基于ARIZ的凹印機干燥箱節能創新設計研究*

丁志康 金琳 周錕鵬 肖穎

一、前言

為推動我國印刷行業生態文明建設，加快實施綠色印刷戰略，促進我國印刷產業發展方式轉變，實現“印刷強國”目標，新聞出版總署與環境保護部在2010年9月簽署了《實施綠色印刷戰略合作協議》，綠色印刷成為當前印刷行業發展的主題[1]。

實施綠色印刷不僅要從新材料、新工藝等方向入手，還應重點研究印刷裝備的節能降耗。凹印機是耗能較大的印刷設備。據統計，我國蒸汽加熱凹印機單色實地印刷平均消耗電能和熱能約為0.96克標準煤每平方米印品，其中干燥部分消耗的能源占總能源的60%～90%[2]。因此，研究干燥系統關鍵部件的傳熱性能，對降低凹印機的能源消耗和提升凹印機運轉速度具有非常重要的意義。

干燥箱是凹印機干燥系統的重要組成部件。對干燥箱部件進行節能改進，能大大提高凹印機的能源利用率。目前，凹印機干燥箱主要采用熱風加紅外的干燥模式。本文運用ARIZ理論，通過對干燥箱部件的節能研究，提出凹印機干燥箱節能的改進方案。

二、ARIZ概述

TRIZ理論起源于蘇聯，即“發明問題解決理論”，是指導創新的重要理論之一。TRIZ理論認為，一個問題解決的困難程度，取決于對該問題的描述或程式化方法，描述得越清楚，問題的解就越容易找到。

ARIZ是TRIZ理論的主要內容之一，即“發明問題解決算法”。“ARIZ”是俄文轉化為拉丁文的詞頭縮寫。

ARIZ是一套基于技術系統進化法則的系統性解決算法和邏輯結構化解題流程，是TRIZ理論中最強有力的解決發明問題工具，集成了TRIZ理論的主要觀點。它主要針對問題情境復雜、產生矛盾的相關部件不明確的技術系統，用于將復雜、困難的問題逐步細化至可確定的物理沖突，直至消除沖突、解決問題，具有很強的操作性、系統性、實用性以及易流程化等特性。ARIZ的目標是獲得最終理想解。最終理想解是一個發明問題最優解的模型，可以在系統最小改變，即沒有系統參數變化的情況下消除問題[3]。ARIZ的工作流程圖如圖1所示。

圖1 ARIZ的工作流程圖

三、凹印機干燥箱工作原理

1.凹印機干燥箱干燥機理

凹印機的干燥方式主要為揮發干燥，即油墨與熱風進行傳熱和傳質耦合的過程。傳熱過程，即熱風以對流的方式將熱量傳遞到印刷品表面的油墨，然后印刷品表面油墨以熱傳導的方式向內部傳遞。傳質耦合過程，即油墨中的溶劑在分子作用力和高濃度差的作用下由內部向表面擴散，印刷品表面的溶劑分子吸收熱量汽化，并向熱風中移動的氣相傳質[4]。

2.凹印機干燥箱結構分析

凹印機干燥箱的內部結構[5,6]如圖2所示，主要包括進風口、進風腔、風嘴、回風管、回風腔、出風口等。熱交換器產生的熱風從進風口進入干燥箱進風腔，再由進風腔中的風嘴噴射到承印物表面，干燥表面油墨。干燥油墨后的熱風和產生的溶劑氣體經回風管進入回風腔，并由出風口排出。

圖2 干燥箱內部結構示意圖

干燥箱中風嘴的結構對整個干燥過程影響較大，常見的風嘴有扁平狹口型風嘴和網孔板型風嘴，如圖3所示。扁平狹口型風嘴產生的風速比網孔板型風嘴產生的高，但加熱面積相對較小；網孔板型風嘴產生的風速比扁平狹口型風嘴產生的低，但傳遞的風量較大，因而傳遞的熱量也相對較多。

圖3 扁平狹口型風嘴和網孔板型風嘴示意圖

四、ARIZ在干燥箱節能創新設計中的應用

干燥箱主要功能為干燥油墨，干燥過程可簡化為“干燥油墨工程系統”，其系統結構如圖4所示。熱風由進風口進入干燥箱進風腔，并經風嘴高速射流噴出，與承印物表面的油墨進行對流傳熱，干燥油墨后的熱風和產生的溶劑氣體混合到一起形成廢氣，由出風管進入回風腔，最后由回風腔經出風口向外界排放[7]。

