TRIZ理論在實現磁懸液配制充分攪拌問題中的應用

摘要：TRIZ是解決創造性問題的理論和方法， 目前已經成為國外質量界開始研究的熱點。本文通過使用TRIZ功能模型、因果分析、技術矛盾和物場模型等工具，探討TRIZ方法在實現磁懸液配制充分攪拌問題中的應用。

關鍵詞：TRIZ；功能分析；技術矛盾；物場模型

TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。實踐證明，運用TRIZ理論，可加快人們創造發明的進程，而且能得到高質量的創新產品[1]。

如圖1所示，TRIZ工程問題解決的流程為將待解決的工程問題的分析過程，轉化為TRIZ的問題模型，然后應用TRIZ解決問題模型，提出解決方法，并將解決方案落實到實際問題中。本文以解決鑄型刮砂成型過程中型砂坍塌問題為例，討論TRIZ理論在解決工程問題中的應用。

1 問題描述

大型鑄鋼件表面缺陷通常采用磁粉濕法探傷，為保證噴灑至鑄件表面的磁懸液基底中磁粉粒子同時具有良好的流動性和顯像效果，配制及取用的磁懸液需要適宜的濃度。磁懸液攪拌設備采用機械攪拌的方式使磁粉能夠均勻分散在水基載體中，但由于磁粉粒子因自身重力而下沉，且液體中各處的攪拌強度不同，導致同一桶中不同深度處或是不同部位處抽取的磁懸液濃度差異較大，影響磁粉探傷檢測準確性。如何保證磁懸液濃度的均勻性，成為當務之急。

2 問題分析

2.1功能分析

為實現磁懸液的攪拌均勻，使用磁粉攪拌設備攪拌，該設備由攪拌機構（電機、傳動軸、葉片）、配液桶、水、磁粉、稱量桶等部件組成，如圖2所示。將磁粉和水按規定的比例分別加入攪拌桶中，通過攪拌機構將其充分攪拌后，使用梨形瓶采樣測定濃度，若在濃度范圍內即可使用，否則需要對磁粉或水基載體進行調整。

該磁懸液攪拌系統的作用對象是磁懸液，各組件之間的相互關系以及作用為：電動機驅動傳動軸，傳動軸驅動攪拌葉片，攪拌葉片攪拌磁懸液，液料桶容納磁懸液，液料桶支撐電動機，梨形瓶稱量磁粉。超系統組件與系統組件的相互關系與作用為：空氣（環境）改變磁懸液溫度，噴壺盛裝磁懸液，磁懸液噴灑在鑄件上，磁場磁化磁懸液，相互作用如圖3所示。在實際生產中，由于電機對傳動軸固定不穩定，導致傳動軸在旋轉的過程中擺動幅度大，葉片容易撞擊到桶壁，造成葉片的損壞。另外由于葉片對液料的攪拌強度不足，導致液料不均勻。

2.2因果分析

磁懸液攪拌過程中，磁懸液不均勻的原因可使用圖4所示的因果鏈分析，由于攪拌強度的不足，導致磁粉不均勻，究其根本原因有兩點：其一是電動機傳動軸太長，導致攪拌葉片水平擺動幅度大，降低攪拌葉片的速度，從而提供的攪拌力不足；其二是攪拌葉片數量太少。

3 問題解決

3.1技術矛盾

所謂技術矛盾是指用已知的原理和方法改進系統某部分或某些參數時，不可避免地出現系統的其它部分或參數變壞的現象[2]。例如：質量和強度、汽車的速度和燃料耗費等等。

A1tshuller 通過對大量發明專利的研究，抽象出39 項產生系統矛盾對立的典型技術特性，又在此基礎上給出了40 個發明創造原理[2]，提示設計者最有可能解決問題的方法，成為解決技術矛盾的關鍵。

在本文研究的問題中，針對根本原因“攪拌葉片數量少”，采取增加攪拌葉片的數量，如圖5，從而提出技術矛盾如下。

技術矛盾1：增加攪拌葉片數量，葉片攪拌磁懸液的力就會增加，磁粉濃度均勻性提升，但是攪拌葉片的擺動幅度就會更大，容易損壞攪拌葉片和液料桶；

技術矛盾2：不增加攪拌葉片數量，攪拌葉片的擺動幅度就會不變大，也不會更容易損壞攪拌葉片和液料桶，但是葉片攪拌磁懸液的力就不會增加，磁粉濃度均勻性差。

從以上技術矛盾中找到改善的技術參數是10“力”，惡化的技術參數是31“物體產生的有害因素”。為了解決這一矛盾，對照阿奇舒勒矛盾矩陣[1]，提供了4種發明原理，分別為3“局部質量原理”、13“反向作用原理”、24“借助中介物原理”、36“相變原理”。通過對這些原理的比較，從發明原理3中提出概念方案1：電動機轉動軸下方增加限位工裝，減少攪拌葉片水平方向的擺動，增加垂直方向的攪拌葉片；概念方案2：配料桶中不加磁粉，在配料桶出口處增加磁粉加入裝置，取樣的過程中，利用水的流動攪拌磁粉，達到均勻的目的；從發明原理13中提出概念方案3：電動機安裝在配料桶下方，在液料桶底部增加攪拌葉片數量；概念方案4：電動機帶動配料桶旋轉，攪拌葉片不旋轉，增加攪拌葉片數量；從發明原理24中提出概念方案5：電動機轉動軸下方增加限位工裝，減少攪拌葉片水平方向的擺動，并且增加攪拌葉片數量。

