基于ARIZ的折頁機(jī)擋規(guī)降噪創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

金琳

基于ARIZ的折頁機(jī)擋規(guī)降噪創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

金琳

（上海出版印刷高等?？茖W(xué)校 印刷包裝工程系，上海 200093）

對柵欄式折頁機(jī)的擋規(guī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低工作時(shí)的噪聲，減輕噪聲導(dǎo)致的職業(yè)病危害，同時(shí)設(shè)計(jì)一種新的降噪方法。首先對折頁機(jī)工作噪聲問題進(jìn)行初步分析；然后選取噪聲最大的擋規(guī)部位，根據(jù)ARIZ解決問題流程，進(jìn)行問題分析和建立問題模型，并分析問題模型，挖掘出降噪問題的創(chuàng)新解；最后對創(chuàng)新解從成本、可操作性、可用性方面進(jìn)行評估。根據(jù)ARIZ解決問題流程得到了3種擋規(guī)降噪優(yōu)秀改進(jìn)方案，并選擇出了1種擋規(guī)降噪最優(yōu)解決方案。采用方形擋塊和圓形毛刷輪組合擋紙的設(shè)計(jì)方案是擋規(guī)降噪改進(jìn)的較佳方案，同時(shí)也證明ARIZ創(chuàng)新方法可以有效地應(yīng)用于降噪設(shè)計(jì)中，為折頁機(jī)的降噪設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

折頁機(jī)；降噪；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；ARIZ

噪聲是最常見的一種職業(yè)病危害因素，超過正常范圍的噪聲不僅對工作人員的健康產(chǎn)生不良影響，還會(huì)引起聽力損失及噪聲性耳聾，同時(shí)對心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等也會(huì)產(chǎn)生不良影響[1]。

職業(yè)病防治事關(guān)勞動(dòng)者身體健康和生命安全，事關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定大局。黨中央、國務(wù)院高度重視職業(yè)病防治工作?！丁敖】抵袊?030”規(guī)劃綱要》明確提出，要強(qiáng)化行業(yè)自律和監(jiān)督管理職責(zé)，推動(dòng)企業(yè)落實(shí)主體責(zé)任，推進(jìn)職業(yè)病危害源頭治理，預(yù)防和控制職業(yè)病發(fā)生[2]。當(dāng)前我國職業(yè)病防治還面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)，特別是隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備和新材料的使用，新的職業(yè)病危害因素不斷出現(xiàn)，新增職業(yè)病例逐年上升，傳統(tǒng)的預(yù)防措施治標(biāo)不治本，從源頭上消除職業(yè)病危害才更有效果。

印刷包裝行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中也同樣存在嚴(yán)重的噪聲污染問題。根據(jù)GBZ 2.2—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第2部分》標(biāo)準(zhǔn)的要求，工作人員在穩(wěn)態(tài)噪聲限值為85 dB環(huán)境下每天工作時(shí)間不得超過8 h[3]。經(jīng)測量，單臺折頁機(jī)工作過程中周邊1 m內(nèi)的噪聲大于90 dB，而實(shí)際生產(chǎn)過程中經(jīng)常是多臺折頁機(jī)同時(shí)使用，產(chǎn)生的噪聲對操作人員的身心健康損害更大，因此，從根源解決折頁機(jī)噪聲問題具有十分重要的意義[4]。文中以市場上常見的柵欄式折頁機(jī)為例，結(jié)合TRIZ理論中的ARIZ工具進(jìn)行折頁機(jī)降噪設(shè)計(jì)研究。

1 問題描述

1.1 柵欄折頁機(jī)工作原理

柵欄式折頁是將大幅面紙張按照要求折成一定規(guī)格幅面紙張的工作過程，其折頁原理如圖1所示。紙張?jiān)谳敿埰У膸?dòng)下，進(jìn)入上折頁輥和下折頁輥之間的空隙，在折頁輥的摩擦傳動(dòng)下高速進(jìn)入柵欄間隙，并與柵欄頂部的擋規(guī)碰撞，產(chǎn)生非常大的噪聲。紙張與擋規(guī)高速碰撞后，紙頭停止運(yùn)動(dòng)，紙尾在上下折頁輥的摩擦作用下繼續(xù)前行，紙張?jiān)谡垌撻g隙上方發(fā)生彎曲變形，變形后的紙張與下折頁輥接觸，在下折頁輥的摩擦力作用下向下移動(dòng)，完成一次折疊[6-7]。