圖4 “干燥油墨工程系統”結構示意圖

1.“干燥油墨工程系統”功能分析

（1）首先分析系統組件。組成系統的主要元件構成系統組件，與系統相關的系統外元件為超系統組件。“干燥油墨工程系統”的組件分析如表1所示。

表1 “干燥油墨工程系統”組件分析

（2）繪制系統作用矩陣。作用矩陣是指系統中各功能組件之間是否有相互能量關系的矩陣圖，“干燥油墨工程系統”作用矩陣如表2所示，表中“＋”表示功能組件之間有相互能量關系，“－”表示功能組件之間沒有相互能量關系。

表2 “干燥油墨工程系統”作用矩陣

（3）對系統進行功能分析。根據作用矩陣，結合干燥箱工作原理，對“干燥油墨工程系統”進行功能分析，分析結果如表3所示。表中B代表基本功能，H代表有害功能。

表3 “干燥油墨工程系統”功能分析表

（4）根據“表3 ‘干燥油墨工程系統’功能分析表”繪制“‘干燥油墨工程系統’功能模型”，如圖5所示。圖中虛線表示不足，雙點畫線表示有害，實線表示正常。由功能模型可知，系統中功能不足的部分有：熱風對油墨的干燥不足，風嘴噴射熱風的不足，進風腔和環境形成的正壓不足，回風腔和環境形成的負壓不足；有害的部分有：承印物吸收熱風的熱量，箱體向外界環境散熱等。

2.“干燥油墨工程系統”因果鏈分析

因果鏈分析是ARIZ陳述問題的一種方法，可以對問題產生的原因進行多層次分析，并形成因果鏈，從因果鏈中找到需要解決的初始問題或矛盾。

對“干燥油墨工程系統”功能模型中功能不足的部分進行歸納，得出系統功能主要不足為：油墨吸收的熱風熱能少，大部分被承印物吸收或者被排放至外界。

將上述不足歸納為系統的初始問題：單位面積油墨吸收的熱能少。結合表3的系統功能分析、圖5的系統功能模型和干燥系統工作原理，對系統初始問題進行因果鏈分析，分析過程如圖6所示。圖中“OR”表明兩個或幾個事件中只要有一個發生就可以導致結果的產生。

圖5 “干燥油墨工程系統”功能模型

圖6 “干燥油墨工程系統”的因果鏈分析圖

對圖6中的初始問題進行因果分析，首先可以發現，導致單位面積油墨吸收熱能少的可能原因為風嘴噴射熱風不足或油墨接觸熱風的時間不足。接著分析又可發現，導致風嘴噴射熱風不足的可能原因為出風管道中熱風的流速小或者熱風的傳熱系數小；導致油墨接觸熱風不足的可能原因為油墨表面溶劑氣體濃度高或者熱風與承印物接觸時間短以及油墨層厚等。以此類推，可得到系統初始問題的多個可能的底層原因。將這些底層原因進行歸納總結便可得到“干燥油墨工程系統”的三個核心問題。

核心問題一：風嘴寬度、風嘴離承印物的高度、風嘴間距離取值不恰當，以及進風腔壓強小，導致風嘴沖擊射流的傳熱系數小。

核心問題二：出風管小和回風腔壓強大，導致油墨表面溶劑氣體濃度高。

核心問題三：出風管大和回風腔壓強小，導致熱風與承印物表面油墨接觸少。

其中后兩個核心問題互為矛盾對。

3.“干燥油墨工程系統”矛盾分析

將系統因果鏈分析中產生的兩個互為矛盾對的核心問題“出風管小和回風腔壓強大，導致油墨表面溶劑氣體濃度高”與“出風管大和回風腔壓強小，導致熱風與承印物表面油墨接觸少”進行矛盾對比分析，如表4所示。

表4 “干燥油墨工程系統”矛盾分析

如果增大出風管截面面積，減小回風腔壓強，雖然可以降低油墨表面溶劑氣體的濃度，提高單位時間的換熱效率，但同時也會減少熱風與承印物表面油墨換熱時間，導致總的換熱量變化不確定；如果減小出風管截面面積，增大回風腔壓強，雖然可以延長熱風與承印物表面油墨換熱的時間，但同時也會提高油墨表面溶劑氣體濃度，降低單位時間的換熱效率，導致總的換熱量變化不確定。

通過以上對“干燥油墨工程系統”的矛盾分析，可以提煉出“干燥油墨工程系統”的最小問題為：不僅降低油墨表面溶劑氣體的濃度，還要延長熱風與承印物表面油墨換熱的時間。將最小問題進行矛盾最大化處理（激化矛盾），可得如下假設：

出風管截面與風嘴邊緣相切時，出風管的截面面積最大；如果選用的排風機排風量達到最大，回風腔負壓最低；假設此時出風管氣體流動量最大，即油墨表面的溶劑氣體濃度最低，熱風與承印物表面油墨換熱時間最短。

