基于TRIZ的超短管聚乙烯涂塑裝備技術研究

鄭雅君 周慶林 邵國慶 姜文 王祖鵬

摘? 要：現有涂塑裝備很難實現長度小于350 mm的超短管路自動化涂覆施工，且施工人員容易產生燙傷安全事故，生產效率低、質量不可控。為提升生產效率和施工安全性，基于TRIZ對超短管聚乙烯涂塑裝備進行技術研究與工藝改進。該文應用TRIZ工具，共產生20個概念方案。依據技術系統向自動化進化的原則，明確裝備研發關鍵點。針對解決方案進行分析、評估，最終確立超短管聚乙烯涂塑裝備的技術方案，有效解決當前系統中存在的問題，研制出所需的超短管聚乙烯涂塑裝備。

關鍵詞：TRIZ；超短管；聚乙烯；涂塑裝備；創新方法

中圖分類號：TQ325.1? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-00１４-0４

Abstract： It is difficult for the existing plastic coating equipment to realize the automatic coating construction of the ultra-short pipeline whose length is less than 350 mm， and the construction personnel are prone to scald accidents， low production efficiency and uncontrollable quality. In order to improve production efficiency and construction safety， the technical research and process improvement of ultra-short pipe polyethylene coating equipment were carried out based on TRIZ. In this paper， 20 conceptual schemes are produced by using TRIZ tool. According to the principle of technical system evolution to automation， the key points of equipment research and development are identified. Based on the analysis and evaluation of the solution， the technical scheme of ultra-short pipe polyethylene coating equipment was established， the problems existing in the current system were effectively solved， and the required ultra-short pipe polyethylene coating equipment was developed.

Keywords： TRIZ; ultra-short pipe; polyethylene; plastic coating equipment; innovative method

TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）是一種在遇到問題時引導人們沿著正確的方向去思考，幫助人們更加高效高質量地解決科學與技術問題的理論方法[1]。此理論方法被認為是當前最為全面且系統地論述發明創造、實現技術創新的理論[2]。本文基于TRIZ創新方法進行超短管聚乙烯涂塑裝備技術的研究，應用了TRIZ理論的系統功能裁剪、最終理想解、資源分析、技術矛盾、物力矛盾與物場分析等工具[3]，提出了具有參考價值的解決方案。

1? 問題背景和描述

近年來，聚乙烯涂塑鋼管因其克服了鋼管的易銹蝕、使用壽命短，塑料管強度低、膨脹量大、易變形等缺陷，又具有鋼管和塑料管的共同優點，因而在燃氣、給水、核電等領域快速發展，同時聚乙烯防腐技術廣泛應用于船舶及海洋工程管路中[4-5]?，F有涂塑裝備很難實現長度小于350 mm的超短管路自動化涂覆施工，需要人工手動涂覆操作。但因受管子作業溫度、重量、形式等因素影響，在施工安全、質量、效率和成本等方面均存在亟待解決的問題，迫切需求針對性的自動化涂塑裝備。

問題具體表現為如下幾點。

第一，安全。管子溫度一般在250～300 ℃，容易產生燙傷安全事故。

第二，質量。手動翻轉速度不恒定，容易產生涂層厚度不均勻等質量缺陷，需二次修復。多人協同手動翻轉力度和角度不受控，容易產生非涂覆區域附著粉末現象，需二次修整。

第三，效率。手動供粉、翻轉、余粉收集等多工序操作，耗費大量施工時間。

第四，成本。多人協同、二次修整耗費大量人力及時間成本。

2? 問題分析

2.1? 系統功能分析

人工超短管聚乙烯涂塑系統組件，以及系統組件功能類型見表1、表2。

表1? 人工超短管聚乙烯涂塑系統組件

通過功能模型分析：確定了人工超短管聚乙烯涂塑系統問題的功能因素，并列舉出系統中存在的有害和不足的功能。

構建功能模型圖，如圖1所示。

圖1? 超短管聚乙烯涂塑裝備功能模型圖

2.2? 因果鏈分析

對人工超短管聚乙烯涂塑系統產生“超短管聚乙烯傳統人工涂覆操作無法滿足施工需求”的結果進行因果分析，如圖2所示。

2.3? 解決問題的突破點

通過TRIZ系統功能分析、因果鏈分析工具進行問題分析，明確了系統中組件之間的相互關系及存在的負面和有害功能。人工涂覆操作方式無法滿足超短管聚義涂塑的安全、質量及效率要求，應用自動化涂塑裝備是實現提升超短管聚乙烯涂塑施工安全性，同時保障生產質量、效率的突破點。

