基于TRIZ創新原理的炭化裝備設計

王 勇

（泰安市人才交流服務中心，山東泰安 271000）

1 研究背景

羊毛纖維中一般帶有草葉等植物性雜質。這些植物性雜質會給紡織后整理過程帶來較大困難并影響到產品的最終質量。目前，除雜方式主要有人工除雜和化學除雜兩種不同的方式。人工除雜既浪費時間，又不易除凈，除雜質量得不到保障。化學除雜效果較好，且容易實現自動化，但需要控制好化學品的用量和反應時間。化學反應時間過長，化學品用量過高，容易損傷織物纖維結構［1］。

炭化是把含有植物性雜質的羊毛織物浸于硫酸液中，經充分的反應及軋酸、高溫烘烤后，使植物性雜質得到去除的工藝。市場上較為常見的是散毛炭化工藝及毛條炭化工藝，這兩種工藝主要是針對羊毛原料進行炭化處理。本研究的主要對象為匹布炭化（簡稱“匹炭化”）工藝及裝備。由于毛紡廠應用較少，設備廠家對此沒有過多的研究，在文獻中亦沒有過多的報道。網站上零星報道20 世紀80 年代北京呢絨廠對羊毛炭化機進行改進，主要是采用花崗巖代替不銹鋼酸槽，以提高耐腐蝕性。隨著材料技術的進步，不銹鋼的耐腐蝕性得到很大提升，且焊接性好，更能適應現代化工業。

根據不同的工藝路線，匹炭化分為縮前炭化、染前炭化和染后炭化。織物匹炭化主要由以下5 個工序組成：（1）浸酸。酸液的濃度與浸酸時間應根據植物性雜質的大小、數量和織物的單位面積質量而定。加入耐酸的滲透劑可使織物浸酸均勻，加快酸液的滲透速率。（2）軋酸。為實現自動化，本裝備采用軋輥脫酸工藝。軋酸主要控制含酸均勻性及帶液量。（3）烘焙。織物烘焙有兩個作用，即烘干織物和使草質炭化。通常含濕大、溫度高的條件對羊毛損傷大，因此烘焙一般先進入溫度較低的烘房，將織物干燥，然后再高溫短時間烘焙，使草質炭化。（4）軋炭。烘焙后的織物應及時進行軋炭，以去除被炭化的草質。（5）中和。織物經軋炭后，投入洗呢機或匹布染色機中，以中和余酸。

2 創新原理的應用

隨著經濟的發展，土地及設備投入在企業生產過程中的成本占比越來越高。炭化工序由于硫酸蒸汽的存在，一般會在單獨的房間內進行，面積較小。故不能單純靠增加設備數量來滿足產能。織物在硫酸中的化學反應時間不能太短，否則會造成炭化效果不佳；同樣，織物在硫酸中的浸漬時間也不能太長，否則會導致設備生產率過低。

TRIZ 理論是蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒發明并不斷完善的［2-3］。根據TRIZ 系統理論，我們可以從矛盾矩陣中找到解決問題的思路［4］。把炭化裝備看作是一個技術系統，這個技術系統存在“生產率”和“可靠性”兩個工程參數。由于“生產率”這一參數提高后會降低“可靠性”這一參數，故認為該系統存在這一對技術矛盾。矛盾矩陣中的縱列（改善的參數）第39號“生產率”和橫列（惡化的參數）第27 號“可靠性”相交的方格中，有4 項推薦的創新原理序號：第1 號、第10號、第35號、第38號。

第1 號創新原理是分割原理。根據這一原理，可以把浸酸槽當成多個獨立的機構，使浸酸單元采用模塊化結構。根據工藝需求，使布匹依次經過不同的浸酸槽，增加織物的容布量，達到一定的炭化效果。另外可在浸酸槽提升架的上部和下部分別排布若干導布輥筒，使織物在浸酸槽的穿布路徑上下依次交錯進行傳遞，使浸酸槽的織物容布量得到提升。

第10 號創新原理是預先作用原理。根據這一原理，可以在炭化時的酸液中加入表面活性劑。表面活性劑可以使酸液在織物上擴散均勻，減少纖維損傷。

第35 號創新原理是改變物質性質原理（性能轉化法）。根據這一原理，可以考慮增加硫酸的濃度，使炭化效果增大。但增加硫酸濃度達到一定的極限后，會損壞羊毛纖維織物，故硫酸濃度不能無限增加。

