TRIZ理論在降低小角環成型過程波紋變形問題中的應用

韓博　馬波

摘要：目的：針對變壓器線圈端部和線餅之間放置的成型小角環，在成型的過程中，紙板經過熱壓定型，折彎過程中波紋狀瓦楞紙板隨著折彎進程，波紋變形嚴重，熱壓定型失效。方法：應用TRIZ理論，使用功能分析和剪裁、因果鏈分析等工具系統的分析了造成問題的原因。結論：應用技術矛盾、物理矛盾、物場模型和標準解等工具提出了多項具有可行性的解決方案，達到了解決問題目標的要求。

Abstract： Objective： Small angle ring placed between the end of the transformer coil and the thread cake， in the molding process， cardboard through hot pressing， corrugated cardboard during the bending process is severely corrugated with the bending process， and the hot pressing is failure. Methods： TRIZ theory， functional analysis and tailoring， causal chain analysis， and other tools were used to systematically analyze the causes of the problem. Conclusion： with the technical contradiction， the physical contradiction， the field model and the standard solution， a number of feasible solutions are put forward to meet the requirement of solving the problem.

關鍵詞：變壓器；小角環；波紋變形；TRIZ

Key words： transformer；small angle ring；ripple deformation；TRIZ

中圖分類號：TM421 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0232-04

0 引言

近年來，隨著變壓器的容量和電壓等級的升高，為改善電場分布、油流分布，加強線圈絕緣強度，防止沿主絕緣邊緣和線餅間爬電，經常在線圈端部和線餅之間放置成型小角環，成型小角環大都采用濕紙漿坯模壓制而成，制造工藝繁瑣[1]。隨著技術發展，小角環采用絕緣紙板[2]，經過剪切下成條料，浸濕后經模具熱壓而成。使用時，進行人工折彎，用數個小角環彼此搭接組成整只角環[3]。其滿足了不降低應有絕緣強度的前提下，盡可能的減小了端部的絕緣距離，降低了制造成本。

在線圈繞制過程中為了增加局部導線的絕緣厚度，增設小角環是非常必要的，尤其是高電壓等級的繞組初始段，能達到降低該處電場強度，提高絕緣可靠性，增加油流散熱面積，減小局部溫升。小角環原材料選用T4絕緣紙板，保證纖維素的長度，成型后抗拉、抗彎強度較好。壓制、折彎工序為小角環制作的關鍵工序，決定著小角環的穩定性。采用蒸餾水對絕緣紙板進行加濕，提高紙板塑性。通過瓦楞壓制機構進行波紋熱壓定型，然后進行折彎預處理及折彎過程。這是目前行業內傳統的制造方法，但就其折彎過程中波紋的變形的問題，一直沒有得到重視，波紋變形改變了局部油流分布，增加了局部溫升，加速了絕緣老化，使變壓器運行存在安全隱患。

本項目的研究目標就是要在不增加加工成本的基礎上，保證性能指標不降低的條件下，大幅度的提高小角環的穩定性，使小角環波紋的角度和形狀呈標準狀態，從而提高絕緣水平和油流散熱的目的。

1 TRIZ 理論簡介

TRIZ理論是由前蘇聯發明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的團隊通過研究分析全世界近250萬份專利和創新案例的基礎上[4]，總結、歸納出的一套系統化、流程化的創新問題解決方法[5]。TRIZ理論成功地歸納總結出了發明創造的原理和內在規律，為揭示和解決系統中的矛盾提供了一套切實可行的理論方法[6]。其解決問題的思路為將實際問題轉化為標準問題模型，由標準問題模型得到解決方案模型，最后由解決方案模型演成為最終的解決方案[7]。TRIZ理論的應用非常廣泛，主要應用在產品設計、功能設計、工藝設計、專利規避等領域[8]。

2 問題描述

系統的工作原理為：將紙板通過擠壓、熱定型形成波紋狀瓦楞紙板，由折彎設備進行瓦楞折彎而實現小角環成型。存在的主要問題是紙板經過熱壓定型，折彎過程中波紋狀瓦楞紙板隨著折彎進程，波紋變形嚴重，熱壓定型失效。解決問題的限制條件是：①原材料絕緣強度不低于T4絕緣紙板；②技術系統復雜性；③自動化程度；④成本增加應進行控制，不超出現有水平的10%，力求經濟可行。

