TRIZ 創新方法在電線鼓包檢測中的應用

邱川展，廖思聰，薛志朋

（廣智集團廣州電纜廠有限公司，廣州 511480）

0 引言

在電線電纜的生產過程中，偶爾會出現由于生產工藝或是原材料質量的影響下產生各種不良的現象，其中就有絕緣或者護套擠出時產生鼓包的情況。但由于電線電纜通過檢測裝置時的速度過低或產生的鼓包不明顯等現象的出現，會導致現有方案出現位移量小、不易捕獲、測量不準確等問題，則現有的設備很難對此不良現象進行排查。而對不良品的檢測不到位，將導致不良品流出引起經濟效益的損失，所以對該鼓包檢測裝置的改進刻不容緩。

針對此次改進，將通過轉變鼓包變化量為可測量的量，同時對指標進行放大實現精準捕捉和反饋的思路，來使此裝置能應對各種鼓包情況。該“鼓包檢測裝置”為自主研發設備，市場上并無同類研究成果可參考。因此，本文只在原檢測裝置上做檢測精度改善研究。在初步的原因分析后得知有3 個問題點：彈簧重量、滑槽內壁摩擦力以及電線鼓包沖擊量小導致裝置準確率低。于是期望利用TRIZ創新方法對這3 個問題更深一步的解析，實現原裝置升級改造，并杜絕鼓包不良品流出，減少售后經濟損失，提高品牌形象。

1 問題分析

本次問題主要針對電纜電線生產過程中檢驗鼓包不良品出現的裝置。

首先電線的生產工藝可簡要理解為銅導體拉絲→絕層膠料擠出→過冷卻水槽冷卻→工頻火花耐壓試驗→鼓包檢測→收卷成圈。而“鼓包”是指在進行絕緣或是護套擠出的過程中由于多種因素導致的表面局部鼓起的現象。又因生產速度達200 m／min，難以進行目測檢查“鼓包”問題，且無法識別、返工。其常見原因如下［1］：

（1）機頸或機頭的溫度不夠，構成內部部分冷膠發生；

（2）由于機身溫度或剪切力不夠而引起的部分塑化不好；

（3）當過濾網的襯墊不到位，最終影響到交聯絕緣料的擠出壓力，也會發生生膠，使絕緣線芯外表出現凹凸的硬塊；

（4）擠出速度過快，螺桿轉速越快，螺筒內交聯料剪切作用力越強烈，這樣使機身部分溫度升高，導致老膠現象發生；

（5）交聯絕緣料在機筒內停留時間過長，有一部分絕緣料發生過早交聯，這樣線芯在出模時就構成了外表高低不平；

（6）過濾網襯墊位移構成分流板處的膠料壓力分布不均勻，構成流道死角。

階段的鼓包檢測裝置如圖1 所示，其通過可動輪固定輪搭配使用，利用傳感器感應電線直徑的變化來對鼓包現象進行檢測。詳細工作原理如下：

圖1 檢測裝置

（1）鐵架1 以螺絲螺母連接方式固定在地面，固定輪2、滑槽4 以螺絲螺母的連接方式固定在鐵架1 上；

（2）固定輪2 和可動輪大輪側3 夾緊電線，小輪側依靠自重壓在滑槽4 底部，滑槽4 限制可動輪小輪位置及活動方向；

（3）當帶線材鼓包通過固定輪2 處，帶動可動輪3 向上移動，可動輪小輪位移帶動傳感器感應塊6，檢測感應塊6 的位移來反饋線材鼓包情況；

（4）滑塊上方有彈簧5，避免感應塊直接沖擊滑槽頂端。

在線材通過固定輪和大輪之間時，由于線表上的起伏為動態過程，所能形成的位移量較小，導致對鼓包的識別較難捕捉。特別是當鼓包的尺寸較小與運轉速度較慢時，該裝置的效果微乎及微。

現階段鼓包檢測裝置難以有效檢測效果，于是將針對原有的鼓包檢測裝置利用TRIZ創新方法進行分析改善。綜上所述，當前電線鼓包檢測問題主要是捕捉鼓包形變，其識別還存在大量缺陷，于是將在此設備基礎上先擬定解決思路。

1.1 最終理想解IFR

TRIZ理論在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中能夠始終沿著此目標前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新涉及方法中缺乏目標的弊端，提升了創新設計的效率［2］。

