基于TRIZ與可拓學的膜過濾裝置優化設計

向 宇，仲梁維，袁坤坤，喬秋飛，邵 煉

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引 言

膜分離技術被認為是21世紀最有前途、最有發展前景的重大高新技術之一，它在工業技術改造中起著戰略性作用［1］。然而，膜污染問題是目前影響膜應用規模擴大的關鍵問題之一。它會導致膜通量持續降低，同時影響系統的穩定運行、能耗、膜的使用壽命和更換頻率，直接關系到膜過濾應用工藝的經濟性。國內外膜技術研究學者也為此一直在尋找好的解決方案，比如錯流過濾、加強橫向流速、增加氣體反沖、加入阻垢劑、設置湍流器等，這些手段雖然在一定程度上降低了膜污染，提高了過濾效果，但還是沒從根本上解決問題，并且上述諸多方法中很少有通過對膜過濾裝置的創新設計來達到降低膜污染。

而近年來，產品創新優化設計方法與理論研究得到快速發展，尤其是TRIZ理論與其它方法的集成，成為許多學者研究的重點［2］，并因此解決了許多技術問題。為此本文將TRIZ與可拓學相結合，提出了基于TRIZ與可拓學的產品創新優化設計方法，并將其運用到傳統膜過濾裝置的創新優化中，取得了不俗的效果。

1 基于TRIZ與可拓學相結合的產品優化創新設計方法

1.1 TRIZ理論

TRIZ［3－4］是以前蘇聯 G.S.Altshuller及其領導的一批研究人員在分析世界各國250萬件專利的基礎上，提出的一種發明問題解決理論，它是一種創新型解決問題的理論。其主要目的是研究人類在進行發明創造和解決技術難題的過程中所遵循的科學原理和法則［5］。通過已有的矛盾矩陣、76個標準解、40個發明專利和ARIZ等來處理工程技術中的矛盾問題，其優點就是TRIZ幾乎涉及所有的技術領域。近年來，很多世界級的大公司如波音、西門子、三星、福特、索尼、摩托羅拉、LG、惠普等利用TRIZ來進行產品的創新設計，并取得巨大效益［6］。

1.2 可拓學

可拓學是由中國學者蔡文于1983年提出的一門原創性橫斷學科，它以形式化的模型，探討事物拓展的可能性以及開拓出新的規律與方法，并用于解決矛盾問題［7］。可拓學的基本理論是可拓論，它包括基元理論、可拓集合理論和可拓邏輯三個組成部分。可拓學以基元（包括物元、事元和關系元）為邏輯細胞，以可拓工程方法為研究手段［8］。

可拓學研究的目標是通過探討以形式化模型處理矛盾問題的規律，研究用計算機處理矛盾問題的基本理論與方法，以及計算機智能操作的推理技術，研制相應的智能系統，解決多個領域中的矛盾問題。在創新應用中主要通過以下4個步驟獲得創意，即可拓思維模型、拓展發散、可拓變換和優度評價［9］。目前，可拓學已進入管理、控制、計算機、機械產品創新以及其他領域的研究應用，并取得一系列的成果［10－11］。

1.3 基于可拓學與TRIZ的產品創新優化設計方法

TRIZ關于矛盾的分類是具體的，對產品設計過程中技術與物理矛盾解決具有很強的現實指導意義和可操作性；而可拓學關于矛盾的分類是抽象的，可拓學具有更為寬廣和系統化的理論基礎。同時，創新原理與可拓推理在解決矛盾問題的方式上都有異曲同工之妙［12］。可見，TRIZ與可拓學之間既存在差異，也具有內在聯系。