第38 號創新原理是加速氧化原理（逐級氧化法）。從這一原理出發，沒有得出合適的技術方案。

在以上創新原理方案中，最終選擇并采取了增加浸漬容布量及使用表面活性劑的方案，較好地解決了“生產率”和“可靠性”這一對技術矛盾。

運用TRIZ 創新原理，設計的匹炭化設備如圖1所示。

3 創新原理與具體結構的結合

基于前述TRIZ 創新原理，炭化裝備在設計過程中亦有其他方面的應用，具體如下：

3.1 抽取原理（提取法）

實例：炭化利用硫酸對植物性雜質進行化學反應去除。由于不銹鋼對硫酸有較強的抗腐蝕能力，且便于加工成浸酸槽和過濾槽，故采用不銹鋼材質制作炭化機本體。

3.2 局部性質原理

實例：炭化機沿穿布路徑由上布單元、浸酸單元、軋酸單元、出布單元組成。上布單元主要由張力架、對中輥、過渡輥組成，起引導布匹進入浸酸單元的作用。浸酸單元作為炭化機的主要功能部件，起到去除植物性雜質的作用。軋酸單元作為出布單元的前道工序，主要是去除多余硫酸，減少硫酸的消耗，另外起到提供織物牽引力的作用。出布單元將炭化后的織物進行出布。

3.3 非對稱原理

實例：軋酸單元由上下兩個輥組成，兩個輥的硬度有所不同，一硬一軟，否則軋酸效果不明顯。兩個輥硬度都低的話，軋酸效果差，織物含酸量高；硬度都高的話，容易損傷織物。

3.4 反質量原理

實例：為方便穿引布，浸酸單元中的上下若干個輥筒固定在提升架上。在浸酸槽外部由設備兩側的氣缸連接提升架頂部。在頂升過程中，浸酸槽外部配置的配重可以提供部分頂升力。配置配重可減少氣缸的缸徑，降低成本。

3.5 預先作用

實例：織物在浸酸槽穿布較復雜且硫酸環境具備一定的腐蝕危險性，故采取引布進行穿布的方式。即當前道織物即將加工完成時，在末端用縫紉的方式把引布連接上，當后續織物繼續生產時，可直接連接上該引布，避免重復勞動。

3.6 預先應急措施原理（預先防范法）

實例：浸酸槽與過濾槽分開獨立設計。隨著織物的不斷前進，在軋酸單元作用下，酸液軋至過濾槽。在對浸酸槽底部硫酸進行過濾時，需要把硫酸從浸酸槽抽取至過濾槽，使硫酸在過濾槽中得到過濾。待過濾板上的雜質積累到一定量時，人工對雜質進行去除。

3.7 等勢原理

實例1：浸酸槽中配置耐腐蝕液位傳感器，當浸酸槽的硫酸達到上液位時，由泵和管路系統組成的自動加硫酸模塊功能關閉。當浸酸槽的硫酸液位達到下液位時，自動加硫酸功能開啟，向浸酸槽內加硫酸，使浸酸槽的硫酸總量始終保持在一定的范圍內。

實例2：過濾槽一般比浸酸槽高，過濾槽的液體可以在重力的作用下，經過濾板流入浸酸槽，不用單獨配置動力系統。

3.8 局部作用或過量作用原理

實例1：軋酸單元，軋輥利用一定的壓力把織物中帶出的酸軋掉。

實例2：匹檢時，人工把織物中較大的植物性雜質去除。細小的植物性雜質會在炭化機上去除。這樣的工作方式既可以快速、有效地去除雜質，又可以最大限度地減少對纖維的損傷。

3.9 反饋原理

實例：浸酸槽配置硫酸濃度檢測儀。當硫酸濃度過低時，需要自動加高濃度硫酸與浸酸槽中的低濃度硫酸混合，達到炭化要求的硫酸濃度并穩定在一定的范圍內。

3.10 拋棄或修復原理（自生自棄法）

實例：浸酸槽的硫酸隨著織物炭化作用的進行，其濃度逐漸降低。在車速保持不變的情況下，織物在硫酸中的炭化效果會逐漸變差。根據實時測量硫酸濃度的值，設計自動補酸系統，使硫酸濃度保持在一定的范圍內，達到均勻的炭化效果。

4 結論

TRIZ 創新原理之間不是相互獨立，而是有一定的相關性。如結合第3.6 預先應急措施原理和第3.7等勢原理，設計了過濾槽結構，利用自重自流的方式，節省了泵系統。又如結合前述第3.9 反饋原理和3.10拋棄或修復原理，設計出適合炭化工藝的自動加硫酸系統，使硫酸濃度及酸量保持在合理的范圍。

基于TRIZ 理論40 個創新原理的研究應用，研制了新型炭化裝備，該裝備獲得發明專利1 項，實用新型專利3 項。經炭化裝備處理后的織物含植物性雜質的概率得到大幅度降低，一定程度上提升了產品的附加值，對提高生產效率有重要意義。