根據最終理想解IFR，得到明確要解決的問題：如何具體化線表鼓包變化量并捕捉；其次是對新技術系統的要求：使線表鼓包檢測裝置能檢測比電線基準面高1 mm 的鼓包，對指標進行放大，實現精準捕捉和反饋；最后是其技術系統IFR：使線表鼓包段能自主修復，從而不需要檢測。

1.2 魚骨圖

如圖2 所示，在魚骨圖中得到了問題的來源為：傳感器低靈敏度、加工速度快、可動輪位移量。

圖2 魚骨圖

1.3 因果分析

因果鏈分析是全面識別工程系統缺點的分析工具。因果鏈分析，始于項目目標決定的初始缺點，分析其影響因素，得出中間缺點，并進而繼續挖掘下一層級的影響因素，直到末端缺點。在因果分析中，從自然語言描述問題為開端，其次轉化為規范化描述［3］，最后得到結論，如圖3 所示。結論：傳感器輸入信號不足、可動輪位移不足和滑槽摩擦過度。

圖3 自然語言描述

1.4 功能分析與裁剪

功能分析是對技術系統的“功能”進行抽象的描述，并進行分類、整理、系統化的過程。其可對現有技術進行改進時方便理清技術系統的主要功能及其輔助功能，明確各組件的有用功能及功能等級、性能水平、以及有害功能，以便理解系統中組件間的相互作用，找出系統的問題所在，建立組件功能模型。

本次分析內容為：組件分析、相互作用分析、功能分析［4］。

1.4.1 組件分析

根據檢測裝置的示意圖（圖1），可以把系統的組件分為6個部分：鐵架、固定輪、可動輪、滑槽、彈簧、傳感器感應塊。

其次進行超系統組件分析，可以得到超系統組件與系統組件兩大類組件：（1）超系統組件包括電線鼓包、電線、牽引裝置、信號檢測與信號處理系統等；（2）系統組件包括鐵架、固定輪、可動輪、滑槽、彈簧、傳感器感應塊等。

1.4.2 相互作用分析

將上述提到的超系統組件和系統組件進行相互作用的分析，可以得到以下的相互作用矩陣，其判斷依據為組件相互接觸，并得到兩者間的有用關系或有害關系［5］。如圖4 所示。

圖4 相互作用關系矩陣

1.4.3 功能分析

根據上述分析構建功能模型：其中限制部分為有害的，例如滑槽對可動輪的限制部分改為有害的；發出箭頭的為功能載體，接收箭頭的為功能對象；功能載體對功能對象的作用使得某個參數被保持或者被改變，例如如果沒有鐵架對滑槽的支持，那么滑槽達不到固定作用。

通過組件以及相互作用分析，得到功能模型如下，通過功能分析認為存在的不足主要有以下3 點：彈簧重量、滑槽內壁摩擦力以及電線鼓包沖擊量小為裝置準確率低。

1.4.4 裁剪

基于以上分析決定對系統中的滑槽和彈簧進行裁剪，除去系統冗余，從而提高系統理想度，既消除了該部分生產的有害功能，又降低了成本，同時所執行的有用功能仍然存在。于是進行如下裁剪［6］：（1）裁剪滑槽，根據裁剪規則C，利用鐵架直接固定并限位可動輪；（2）裁剪彈簧，根據裁剪規則C，嘗試利用滑槽直接限位傳感器。

2 解決問題

2.1 技術矛盾

（1）技術矛盾1

根據因果分析，滑槽的摩擦力過度會導致可動輪位移不足，如果減小滑槽的摩擦力，則可動輪小輪處所受合力，但是會導致滑槽中傳感器感應塊和可動輪小輪處的穩定性變差，于是通過查阿奇舒勒矛盾矩陣表可得：運用發明原理NO.35 物理／化學狀態變化、NO.10 預先作用、NO.21 緊急行動發明原理可以解決此技術矛盾。

（2）技術矛盾2

根據因果分析，可動輪位移不足的直接原因是受到的沖力不足，如果增大電線鼓包的沖量，則可動輪的位移充分，但是會導致滑槽底端和可動輪沖擊力變大，于是通過查阿奇舒勒矛盾矩陣表可得：運用發明原理NO.17 一維變多維、NO.10 預先作用、NO.4 非對稱分別制定3 種方案可以解決此技術矛盾。

