利用TRIZ創新方法提高智能干選機矸石分離率

張偉，徐鋒，劉永睿，于福龍

（1.丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧丹東 118000；2.遼寧省科學技術館，遼寧沈陽 110167）

1 研究背景

中國煤炭工業協會推動倡導大力發展干法選煤技術，助力煤炭清潔高效發展，以替換落后的人工及重介選煤工藝。現有人工及重介選煤存在低效、人員易得塵肺病、污染嚴重等問題。我國煤礦主要分布于西部地區，干旱缺水是西部的共性，而重介選煤存在高能耗、水污染等嚴重問題。我國大力推進高效、節能、減排技術，干法選煤機可淘汰落后的生產工藝，從源頭上提高煤炭的品質和生產效率，減少能源消耗，降低二氧化碳等污染的排放。但現有的干選機存在煤矸分離率低的難題，影響精煤品質。如何在不影響效率的情況下提高矸石分離率，是我們現階段需要攻克的難題[1-5]。

2 初始問題形式分析

2.1 當前系統功能及組成

功能：分離矸石。組成： 噴氣嘴、電磁閥、閥座、氣管、氣源裝置、空氣。

2.2 當前系統工作原理

采用X 射線辨識輸送帶上的煤和矸石，判斷矸石的形狀及速度，并開啟對應的噴嘴，通過噴吹高壓空氣來改變矸石移動軌跡，最終實現對矸石的分離。

2.3 當前系統的主要問題

分選出來的精煤中含有部分矸石沒有分離。

3 運用TRIZ工具分析

3.1 功能分析

通過功能分析，明確功能對象，掌握組成部分的各種功能，明確各項功能之間的相互作用關系。

a)功能分析——組件分析：當前作用對象是矸石。技術系統是空氣、噴氣嘴、氣管、電磁閥、閥座、氣源裝置。超系統是輸送裝置、X 射線識別系統、矸石料斗。見圖1。

圖1 組件分析

b)功能分析——相互作用分析表，見表1，通過相互作用分析表掌握各組件之間的相互作用關系。

表1 相互作用分析表

c)功能分析——功能模型表，見表2。通過功能模型表，對各組件的功能進行分析，并劃分等級予以評分。

表2 功能模型表

d)功能分析——功能模型分析。通過現場分析和測量系統分析，建立組件模型分析圖，定義組件和超系統組件，如圖2所示，從圖中可以看出矸石為研究對象，在分離矸石的過程中，氣管降低氣體流速，所以氣管對空氣產生有害作用。

圖2 功能模型分析

通過裁剪法，得到方案（1）：去除氣管，將閥座和噴氣嘴直連[1-3]。

3.2 IFR 最終理想解

最終理想結（IFR）是對發明問題的最好解決方案模型。它使系統完全消除了問題，沒有讓系統的參數發生惡化，且對系統的改變最小[4-5]。

最終理想解是解決方案的模型，可以指引我們去解決發明問題。在解決問題之初，先拋開各種客觀限制條件，把最終理想結作為終極追求目標[6]。

以系統的作用對象（又稱制品、目標）入手來定義，定義的IFR 應用“自身”或“自我實現”的字眼[7]。見表3。

表3 最終理想解

通過最終理想解，得到方案如下：

方案（2）用篩分再破碎的方式，將大塊矸石破碎變小。

方案（3）用機械手移除大塊矸石。

方案（4）用機械彈指的方式改變大塊矸石的移動軌跡。

3.3 九屏幕法

通過系統過去、現在、未來，利用九屏幕法分析系統，如圖3所示。通過對系統資源進行查找，得到如下解決方案[8-9]。

圖3 九屏幕法

方案（5）：引入廢棄的細小矸石顆粒，噴吹、撞擊需分離的矸石。

方案（6）：增大氣動系統壓力，增加噴吹壓力。

方案（7）：增大氣動系統流量，并將電磁閥換成電磁比例節流閥，可根據矸石大小，調整噴吹力。

方案（8）：增加可自動跟蹤，自動調整角度的噴嘴。

3.4 因果分析

因果分析是TRIZ 方法中尋找工程問題根本原因的主要工具。通過深入工程問題，層層分析，最終找到關鍵原因[10]。從組件功能模型分析建立因果鏈，造成煤矸的主要原因如圖4所示。

圖4 因果分析

4 運用TRIZ工具解決

4.1 矛盾分析

a)運用技術矛盾一，根據因果鏈分析中的1.2.2.1.1，解決的是氣管太長，管路氣壓損失大，導致噴吹力不足的問題。如果將電磁閥至噴嘴的氣管變短，那么管路氣壓損失小，但管路過短，管路折彎費力。將問題模型標準化為對應的39 個通用工程參數：改善的是NO.4 靜止物體的長度，惡化的參數NO.32 可制造性。通過查矛盾矩陣表得出可使用的發明原理有：NO.15 動態特性、NO.17 多維化、NO.27 廉價替代品。根據矛盾分析，可使用NO.17 多維化，利用給定表面的反面[11]，得到如下方案。