3 TRIZ分析

3.1 功能分析和剪裁

根據功能分析的步驟，技術系統的名稱為小角環成型機，其主要功能（v+o+p）為改變+紙板+外形。通過系統組件分析，系統組件由紙板、電動機、減速器、傳動齒輪、從動齒輪、轉軸、限位板、托板、波紋成型輪、折彎壓線輪、折彎輪、擋板等組成，超系統組件由潮濕空氣組成。通過組件相關作用關系分析，得到兩兩組件之間是否存在相互作用關系，根據作用關系，分析組件間功能和參數，建立功能列表，最終畫出功能模型圖（如圖3所示）[9]。

從功能模型圖中可以看出，折彎輪對紙板存在有害作用，折彎壓線輪對紙板存在有害作用，波紋成型輪對紙板的擠壓不足，有水分的空氣存在軟化紙板的有害作用。通過實驗發現帶水分的空氣只要空氣濕度在60%以下對紙板的軟化程度可以忽略不計。因此在后續解決問題的過程中，重點解決其余三個問題。針對折彎壓線輪存在擠壓紙板的有害作用，采用裁剪工具進行裁剪，如果裁剪掉折彎壓線輪，那么就沒有擠壓紙板有害功能，同時也沒有轉軸帶動折彎壓線輪。但是產生新的問題為，剪裁掉壓線輪，如何實現壓線的功能。

提出解決方案1：裁剪壓線輪，將壓線輪的壓線功能在波紋成型輪上實現（如圖4所示）。

在上述裁剪的基礎上，可以執行劇烈裁剪，如果剪裁波紋成型輪，那么成型輪對紙板的擠壓作用不足將不存在，如果剪裁折彎輪，那么折彎輪對紙板的形狀改變就不存在。根據剪裁規則A，如果折彎壓線輪、波紋成型輪、折彎輪被剪裁，那么帶動功能可以被剪裁，功能載體轉軸可以被裁剪。根據剪裁規則A，如果轉軸被裁剪，那么功能載體從動齒輪可以被裁剪。同理，根據剪裁規則A，可以將傳動齒輪、減速器、電動機全部裁剪。而擋板、限位板、托板固定在機身中，隨即也可全部裁剪，帶來的新問題為，如何使紙板實現折彎功能，或采用新的原理實現。

提出解決方案2：采用成型毛細管和多孔結構的物質，替代原有紙板。

3.2 因果鏈分析

根據因果鏈分析的步驟，首先確定目標問題，并分層分析造成目標問題的原因，最終確定造成問題出現的根本原因和關鍵原因[10]。在本項目分析的過程中，選擇波紋幅度不充分和壓線寬度過度兩個目標問題進行分析，得到兩個因果鏈分析圖（如圖6、圖7所示）。

通過因果鏈分析，結合實際工程狀況，確定折彎輪壓線過度造成波紋變形和波紋無支撐為關鍵原因。提出解決方案3：調整壓線及波紋成型順序，先壓線后實施波紋成型，消除壓線對波紋變形的影響。

3.3 資源分析

物質資源：紙板、電動機、減速器、傳動齒輪、從動齒輪，轉軸、限位板、托板、波紋成型輪、折彎壓線輪、折彎輪、擋板。

能量資源：電動機械力。

信息資源：熱壓溫度、紙板外形尺寸、齒輪轉速。

空間資源：成型輪間的空間，紙板折彎空間。

時間資源：折彎輪、成型輪轉動之前的時間，成型輪轉動熱壓定型的時間。

功能資源：成型輪可以加裝壓線裝置。

3.4 技術矛盾

技術矛盾1。TC1：如果增加壓緊彈簧，那么轉軸不會彎曲，波紋成型輪組間間隙穩定，波紋成型效果好，但是降低了制造精度[11]。

TC2：如果不增加壓緊彈簧，那么制造精度不會降低，但是轉軸就會彎曲，波紋成型輪組間間隙增大，波紋成型效果差。

改善的參數：波紋的力。惡化的參數：波紋的制造精度。

得到發明原理為28號機械系統代替原理、29號氣壓和液壓結構原理、37號熱膨脹原理、36號相變原理。根據氣壓和液壓結構原理，提出解決方案4：改變波紋成型輪為平板成型模具，豎直方向施加壓緊力，使紙板擠壓成型（如圖8所示）。

根據熱膨脹原理，提出解決方案5：利用兩種不同熱膨脹系數的材料，組合成為施壓單元，對紙板進行擠壓和熱定型（如圖9所示）。

技術矛盾2。TC1：如果增加支撐模具，那么折彎壓線輪擠壓波峰正常，波峰壓線壓力合理，但是降低了波谷的壓強。

TC2：如果不增加支撐模具，那么增加了波谷的壓強，但是折彎壓線輪擠壓波峰過度，波峰壓線壓力過度。

改善的參數：波峰的支撐力。惡化的參數：波谷的應力、壓強。

查詢發明原理，得到18號機械振動原理、21號減少有害作用原理、11號事先防范原理。根據機械振動原理，提出解決方案6：改變折彎壓線方式，采用針式點線，在紙板上形成折彎線。