于是將根據上述兩個矛盾結合40 個發明原理目錄，分別得到兩者的解決方案。

（3）技術矛盾1 解決方案

①NO.35 物理／化學狀態變化：通過改變物體的物理屬性即改變物體柔軟度，利用橡膠材質替換滑槽頂端與底端的原有材質，獲得柔性。

②NO.10 預先作用：在整個滑槽工作前預先加入潤滑油，降低感應塊與頂端碰撞、可動輪小輪與底端碰撞所產生的沖擊。

③NO.21 緊急行動發明原理：在滑槽底端加一個彈簧組件，平時處于自然狀態即貼近可動輪小輪，可以減少接觸滑槽底端的時間（次數）。

（4）技術矛盾2 解決方案

①NO.17 一維變多維：可動輪小輪位移方向由垂直往返運動改為傾斜方向往返運動，增大可動輪的位移的同時減少下落時對滑槽底端的沖擊。

②NO.10 預先作用：可動輪小輪的位移方向由垂直往返運動改為水平往返運動，電線運動變為垂直運動，減少可動輪自重的影響。

③非對稱：將完全對稱圓的可動輪小輪改為上半圓的形狀?？梢栽黾涌蓜虞喌奈灰?，增加與滑槽底部的接觸面積以減少單位面積沖擊。

2.2 物理矛盾

（1）物理矛盾1

根據因果分析，可動輪位移不足的直接原因是滑槽摩擦力過度。如圖5 所示，通過進行空間分離，空間1 摩擦力大，空間2 摩擦力??；通過發明原理“NO.3 局部質量”也可知，將物體均勻結構變成不均勻結構，使空間2 部分內壁光滑，空間1 內壁部分粗糙（空間2 表面拋光，空間1 表面滾花）。

圖5 物理矛盾1 策略

（2）物理矛盾2

根據因果分析，可動輪移不足的直接原因是可動輪重量過度。嘗試進行空間分離：可動輪小輪處質量小，可動輪大輪處質量大；通過發明原理“NO.3 局部質量”也可知，可動輪由均勻結構改為不均勻結構，小輪處密度小、重量小，大輪處密度大、重量大。

（3）物理矛盾3

根據因果分析，感應塊移不足的直接原因是感應塊受到的阻力過大。嘗試進行條件分離：感應塊感應階段受的向下的阻力小，系統回復階段受到的向下的力大。通過發明原理“NO.5合并”也可知，將空間上相似或相關的物體進行組合，彈簧和滑槽都為限位用，可以使其組合在一起，感應階段減少彈簧自重的影響，同時作緩沖及加速滑塊回彈。

（4）物理矛盾4

根據因果分析，可動輪位移不足的直接原因是電線鼓包沖量不足。嘗試進行空間分離：鼓包在豎直方向上帶來的沖量大，在橫向方向上帶來的沖量小。通過發明原理“NO.14 曲面化”也可知，將平面部分變為曲面。在與鼓包接觸的可動輪大輪表面改為內陷型，更好地貼合電線，更易反饋出電線鼓包的形變。

綜上所述，根據物理矛盾解決了以下4 個問題：滑槽摩擦力問題；可動輪重量問題；感應塊阻力的問題；鼓包沖量不足問題。

2.3 物場模型

從本質上鼓包檢測儀檢測鼓包為檢測與測量問題，對應到4 級標準解。于是構建了5 個物場模型［7］，分別闡述如下。

2.3.1 物場模型1

可嘗試基于NO.47 標準解——可測量物－場復雜化模型：測量引入的附加物與原系統相互作用產生變化，可以通過測量附加物的變化再進行轉換。

（1）引入體積

在感應塊與可動輪小輪間加入一個壓板，可動輪受力時壓縮這個壓板，壓板壓縮軟性水囊，水體積變化引起液位上升，帶動漂浮的感應塊位移。通過控制水管的粗細，可以改變測量量倍數。

（2）引入角速度

在可動輪小輪上加入一個齒條，與齒輪咬合?？蓜虞喪芰Γ瑤育X條上移，齒輪旋轉將直線運動轉化成圓周運動，通過固定在齒輪的角速度傳感器檢測。

利用滾珠絲桿結構，固定絲套，可動輪位移帶動絲套位移，絲桿轉動，帶動上端齒輪轉動，齒輪上附帶發射端，光電式傳感器發射端與接收端，通過控制反射擋板的距離或大小放大鼓包情況。

2.3.2 物場模型2

可嘗試基于NO.58 標準解——可測量的雙、多系統模型：應用兩個或者更多的測量系統。

其思路為將系統設置為雙系統，相互校正［8］，方案如下。

（1）方案1：把a、b各加1 個擋板，光電式。如a端為光信號發射端，如果b端因鼓包間接導致擋板位移，無法反射信號，則系統報警；同理，b端一樣。雙系統驗證，防止誤報。

