并分為4種基本類型，即空間分離、時間分離、條件分離和系統級別分離。利用分離原理得到了4個解決思路，并形成相關方案。物理矛盾解決思路及方案如表2所示。

表2 物理矛盾解決思路及方案

1.7 方案的評價與選擇

針對磨料缸容積和壓差穩定性、柱塞泵流量大小的問題，我公司已利用了TRIZ理論的不同工具獲得了7個解決方案，方案評價表如表3所示。表3中，理想度是從技術角度對技術系統的有用功能與有害功能(包括成本和耗費)之間的綜合效益的一種度量，其由有用功能分數、有害功能分數和成本分數綜合計算得出。分析表3發現，理想度高的方案一般評價也很高。

表3 方案評價表

1.8 方案的細化

對評價較高的優選方案我們進行進一步細化，具體如下。

1)方案1：精密加料閥設計。通過采用機械式錐面密封加料閥設計，保證缸體工作壓力始終在1.2 MPa，提高工作效率。

2)方案3：磨料缸進出口形狀設計。將磨料缸底部設計為錐體，角度為60°～75°，減少磨料在缸內的淤積，確保磨料流出穩定，同時設計泄壓口與補水口處于磨料缸本體的同一高度，以保證壓差。磨料缸造型示意圖如圖6所示。

圖6 磨料缸造型示意圖

3)方案4：組件和氣動活塞材質設計。液壓系統和閥組采用特殊設計的硬質合金鋼，運動部件活塞桿等采用電鍍硬鉻工藝，表面維氏硬度可達到1 000 HV，密封性和耐磨性明顯提升，安全可靠，且維修保養簡便。

4)方案5：水霧磨料輸送穩定性和噴槍選型設計。采用進口氣動磨料閥，提高調節精度，應用雷諾實驗，選擇“單進風文丘里”噴砂槍，保證在相同壓力條件下，提高磨料出口速度。

5)方案7：低壓縮比的泵設計。通過設計與其匹配的低壓縮比(3∶1)的柱塞泵，保證缸體工作壓力范圍(0.5～1.2 MPa)，確保了水、磨料混合物流量壓力穩定。

2 新型裝置除塵測試和表面工藝驗證

2.1 方案的實施及樣機的制作

根據以上優選方案，開始具體實施，啟動樣機制作，并在現場測試優選方案。最終實施方案與功能試驗效果表如表4所示。

表4 最終實施方案與功能試驗效果表

2.2 樣機的試驗及應用

1)抑塵效果。經過第三方檢測機構檢測，與傳統干噴砂工藝相比，新型水霧無塵噴砂工藝可在近距離反射區域減少90%左右的粉塵污染。水霧無塵噴砂工藝與干噴砂工藝粉塵排放量對比表如表5所示。

表5 水霧無塵噴砂工藝與干噴砂工藝粉塵排放量對比

2)表面處理質量。新型水霧噴砂工藝采用的磨料較傳統干噴砂采用的磨料更細，處理后的鋼板表面粗糙度為70～80 μm。由于采用濕噴砂工藝，鋼板表面會產生不同程度的閃銹，鋼材表面處理更均勻，粗糙度適中。

3)表面鹽分含量。水霧噴砂采用消防水(包括經簡單過濾的江河水)，電導率為340 ms/cm；水霧噴砂采用重復利用的銅礦砂，鹽分含量較高，電導率一般都超過450 μs/cm。經測試，原鋼板表面鹽分超過350 mg/m2，水霧噴砂后的鋼板表面鹽分都小于40 mg/m2。

3 環保除銹裝置成果及效益

產品試驗完畢后便全面投入使用，做到了對修船表面處理的全覆蓋，現已完成300余艘船舶的除銹，漫天的“黑色旋風”被徹底治理。對比船廠現在普遍使用的干噴砂工藝，顆粒物的排放得到了有效的控制，符合國家對沿江經濟發展戰略要求，達到了項目研究的目的。

通過TRIZ創新方法，可以為新型環保水霧噴砂裝置的設計提供一套切實科學的操作方法，從最終理想解，到技術矛盾、物理矛盾，借助其相關啟發提出設計方案，具有較好的邏輯性。最后得出的優化設計實現了粉塵減少90%，達到了預期效果，表面處理質量完全滿足工藝要求。