圖1 柵欄式折頁機(jī)折頁原理

1.2 存在的問題

隨著印刷行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，印后加工企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了大幅提升，生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行速度也在快速增長，設(shè)備提速的同時(shí)也伴隨著一些問題的惡化。例如，當(dāng)柵欄折頁機(jī)提速時(shí)，紙張撞擊擋規(guī)的速度和頻率也會(huì)增加，因而產(chǎn)生的噪聲響度和頻率也會(huì)增大。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，紙張撞擊擋規(guī)動(dòng)作已成為折頁過程中主要的噪聲來源之一，同時(shí)也是約束折頁適用范圍的重要因素，因此降低紙張撞擊擋規(guī)時(shí)的噪聲，是解決折頁機(jī)降噪問題的關(guān)鍵。

2 基于ARIZ的問題分析與求解

ARIZ是TRIZ理論中解決復(fù)雜發(fā)明問題的方法，是TRIZ重要的支撐和高級解題工具。ARIZ采用結(jié)構(gòu)化的解題流程，逐步將模糊的初始問題轉(zhuǎn)化成清晰的問題模型，尤其適合于復(fù)雜問題的解決[5]，其解題流程如圖2所示。

2.1 問題分析

目前，市場上的柵欄式折頁機(jī)技術(shù)相對成熟，且折頁原理基本相同，本文選取常見的某型號柵欄式折頁單元為例，進(jìn)行降噪創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1.1 定義技術(shù)系統(tǒng)

將技術(shù)系統(tǒng)定義為柵欄式折頁機(jī)折紙系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能為折疊紙張，系統(tǒng)的目標(biāo)為紙張，系統(tǒng)組件包含支撐板、輸紙皮帶、輸紙輥、上折頁輥、下折頁輥1、下折頁輥2、上柵欄、下柵欄、擋規(guī)、擋規(guī)調(diào)節(jié)齒條、機(jī)架等，超系統(tǒng)組件包含紙張、空氣、重力、噪聲、人等。

2.1.2 功能分析

根據(jù)折頁機(jī)的工作狀態(tài)，對系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件進(jìn)行相互作用分析和功能建模，充分挖掘系統(tǒng)工作過程中存在的功能缺陷。通過相互作用分析可得相互作用矩陣如表1所示，其中“+”表示兩組件有接觸，有存在功能的可能；“-”表示兩組件沒有接觸，組件之間不存在功能[8]。

根據(jù)相互作用矩陣表中可能存在的功能項(xiàng)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和功能建模，系統(tǒng)的功能模型如圖3所示。由功能模型圖可知，系統(tǒng)的主要功能缺陷有擋規(guī)產(chǎn)生噪聲、紙張產(chǎn)生噪聲、擋規(guī)阻擋紙張過量（或紙張撞擊擋規(guī)過量）、機(jī)架阻擋聲音不足等。對系統(tǒng)的主要功能缺陷進(jìn)行分析，如表2所示。

2.1.3 因果鏈分析

由功能分析查找到技術(shù)系統(tǒng)的幾個(gè)主要功能缺陷，為進(jìn)一步了解主要功能缺陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)原因，對系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析。根據(jù)降低擋規(guī)噪聲這一目標(biāo)，選擇“噪聲強(qiáng)度大”作為系統(tǒng)因果鏈分析的初始問題，系統(tǒng)的因果鏈分析如圖4所示。圖4中And表示下一層次的缺陷共同作用導(dǎo)致上一層次對應(yīng)缺陷的產(chǎn)生，Or表示下一層次任一缺陷即可導(dǎo)致上一層對應(yīng)缺陷的產(chǎn)生。由圖4可知，系統(tǒng)主要功能缺陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)原因在于紙張運(yùn)動(dòng)的速度快、紙張要完成前段定位和擋板材質(zhì)太硬等問題。

圖2 ARIZ解題流程

表1 相互作用矩陣

Tab.1 Interaction matrix

圖3 系統(tǒng)的功能模型

表2 系統(tǒng)主要功能缺陷分析

Tab.2 Major functional defect analysis

2.1.4 問題裁剪分析

通過對系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，得出系統(tǒng)的主要功能缺陷，由功能缺陷和因果鏈分析可知，主要功能缺陷的基礎(chǔ)原因除擋板材質(zhì)硬外，還在于紙張的運(yùn)行速度和定位。從紙張的運(yùn)行速度和定位直接消除功能缺陷難度較大，因此可以嘗試采用裁剪的方法對擋規(guī)和紙張缺陷組件進(jìn)行裁剪。但紙張是系統(tǒng)的目標(biāo)，裁剪規(guī)則不能適用于目標(biāo)，因此采用裁剪規(guī)則C對擋規(guī)進(jìn)行裁剪，裁剪后的功能模型和裁剪問題分別見圖5和表3[9]。