因此將TRIZ與可拓學進行有機結合，歸納總結，取長補短，并提煉形成新的產品創新方法，其全過程具體步驟如下［13－14］：

（1）分析待創新的產品，找出阻礙產品優化創新的技術矛盾或物理矛盾或主客觀矛盾；

（2）若阻礙產品創新的矛盾為物理矛盾或技術矛盾，進入步驟（3），若該矛盾為主客觀矛盾，直接進入步驟（4）；

（3）使用TRIZ矛盾矩陣表（標準矛盾矩陣表、期望參數改善的矛盾求解表、避免參數惡化的矛盾求解表、單一參數矛盾求解表）解決阻礙待創新產品創新的技術矛盾或物理矛盾，得到初步創新方案；

（4）進入可拓學菱形思維模型的發散過程，采用發散樹方法，分析由步驟（3）得到的初步創新方案，根據物元的發散性，進行可拓物元發散，得到發散方案集：方案1，方案2，……，方案n；

（5）進入可拓學菱形思維模型收斂過程，采用優度評級法，對由步驟4得到的發散方案集進行可拓學優度評價，并進行定性和定量分析，最后得到一個關于各發散方案的優度序列，優度較高的發散方案可以進行決策和實施階段，選取優度最高的方案作為最佳首選方案；

（6）對由步驟（5）得到的最佳方案進行分析，若該方案不存在阻礙其創新的技術矛盾或物理矛盾，則其即為最終創新方案；若該方案仍存在阻礙其創新的技術矛盾或物理矛盾，則重復步驟（1），所得到的創新方案為最終創新方案。

對以上各步驟進行分析知TRIZ與可拓學相結合的產品創新評價方法的流程圖如圖1所示。

圖1 TRIZ與可拓學相結合的創新方法流程

2 基于TRIZ與可拓學的膜過濾裝置的創新與優化

2.1 找出阻礙該產品創新的技術矛盾或物理矛盾

傳統膜分離技術的瓶頸問題－膜堵塞，不但會降低濾液的生產效率，同時造成膜污染，大大降低膜的使用壽命。因此，可以確定阻礙膜分離產品創新的矛盾是一對技術矛盾。TRIZ理論提出用39個通用工程參數對矛盾進行描述，從39個工程參數中選擇兩個進行表示。（1）希望改善的工程參數：生產率（NO.39）；（2）避免惡化的工程參數：物體產生的有害因素（NO.31）。至此，我們已把實際阻礙產品創新的矛盾轉化為標準的技術矛盾，為此后使用TRIZ矛盾矩陣解決產品創新問題奠定了基礎。

2.2 使用TRIZ方法獲得解決方案

使用TRIZ矛盾矩陣表得到所推薦的發明原理：35# 參數變化；22# 變有害為有益；18# 振動；39#惰性環境。經過分析，我們選擇18#振動這一發明原理作為產品創新優化的指導，通過添加振動的方式解決阻礙膜分離產品創新的矛盾。

2.3 TRIZ方法對膜過濾裝置的創新與優化

通過18#發明原理指導即添加振動的方式，解決了膜分離技術的瓶頸問題－膜堵塞，實現了膜分離技術的創新。

創新型膜過濾裝置的基本結構如圖2所示，它由扭力桿及其上部圓柱形的過濾元件集合體及下部的振動器組成。在振動器上安裝有偏心塊，因而當驅動電機的動力經傳動軸傳至振動器上時，偏心塊使重心偏離電機軸中心位置，形成偏心運動，該力使振動器在水平方向回轉，由于振動器的加重，造成了慣性矩。變頻電動機帶動偏心輪轉動，帶動底座的擺動，轉動的能量再通過中心主軸傳遞到裝置上部的膜組件使之擺動。這種擺動會使組件中的膜的振動產生剪切波，使需處理的液體中的雜質處于懸浮狀態而從雜質出口處排出，不會沉淀到膜表面上，也就消除了膜污染的問題［15］。

傳統過濾方式的特點是需要過濾的液體在膜面上流動，而濾膜是固定靜止不動的，這樣就極易造成膜污染，如圖3所示。而創新型膜過濾裝置中的膜組件是動態的，它能夠產生150 000 s－1的剪切力，比傳統的錯流式系統的剪切力大10倍，使需要處理的液體中的雜質處于懸浮狀態而從雜質出口處排出，不會沉淀到膜表面上，也就消除了膜污染的問題，如圖4所示。