方案（9）：將上下布置的電磁閥按左右布置，可減少下方電磁閥至噴嘴的氣管長度，減少氣壓損失。

b)運用物理矛盾一，解決連接氣管既要長又要短的問題。如果連接氣管長，那么氣管安裝空間充足，但會增加噴嘴噴吹延時時間。如果連接氣管短，那么可以縮短噴嘴噴吹的延時時間，但氣管安裝空間不足。采用條件分離原理得到如下方案[12]。

方案（10）：電磁閥分時開啟，長氣管的電磁閥先開啟，短氣管的電磁閥后開啟。

c)運用技術矛盾二，根據因果鏈分析中的1.2.1.1.1，解決的是尼龍管耐壓小，氣動系統壓力小，導致噴吹力不足的問題。如果將尼龍氣管耐壓提高，那么系統壓力可以增高，但尼龍管壁厚增加，安裝空間需更大。將問題模型轉化為對應的39 個通用工程參數：改善的是NO.11 壓力，惡化的參數NO.32 可制造性。通過查矛盾矩陣表得出可使用的發明原理有：NO.1 分割原理、NO.35 參數改變原理、NO.16 未帶到或作用過度原理。根據矛盾分析，可使用NO.1 分割原理，把一個物體分成相互獨立的部分[13]，得到如下方案。

方案（11）將氣管集成到閥座內，可以提高管路耐壓，再將閥座分割加工。

方案（12）將尼龍氣管改為鋼管，提高耐壓。

d)運用物理矛盾二，解決氣管耐壓既要小又要大的問題。如果氣管耐壓小，可用PVC 快插氣管，那么安裝空間小，但系統壓力無法提高。如果氣管耐壓大，需用壁厚大的管，那么系統壓力可以提高，但是安裝空間大。采用條件分離原理得到如下方案[14]。

方案（13）將氣管集成到閥座內部。

4.2 物-場分析

用物-場分析法對當前系統進行分析并改進當前技術系統的功能。

當前系統物場模型的技術系統是，在煤矸分選機運行過程中，用噴氣嘴將矸石噴吹至矸石箱中，但部分矸石無法落入矸石箱中。當前系統的問題是煤矸石分離過程中效果不理想，矸石無法落入矸石箱中。當前的物S1 是矸石，物S2 是空氣，場F 是機械場。空氣S2 利用機械場F 作用于矸石S1。因為空氣S2 無法利用機械場F 將大塊矸石S1 噴吹分離，所以空氣S2 作用于矸石S1 是一個效應不足的完整模型。

利用76 個標準解引入場S2.1 向符合物場模型進化中的S2.1.1 引入物質向串聯式物場模型進化。增加新的動力場F2 和新物質矸石顆粒或水S3,利用原有氣動場給矸石顆粒或水一個初始動能，再撞擊矸石，改變矸石下降軌跡，得到如下方案。

方案（14）引入生產環節的廢水，噴吹、撞擊需分離的矸石。增加機械場的能量。

利用76 個標準解引入場S5.2 中的S5.2.1，首先應用物質所含有的載體中已存在的場。增加新的場F2第二個噴吹孔，增強噴吹力，改變矸石下降軌跡，得到如下方案。

方案（15）增加新的機械場，雙噴氣嘴，增加噴吹動能。

4.3 科學效應庫

a)問題分析：開采的煤中含有矸石，在選煤過程中，控制矸石的移動，使矸石與煤分離。

b)確定功能：控制矸石的移動。

c)查找科學效應：查找TRIZ 的功能代碼表，對應的代碼是F6—控制物體移動。對應的科學效應有：磁力、電子力、壓強、浮力、振動等。

d)效應取舍：經過對以上效應的分析，“振動的離析作用和振動的慣性力” 可以改變矸石的移動軌跡。

e)方案驗證：矸石和煤的密度不同，利用帶隔板的振動平臺，低密度的煤在重力作用下沿平臺表面下滑，高密度的矸石在激振力驅動下向遠端運動。

f)解決方案：用振動的方法改變矸石的移動。

根據科學效應庫的分析得到如下方案。

方案（16）利用帶隔板的振動平臺，對不同密度的矸石和煤進行激振，低密度的煤在重力作用下沿平臺表面下滑，高密度的矸石在激振力驅動下向遠端運動。

5 方案評估

從綜合成本、可靠性、可維護性、易加工性、創新性5 個方面，進行方案評估與打分。對最終分數最高的方案進行設計。最終方案采用方案1、6、9、10 相結合的方式。

6 解決方案實施情況

目前改進后的智能干選系統已在河南能化某百萬噸產量的煤礦試用，運行良好。原系統分選效果不夠理想，矸石分離率達到85%，改進后技術指標明顯提升，矸石分離率達到95%，達到了預期效果。

7 結語

本文基于TRIZ 方法對智能干選機的噴吹機構進行改進，能夠更好地提高矸石的分離率，滿足現場的生產要求，提高精煤比例，提高煤炭品質，提高經濟效益。