（2）方案2：雙系統上的搖桿都可因各自可動輪波動而波動，信號發射端在搖桿，可調節雙系統距離或檢測點距離，改變角度進而改變檢測點偏離基準點的程度來放大鼓包帶來的可動輪位移量。

2.3.3 物場模型3

可嘗試基于NO.59 標準解——不直接測量模型：通過測量一、二階導數，代替直接測量的參數測量。這里選擇二階導數加速度。其思路為：測量二階導數——加速度，或根據a＝f／m測量力，方案如下。

（1）方案1：直接將加速度感應器裝在可動輪小輪處。

（2）方案2：由于線加速度計的原理是慣性原理，A（加速度）＝F（慣性力）／M（質量），用電磁力去平衡這個慣性力F來測量，就可以得到F對應于電流的關系［9］。

（3）方案3：將移動的可動輪小輪改成滑塊，滑塊上安裝壓力傳感器，其上有一個固定板，測試滑塊上下移動時壓力傳感器受到的壓力。

2.3.4 物場模型4

滑槽頂端對感應塊的無直接作用，為不完整物場模型，對應到1.1 子級標準解。

可嘗試基于NO.3 標準解——制造物－場：在S2 和S1 外部引入F1 磁場。

在感應塊頂端增加一個電磁場，讓感應塊在受到稍大的力時便可以向上運動，在接觸到頂端時觸及電磁場接觸式開關斷電。因自重下落，打開開關，電磁場恢復。

2.3.5 物場模型5

可動輪對感應塊的力不足，為不足物場模型，對應到2、3級標準解。

可嘗試基于NO.14 標準解——鏈式物場模型：將單一物場模型轉化為鏈式物場模型。在S2 和S1 間加入S3 杠桿［10］。

在感應塊與可動輪小輪間加入一個杠桿，距離支點近端貼緊可動輪小輪處上端，距離支點遠端貼緊感應塊底端，調整支點的位置獲得相應的位移放大倍數。

2.4 進化法則

應用協調性進化法則和形狀協調進化路線，實現以下5 個架構的逐層進化，同時也制定了兩個進化方案。方案一，原先可動輪小輪處為實心剛性結構，可進化為內部中空結構［11］；方案二，進化為內部的多孔結構。

最后從26 項方案中評分選定了5 項測量技術改進和5 項測量技術創新。

2.4.1 測量技術改進（圖6）

圖6 方案策略1

（1）方案2：取消彈簧，嘗試利用可動輪直接支撐傳感器（輸出位移）。

（2）方案3：更換材質，改變物體的柔性，將可動輪小輪處更換成橡膠材質。

（3）方案4：潤滑，將整個滑槽預先加上潤滑油，減少接觸碰撞產生的沖擊。

（4）方案5：加裝彈簧，將滑槽頭端、底端各加一個彈簧組件，平時處于自然貼近可動輪小輪狀態，減少接觸滑槽頭端、底端的時間（次數）。

（5）方案7：使滑槽變為水平，電線變為垂直，使可動輪小輪處位移方向由上下運動改為水平運動，減少可動輪自重的影響。

2.4.2 測量技術創新（圖7）

圖7 方案策略2

（1）方案15：水位變化法，在可動輪和感應塊中加入壓板和軟性水囊。

（2）方案16：加入齒條，可動輪小輪上加入齒條與齒輪嚙合，齒輪有速度傳感器。

（3）方案18：滾珠絲桿結構，固定絲套，可動輪位移帶動絲套位移，絲桿轉動，帶動上端齒輪轉動。

（4）方案20：光電式雙系統，雙系統相互驗證，防止誤報。

（5）方案21：雙系統連桿光電放大法，雙系統通過連桿連接，連桿依靠自重壓在可動輪上，有信號發射端。

3 結束語

本文將TRIZ創新體系貫徹到電纜電線生產中的工程技術問題上，通過對鼓包檢測裝置的重新設計，合理運用了多種方法融合后將矛盾點層層分析解刨，實現了將問題趨于理想解。同時也實踐與實際生產環節，提升了公司的經濟效益的同時也維持了公司的聲譽，從而也保證了顧客的產品質量。經過以上的方案實施，預期效益鼓包的廢線流出率下降為0.002%，極大減少了客戶投訴率。

隨著現代化制造的不斷發展，傳統建造施工行業也應與日俱新，引進先進創新的工具方法，將TRIZ創新思維運用到傳統建造業當中，提升精細化管理水平，必將是現代化企業發展的核心要義。