根據減少有害作用原理，提出解決方案7：提高壓線進料速度與壓線輪轉速，減小壓力作用時間，降低波紋變形。

技術矛盾3。TC1：如果增加可調節裝置，那么折彎壓線輪擠壓波峰正常，波峰壓線壓力合理，但是降低了壓線穩定性。

TC2：如果不增加可調節裝置，那么提高了壓線穩定性，但是折彎壓線輪擠壓波峰過度，波峰壓線壓力過度。

改善的參數：折彎壓線輪的適應性、通用性。惡化的參數：折彎壓線輪的穩定性。

應用矛盾矩陣，得到發明原理35號物理和化學參數改變原理、30號柔性殼體和薄膜原理、14號曲面化原理。

根據物理和化學參數改變原理，提出解決方案8：折彎壓線輪采用柔性連接，更換壓線輪鋼架支撐，使用彈簧連接，實現折彎壓線輪隨波紋起伏而變化。

根據曲面化原理，提出解決方案9：折彎壓線輪采用曲面化處理，曲面按照波紋起伏進行形狀設計，使紙板受壓均勻。

3.5 物理矛盾

關鍵問題：因轉軸受力不均勻，導致轉軸彎曲折彎，波紋成型輪組間嚙合不充分，擠壓、定型不足，波紋成型效果差。物理矛盾：為了保證波紋成型效果，需要增加壓緊力；為了轉軸不彎曲，需要降低壓緊力。采用空間分離，利用分割原理提出解決方案13：改變波紋成型輪結構，將波紋成型輪擠壓紙板的區域采用剛性材料，波紋成型輪與轉軸接觸區域采用柔性材料連接。利用借助中介物原理提出解決方案14：轉軸與波紋成型輪之間不直接接觸，增設柔性齒輪柱，由轉軸帶動柔性齒輪柱，齒輪柱轉動波紋成型輪，轉軸不承受波紋成型輪承壓后的反向作用力。

3.6 物場分析與標準解

針對折彎壓線輪（S2）對紙板波紋（S1）擠壓過度的問題建立物場模型，利用標準解1.2.1在系統的兩個物質之間引入外部現成的物質，提出解決方案13：在系統中引入能使折彎線成型的物質，利用它承受折彎壓線輪的壓力，然后讓它作用于紙板，來減弱彎壓線輪對紙板波紋造成的變形。在系統中，完成波峰壓線的間隙完成波谷壓線。利用標準解1.2.1，在紙板與折彎壓線輪間引入折彎線成型裝置，通過周期性漸變壓線齒對紙板進行壓線，實現均勻受力的壓線，降低紙板波紋變形。

根據標準解1.2.3排出有害作用，提出解決方案16：將折彎壓線輪設計為波峰壓線輪與波谷壓線輪，在完成波峰壓線的同時實施波谷壓線，并讓兩個壓線輪呈周期性上下交替變化，實現壓線的同時降低紙板波紋變形。

4 方案整理評價與實施

4.1 方案整理與評價

對16個解決方案從消除矛盾、系統復雜、產生新的危害、成本、可行性等多個方面進行綜合綜合評價中。最優方案1為采用成型毛細管和多孔結構的物質替代紙板，最優方案2為曲面化折彎輪設計，但最優方案1對系統改進較大，從產品的生命周期角度考慮，仍然采用該方案進行實施。

4.2 方案驗證與實施

采用柔性多孔玻璃纖維絕緣板后，線圈局部溫升、絕緣水平及抗短路能力得到了有效的提升。

目前行業內普遍存在小角環折彎后的波紋變形問題，多數廠家采用提高成本采用新材料、新結構替換小角環，這個過程及加大了原材料的浪費和能源消耗。柔性多孔玻璃纖維絕緣板的使用，能夠降低小角環不合格浪費和變壓器線圈局部受熱造成的事故支出，每年為公司節約成本￥25萬元/年。柔性多孔玻璃纖維絕緣板的使用，提高了變壓器絕緣工藝水平，使用方便，質量可靠，節省生產成本￥5萬元/年。在此研究的基礎上，可以進一步開展線圈餅間絕緣的結構研究，以提升線圈餅間絕緣的絕緣強度和散熱能力。

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