2.4 膜過濾裝置膜組件物元模型的建立

圖3 靜態濾膜分離示意圖

圖4 振動濾膜分離示意圖

把膜以某種形式組裝在一個基本單元設備內，以便使用、安裝、維修。這種基本單元設備叫膜組件。在選擇膜組件的衡量條件中，價格、裝填密度、清洗容易程度、膜更換容易程度、壓力降等因素起了主要作用，因此其選擇為主觀矛盾。在可拓評價過程中，應著重考慮這幾個因素。可將它們作為膜組件的特征，根據各個特征值對膜過濾裝置膜組件進行評價。膜組件用物元可以表示為：

2.5 膜組件菱形可拓思維模型建立

膜組件經過物元分析后，建立膜組件菱形可拓思維模型。采用單級菱形思維模型，對膜組件物元模型進行分析，采用先發散后收斂的菱形可拓思維模式，對合適的評價方法進行篩選，最后得到最佳評價方案。

（1）膜組件的可拓學發散過程

由物元的發散性，基于發散樹的一般模型，得到膜組件的物元表示形式為：

由（膜組件Nx，c，c（Nx））這一物元，根據發散樹的一般模型，由此發散出板框式膜組件、螺旋卷式膜組件、管狀膜組件、中空纖維膜組件四種膜組件供篩選，得出膜組件方案集U，即U?｛R1，R2，R3，R4｝。四種膜組件比較如表1所示。

（2）膜組件的可拓收斂過程

由可拓學發散樹方法，可以得到四種不同的膜組件選擇方案。下面使用可拓學優度評價方法作為膜組件的收斂過程，以上述四種方案為對象，對膜組件方案集U進行優度評價，得出最佳選擇方案。

表1 四種膜組件比較表

一共有四種膜組件方案可供選擇，每種方案有5個評價指標（特征）：c1＝價格（元／m3），c2＝裝填密度（m2／m3），c3＝清洗容易程度，c4＝膜更換容易程度，c5＝壓力降。其具體評價指標量值如表2所示。

表2 四種膜組件選擇方案評價指標量值表

首先采用模糊量化的思想將定性數據量化，將評價指標c3、c4量化為9級：［最難，很難，難，較難，一般，較易，易，很 易，最 易］，分 別 對 應 ［0，0.125，0.25，0.375，0.5，0.625，0.75，0.875，1］，同樣將評價指標c5量化為9級。

為了能夠量化評價，如果出現定性指標，則需要先用其他方法將其數量化；對于既含有最大值最優也有最小值最優指標的方案，通常轉化為單方向最優，如最大值最優或最小值最優，這里采用最大值最優。提出如下數據處理方法：

式中x，y分別為處理前和處理后的數據，λ為比例因數，用于調節數值范圍。

然后用上式對數據進行處理，取λ＝0.95，處理后的4個方案所對應的數值物元為：

最后依據可拓優度評價方法的步驟，計算出各方案的規范合格度和優度：Cj＝［0.38890952，0.091392055，0.54117453，0.28282997］，則各方案的相對優先次序為：管狀膜組件＞板框式膜組件＞中空纖維膜組件＞螺旋卷式膜組件，由此得出優度得分為0.54117453所對應的方案：管狀膜組件為最佳可選方案。

經上述創新設計方法設計出的創新型膜過濾裝置已經申請國家實用新型專利，并成功獲得授權。

3 結束語

（1）提出了基于可拓學與TRIZ相結合的產品創新評價方法，并歸納出該產品創新評價方法的流程；最后將該方法引入膜過濾裝置的創新優化設計中來。按此方法所優化設計的膜過濾裝置能夠巧妙地避免傳統膜過濾裝置的缺點，取得不俗的效果。

（2）膜過濾裝置的優化設計，驗證了該方法的有效性與實用性，這將給其他產品的創新優化設計提供新的理論和方法。

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