通過裁剪，并結(jié)合裁剪問題，可以得到系統(tǒng)降噪的初步的解決方案，即采用新的功能載體來代替擋規(guī)，例如氣刀、滾輪、柔性擋規(guī)等，對高速運(yùn)動(dòng)下的紙張進(jìn)行減速，并完成紙張定位，同時(shí)又不產(chǎn)生較大噪聲。

圖4 系統(tǒng)的因果鏈分析

圖5 功能模型裁剪

表3 裁剪問題

Tab.3 Clipping problem

2.1.5 技術(shù)矛盾及最小問題

通過對系統(tǒng)進(jìn)行功能分析、因果鏈分析和裁剪分析，得到系統(tǒng)要解決的功能缺陷問題和裁剪問題，并對該問題進(jìn)行總結(jié)，找出系統(tǒng)的2個(gè)技術(shù)矛盾和最小問題[10]。

技術(shù)矛盾1：如果擋規(guī)與紙張碰撞速度快，那么紙張定位效率高，但是碰撞時(shí)產(chǎn)生的噪聲大。

技術(shù)矛盾2：如果擋規(guī)與紙張碰撞速度慢，那么不會(huì)產(chǎn)生噪聲，但是紙張定位效率低。

最小問題：如何在系統(tǒng)改動(dòng)最小的前提下，既能保證紙張定位效率高，又能減少定位時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

2.1.6 技術(shù)矛盾表述與分析

1）定義技術(shù)矛盾的工具和產(chǎn)品。根據(jù)技術(shù)矛盾1和技術(shù)矛盾2的主要內(nèi)容，找出技術(shù)矛盾中的產(chǎn)品和工具，分析技術(shù)矛盾中工具存在的狀態(tài)，并對技術(shù)矛盾進(jìn)行圖形化表示，如表4所示。表4中波浪線代表有害的功能，虛線代表不足的功能，波浪線加X表示該有害功能已消除或緩解[11]。

2）選擇基礎(chǔ)技術(shù)矛盾。因?yàn)橄到y(tǒng)的設(shè)計(jì)的目的是降低折頁過程中的噪聲，所以選擇技術(shù)矛盾2（如果擋規(guī)與紙張碰撞慢，那么產(chǎn)生的噪聲小，但是紙張定位效率低）作為基礎(chǔ)技術(shù)矛盾，以便建立問題模型。

3）激化基礎(chǔ)技術(shù)矛盾。為消除慣性思維的影響，對基礎(chǔ)技術(shù)矛盾進(jìn)行激化[12]。激化后的基礎(chǔ)技術(shù)矛盾如下：減慢擋規(guī)與紙張碰撞的速度，慢到擋規(guī)幾乎不碰撞紙張，那么碰撞產(chǎn)生的噪聲極小，小到可以忽略，同時(shí)紙張又能完成定位。

4）引入X元素，確定問題模型。在技術(shù)矛盾激化后的基礎(chǔ)上，引入X元素，確定問題模型[13]。問題模型如下：有必要引入一個(gè)X元素，不增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，能很好地使紙張完成定位，同時(shí)使紙張幾乎不碰撞擋規(guī)，從而不產(chǎn)生噪聲，而且沒有引入任何有害作用。

2.2 問題模型分析

2.2.1 定義問題模型技術(shù)沖突的操作空間和時(shí)間

確定問題模型技術(shù)沖突的操作空間和操作時(shí)間，可以為后續(xù)定義最終理想解和查找物理矛盾解決方案提供便利[8]。由功能分析和技術(shù)矛盾描述可知，技術(shù)沖突的操作空間區(qū)域?yàn)镺Z1（紙張與擋規(guī)接觸的區(qū)域）和OZ2（擋規(guī)，技術(shù)操作空間區(qū)域不完全重合），如圖6所示。

表4 定義技術(shù)矛盾

Tab.4 Defined technical contradictions

圖6 技術(shù)沖突的操作空間

由功能分析和技術(shù)矛盾描述可知，技術(shù)沖突的主要操作時(shí)間區(qū)域?yàn)镺Z1（紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候）和OZ2（紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候）。技術(shù)沖突操作時(shí)間完全重合。

2.2.2 分析物-場資源，挖掘X元素范圍

對系統(tǒng)和超系統(tǒng)中的物質(zhì)和場資源進(jìn)行分析，找出操作空間內(nèi)部、操作空間環(huán)境以及超系統(tǒng)中的物質(zhì)和場，并分析物質(zhì)的參數(shù)。這些物質(zhì)和參數(shù)構(gòu)成了X元素的范圍，后期在查找理想解的過程中需要從下面的X元素范圍中查找。系統(tǒng)的物質(zhì)和場資源分析如表5所示。