3.2物理矛盾

在一個系統中，任何問題均可以嘗試運用物理矛盾進行分析和解決，基于物理矛盾和技術矛盾的密切關系，可以從技術矛盾中提煉物理矛盾，從另外角度思考解決方案。本文研究的問題中，針對根本原因“攪拌葉片數量少”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：為了滿足磁懸液攪拌充分，攪拌葉片的數量要多；

物理矛盾2：為了滿足攪拌系統的水平擺動小，攪拌葉片的數量要少。

本文針對攪拌葉片的數量，提出了相反要求的物理矛盾，基于“空間分離原理”提出概念方案6：電動機轉動軸下方攪拌葉片尺寸大，上部攪拌葉片尺寸?。桓拍罘桨?：電動機轉動軸下方攪拌葉片密度大，上部攪拌葉片密度小。

3.3剪裁

剪裁是一種現代TRIZ理論分析問題的工具，是指將一個或一個以上的組件去掉，而將其所執行的有用功能利用系統或超系統中的剩余組件來替代的方法[3]。

在本文研究的問題中，功能模型如圖3，電機對傳動軸固定不穩定，葉片對液料的攪拌強度不足，導致磁懸液濃度不均勻。利用剪裁的思路，提出概念方案8：剪裁掉攪拌葉片、傳動軸、電動機等，改用氣動攪拌的方式攪拌磁懸液；概念方案9：剪裁掉攪拌葉片、傳動軸、電動機等，液料桶旋轉90°，使其自己轉動實現攪拌均勻；概念方案10：剪裁掉攪拌葉片、傳動軸、電動機、液料桶等，使用小噴壺替代電動機攪拌系統，每次使用前，小壺加入定量的磁粉和水，使用手動搖晃促使磁懸液均勻。

3.4物場模型

物場模型是TRIZ對與現有技術系統相關問題建立模型的工具，是技術系統中最小的單元，由兩個元素以及兩個元素間傳遞的能量組成，執行一個功能。Altshuller把功能定義為兩個物質（元素）與作用于它們中的場（能量）之間的交互作用，也就是物質S2 通過能量F 作用于物質S1產生的輸出（功能）[4]，如圖6 所示。

物場模型在解決效應不足的問題時，提供的一般解法有3種：1）增加另外一個場F2（或者F2和S3一起）替代原來的場F1（或者F1及S2）；2）增加另外一個場F2來強化有用的效應；3）插進一個物質S3并加上另一個場F2來提高有用效應[1]。

在本文研究的問題中，針對攪拌葉片S2對磁懸液S1的攪拌作用不充分，導致磁粉在液料中濃度不均勻、刮板對樹脂砂的作用不充分，利用物場模型進行分析，建立物場模型如圖7所示，攪拌葉片通過機械場對磁懸液有攪拌的作用，但是此作用不充分，屬于效應不足的完成模型，應用物場模型-標準解2.2.5構造場，利用異質的或可調的有組織結構的場代替同質的或非組織結構的場來增強物場模型，提出概念方案11：用壓縮空氣通入的方法，增強磁懸液的攪拌效果，將壓縮空氣管從液料桶底部接入，并且通過葉輪的攪動促進磁懸液的混合；概念方法12：選取一種可控性好的攪拌裝置，例如磁場攪拌代替機械攪拌的方法，能更加充分的使磁粉和液料混合均勻。

3.5方案評價

從消除矛盾、產生新的危害、投入成本、復雜性以及可行性5個方面，按照0/1/2三個等級，分值越大代表越有利于消除矛盾，產生的新危害越小，投入的成本越低，系統越簡單，可行性越高，對以上解決方案進行評價，并對5種解決方案進行優先級排序。如表1所示，得分最高的方案8為優選方案，其次是方案11、方案5、方案1、方案9。

采用概念方案5，設置如圖8氣動攪拌裝置，包括電機1、鼓風機2、氣壓表3、進氣軟管4、盤旋型進氣管5、攪拌桶6、蓄水池7、抽水泵8、進水閥門9、進水管10、出水閥門11、出水管12、進料口13、水位刻度表14，對磁懸液配料系統設備進行改進，實現氣動攪拌替代目前電動攪拌系統，解決了磁懸液濃度不均勻的問題。

4 結論

本文通過應用TRIZ基本理論，結合磁懸液配料系統攪拌不均勻的問題，探討了如何利用TRIZ分析工具分析實際問題，并且轉化成TRIZ問題模型，然后利用TRIZ工具解決問題，對此問題提出解決方案，最后通過各方案的評價篩選出最優的解決方案。

責編/劉紅偉

參考文獻

[1] 曹福全.創新思維與方法概論——TRIZ理論與應用 [M]. 黑龍江教育出版社.2009.

[2] 牛占文，徐燕申，林岳等.發明創造的科學方法論——TRIZ[M].武漢： 中國機械工程出版社，1999，10（1）：84～89.

[3] 孫永偉.TRIZ打開創新之門的金鑰匙Ⅰ[M]. 科學出版社.2015.

[4] 馬文治，蘇志東.TRIZ方法在解決鑄型刮砂過程中型砂坍塌問題中的應用[J].科技創業，2016，（6）：123～124.