這里引入一個未知變量X元素。它可以是某一新技術、新材料、新工藝或者新的設計方案等。因為X元素的存在，在油墨表面溶劑氣體濃度較低的同時，可以延長熱風與承印物表面油墨換熱時間。

對X元素進行時間和空間的分離，其發生的時間域和空間域如圖7所示。X元素發生的時間域和空間域分別在風嘴噴射熱風之后，出風管抽離廢氣之前。

圖7 X元素發生時間域和空間域

4.“干燥油墨工程系統”物-場資源分析

物-場資源分析，就是從物質和場的角度，對系統進行分析和構造的理論和方法學，是ARIZ的一種常用的解決問題的分析方法。

“干燥油墨工程系統”物-場資源分析可以分為操作域系統分析和操作域外部環境分析[8]，如表5、表6所示。

表5 操作域系統分析

表6 操作域外部環境分析

在因果鏈分析和矛盾對分析的基礎上，結合物-場資源分析中物質的相關參數和場的分析，可找到解決最小問題的X元素的解。

5.“干燥油墨工程系統”最終理想解

X元素是降低油墨表面溶劑氣體濃度的同時，延長熱風與承印物表面油墨換熱時間，且X元素發生在風嘴噴射熱風之后和出風管抽離廢氣之前的時間域和空間域內，X元素是不增加系統復雜程度，且不產生任何有害作用的理想解。根據物-場的操作域系統分析和操作域外部環境分析，結合因果鏈中的問題因果分析，找到以下三種X元素的理想解。

（1）利用溶劑氣體分子比空氣分子質量重的原理，設計一種干燥裝置，將出風管往下延伸至溶劑氣體分子密集區域，并且在延伸管上開小孔，方便上面的熱風和溶劑分子回收，這樣不僅可以增加熱風與承印物表面油墨的換熱時間，降低承印物表面溶劑氣體的濃度，而且不產生任何有害作用。凹印機干燥箱創新設計方案一如圖8所示。

圖8 凹印機干燥箱創新設計方案一

（2）通過試驗設定風嘴寬度、風嘴離承印物的距離、風嘴的間距以及風嘴的傾斜角度，可以在延長熱風與承印物表面油墨換熱時間的同時，降低承印物表面溶劑氣體的濃度，且不增加系統復雜程度，也不產生任何有害作用。凹印機干燥箱創新設計方案二如圖9所示。

圖9 凹印機干燥箱創新設計方案二

（3）尋找一種氣體，將它與熱風混合，對承印物進行干燥時，該氣體能與油墨揮發的溶劑氣體反應，生成其他氣體，使油墨表面溶劑氣體的濃度大大降低，加快溶劑的揮發，且不增加系統復雜程度，不產生任何有害作用。

五、結語

通過ARIZ算法，對凹印機干燥箱進行了功能分析、因果鏈分析、物理矛盾分析、時間和空間分離、物-場資源分析，得到干燥箱節能改進的三個最終理想解。根據最終理想解可得到凹印機干燥箱節能的多個改進方案。

第一，將出風管往下延伸至溶劑氣體分子密集區域，并且在延伸管上開小孔，方便上面的熱風和溶劑分子回收。

第二，將風嘴做成傾斜狀，可延長熱風與承印物表面的換熱時間，同時降低承印物表面溶劑氣體的濃度。

第三，尋找一種理想氣體。它能與油墨揮發的溶劑氣體反應，生成其他氣體，從而降低油墨表面溶劑氣體的濃度，加快溶劑的揮發。這個過程中產生的氣體應無毒無害。

[1]陳文革，蔣文燕，黃學林，等.我國凹版印刷機的現狀及發展方向[J].包裝工程，2008，29(4)：169-171.

[2]金琳，李艷，王儀明，等.基于測試的凹印機能效分析[J].包裝工程，2014，35 (19)：119-124.

[3]檀潤華.創新設計——TRIZ：發明問題解決理論[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]黃清明，陳芳園，許鵬，等.凹版印刷機干燥系統機型結構工藝參數節能減排設計[J]. 機械工程師，2010(3)：38-42.

[5]何曉輝，岳德茂.印刷科技實用手冊[M].北京：印刷工業出版社，2010.

[6]孫龍.凹版印刷機熱風干燥系統的性能研究[D].西安：西安理工大學，2008.

[7]金琳.基于測試評價的凹印刷機烘干系統創新設計方法研究[D].北京：北京印刷學院, 2015.

[8]李艷，施向東.基于TRIZ理論的印刷裝備創新設計案例[M].北京：文化發展出版社，2017.