2.3 理想解和物理矛盾

2.3.1 理想解

1）定義最終理想解。在現(xiàn)實(shí)的解決方案中只能盡可能地向最終理想解靠近，因此需要尋找并引入一個(gè)未知的元素X，由X來滿足理想解的要求[14]。根據(jù)問題模型分析，最終理想解可以定義為：在技術(shù)系統(tǒng)中需要引入一個(gè)X元素，X元素可以使系統(tǒng)在紙張與擋規(guī)接觸的區(qū)域，在紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候，產(chǎn)生的噪聲?。煌瑫r(shí)在擋規(guī)的位置，當(dāng)紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)，使紙張完成定位，并且不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，不產(chǎn)生任何有害作用。

2）使用物場資源查找理想解。根據(jù)系統(tǒng)的物質(zhì)和場資源分析，將表5中的所有物質(zhì)參數(shù)和場一一替代理想解中的X元素，嘗試尋找合適的理想解。以擋規(guī)的“形狀”參數(shù)為例：擋規(guī)的形狀可以使系統(tǒng)在紙張與擋規(guī)接觸的區(qū)域，以及在紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的噪聲小；同時(shí)在擋規(guī)的位置，在紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)間內(nèi)，使紙張完成定位，并且不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，不產(chǎn)生任何有害作用。

2.3.2 識別物理矛盾

1）從宏觀層面定義物理矛盾。逐一分析將物質(zhì)參數(shù)代入X元素后的理想解，并從宏觀層面挖掘系統(tǒng)存在的物理矛盾[15]。以擋規(guī)的形狀為例，創(chuàng)建宏觀物理矛盾：擋規(guī)的形狀應(yīng)該是圓的，在紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候，產(chǎn)生的噪聲小；擋規(guī)的形狀應(yīng)該是方的，當(dāng)紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候，紙張的前端能夠完成定位，不增加系統(tǒng)復(fù)雜度或帶入有害功能。

2）從微觀層面定義物理矛盾。當(dāng)從宏觀層面無法挖掘系統(tǒng)存在的物理矛盾，或者物理矛盾不清晰時(shí)，可以嘗試從微觀層面挖掘系統(tǒng)中的物理矛盾[15]。以擋規(guī)的材質(zhì)為例，創(chuàng)建微觀物理矛盾：擋規(guī)的分子顆粒應(yīng)該是稀疏的，可以在紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候吸收震動(dòng)，降低噪聲；擋規(guī)的分子顆粒應(yīng)該是緊密的，可以在紙張與擋規(guī)接觸的時(shí)候，很好地阻擋紙張運(yùn)動(dòng)，完成定位，不增加系統(tǒng)復(fù)雜度或帶入有害功能。

2.3.3 解決物理矛盾

根據(jù)宏觀層面或者微觀層面定義的物理矛盾，采用合適的發(fā)明原理查找解決物理矛盾的創(chuàng)新解。例如：在解決擋規(guī)的形狀應(yīng)該是圓形又應(yīng)該是方形的物理矛盾時(shí)，采用空間分離方式中的發(fā)明原理No.1分割原理；將擋規(guī)分成相互獨(dú)立的兩部分，前面是可以滾動(dòng)的圓形毛刷輪，后面為方形的擋塊，當(dāng)紙張高速向擋規(guī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓形毛刷輪在摩擦力作用下可以抵消一部分紙張的沖力；當(dāng)紙張與方形擋塊接觸時(shí)，速度低，撞擊力小，從而噪聲小。

3 創(chuàng)新解評估

依據(jù)上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，可得出以下若干創(chuàng)新解。通過對創(chuàng)新解的成本、可操作性、可用性等方面進(jìn)行評估[11]，可得出較優(yōu)解決方案，創(chuàng)新解的評估方案如表6所示[7]。

表5 系統(tǒng)及超系統(tǒng)的物質(zhì)和場資源

Tab.5 Material and field resources of the system and super-system

表6 創(chuàng)新解評估

Tab.6 Evaluation of innovative solutions

創(chuàng)新解1：將擋規(guī)分成相互獨(dú)立的兩部分，前部分為可以滾動(dòng)的圓形毛刷輪，后部分為方形的擋塊，紙張高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓形毛刷輪在摩擦力作用下可以抵消一部分沖力，使紙張減速，當(dāng)紙張與方形擋塊接觸時(shí)，撞擊力小，噪聲小。該解決方案如圖7所示。

1.方形擋塊；2.側(cè)支撐板；3.圓形毛刷輪；4.軸；5.轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)； 6.擋規(guī)調(diào)節(jié)齒輪；7.傳動(dòng)皮帶；8.齒輪。

創(chuàng)新解2：將擋規(guī)的金屬材質(zhì)分割成外側(cè)為橡膠材質(zhì)，里側(cè)為金屬材質(zhì)；或者將金屬擋規(guī)分割成若干區(qū)域，部分區(qū)域?yàn)榻饘俨馁|(zhì)，部分區(qū)域?yàn)橄鹉z材質(zhì)，金屬與橡膠區(qū)域間隔排列，并且橡膠區(qū)的厚度要稍微高于金屬區(qū)。該解決方案如圖8所示。

1.橡膠內(nèi)層；2.金屬內(nèi)層；3.橡膠外層；4.金屬擋塊； 5.橡膠擋塊。

創(chuàng)新解3：將擋規(guī)安置到與下柵欄同一平面，在擋規(guī)上預(yù)留一些排氣孔，排氣孔與氣泵相連，擋規(guī)頂部有凸起；在紙張到達(dá)排氣孔上方時(shí)，采用負(fù)壓吸氣的方式將紙張前端吸附到擋規(guī)表面，對紙張進(jìn)行減速；在紙張運(yùn)動(dòng)到擋規(guī)頂部停止后，改抽氣為吹氣，讓紙張能夠順利從擋規(guī)表面脫離，并進(jìn)入折頁輥間隙。該解決方案如圖9所示。

1.紙張；2.柵欄；3.擋規(guī)頂部凸起；4.擋規(guī)排氣孔；5.側(cè)支撐板；6.擋規(guī)；7.擋規(guī)調(diào)節(jié)齒輪；8.傳動(dòng)皮帶；9.齒輪。

通過對上述創(chuàng)新解進(jìn)行評估可知，從成本角度看，方案1可更多采用標(biāo)準(zhǔn)件替代，成本最低；從可操作性角度看，方案2對原產(chǎn)品改動(dòng)最小，結(jié)構(gòu)最簡單；從可用性角度看，方案1既消除了高速下的碰撞，又不降低生產(chǎn)效率，降噪的效果最好，方案2降噪效果一般，方案3有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。綜合上述評估可得創(chuàng)新解1為最優(yōu)解，即采用方形擋塊和圓形毛刷輪組合的方式進(jìn)行擋紙，降噪效果好，對生產(chǎn)效率影響小。

4 結(jié)語

降低生產(chǎn)環(huán)境中的噪聲不僅是預(yù)防職業(yè)病的有效措施之一，還是打造安全環(huán)保生產(chǎn)環(huán)境非常重要的一環(huán)。本文通過采用ARIZ創(chuàng)新方法對折頁機(jī)的擋規(guī)進(jìn)行降噪改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了降低擋規(guī)降噪的多個(gè)改進(jìn)方案。通過評估發(fā)現(xiàn)采用方形擋塊和圓形毛刷輪組合擋紙的方案為最佳方案，該方案采用的零部件大多為標(biāo)準(zhǔn)件，同時(shí)在不降低生產(chǎn)效率的情況下避免了紙張高速下的碰撞，從成本和可用性角度看該方案要優(yōu)于其他方案。該方案具體的降噪效果還有待后期進(jìn)一步的產(chǎn)品實(shí)施與驗(yàn)證。

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Design of Innovative Scheme for Noise Reduction of Folding Machine Baffle Gauge Based on ARIZ

JIN Lin

(Department of Printing and Packaging Engineering, Shanghai Publishing and Printing College, Shanghai 200093, China)

The work aims to improve the design of baffle gauge of buckle folding machine to reduce the noise and the occupational hazards during work, and design a new noise reduction method. Firstly, the source of the working noise of the folding machine was analyzed. Secondly, the noisiest part was selected to analyze the problem and establish the problem model, and analyze the problem model to dig out the innovative solution according to ARIZ problem solving process. Finally, the innovative solution was evaluated from the aspects of cost, operability and availability. According to the ARIZ problem solving process, three kinds of excellent improvement schemes and an optimal solution for the noise reduction of the baffle gauge were obtained. The combination of square block and circular brush wheel is a better scheme to improve the noise reduction of the baffle gauge. It also proves that ARIZ innovative method can be effectively applied in noise reduction design, which provides a theoretical basis for the noise reduction design of folding machine.

folding machine; noise reduction; innovative scheme; ARIZ

TB486；TS01

A

1001-3563(2023)19-0196-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.025

2023-02-03

國家新聞出版署“智能與綠色柔版印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”招標(biāo)課題（ZBKT202204，KLIGFP-01）

責(zé)任編輯：曾鈺嬋