3? 問題求解

3.1? 系統功能裁剪

第一次裁剪。裁剪掉傳統粉箱，引入供粉裝置。從而形成解決方案1：設計自動化的供粉裝置替代人工操作粉盒倒灌的工作方式。

第二次裁剪。裁剪掉空氣與粉末開放式接觸方式，引入儲粉裝置，從而形成解決方案2：設計自動化的儲粉裝置降低空氣對粉末狀態的影響。

第三次裁剪。裁剪掉人工翻轉管子的操作方式，引入旋轉裝置，從而形成解決方案3：設計自動化的旋轉裝置替代人工翻滾管子的工作方式。

第四次裁剪。裁剪掉平臺支撐管子翻轉的操作方式，引入夾持裝置，從而形成解決方案4：設計夾持裝置穩定支撐管子翻轉操作。

3.2? 最終理想解

通過分析設計的最終目標，最終理想解，達到理想解的障礙，出現這種障礙的原因，不出現這種障礙的條件，以及創造這些條件所用的資源，從而得出相應的解決方案。

形成解決方案5：應用自動化的涂塑設備替代傳統人工涂覆操作模式。

3.3? 資源分析

從種類、物資資源、能量資源、信息資源、空間資源、時間資源和功能資源等方面進行資源分析，從而確定解決方案，具體見表3。

形成解決方案6：利用法蘭資源設計夾持裝置。

3.4? 技術矛盾

為保障管件內壁的涂覆質量，需要增加聚乙烯粉末的供給量，但增加了人工涂塑操作難度。確定要解決的技術矛盾是發生在“穩定性、制造精度、可制造性”與“物體產生的有害因素、操作流程的方便性、生產率”之間，具體見表4。

問題模型對應的39個通用工程參數描述技術矛盾，改善的參數為13穩定性、29制造精度、32可制造性；惡化的參數為31物體產生的有害因素、33操作流程的方便性、39生產率。解決方案模型，對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為4增加不對稱性、5組合原理、10預先作用、17空間維數變化、22變害為利、28機械系統替代原理、32顏色變化和35改變物理或化學參數原理。

根據所尋找到發明原理，提出以下解決方案。

解決方案7組合原理：將儲粉和供粉操作合并為一套供儲粉系統。

解決方案8預先作用原理：根據管件規格及涂塑要求，設定固定量供粉，一次涂覆完成無剩余。

解決方案9空間維數變化：將不規則的人工翻滾操作轉變為穩定的二維平面旋轉。

解決方案10物理和化學參數改變：應用新型物理及化學性能的粉末材料。

3.5? 物力矛盾

自動化的供儲粉系統，粉箱是核心組件。傳統粉箱設計采用鋼制結構，冬季廠房低溫環境時因鋼板溫度偏低，易造成粉箱交聯結構內的聚乙烯粉末受潮結塊，影響粉末的流動性，使涂覆加工時粉末在加熱管件內附著不均，影響產品的表面質量。確定物力矛盾：粉箱應該尺寸大，以滿足粉末數量要求；粉箱應該尺寸小，以滿足粉末質量要求。

擬采用分離原理：空間分離為1分割原理、7嵌套原理；18機械震動原理、29氣壓與液壓結構原理。條件分離為18機械震動原理、29氣壓與液壓結構原理。整體與部分分離為39惰性環境原理。對應各原理提出的具體解決方案見表5。

3.6? 物場矛盾

1）確定問題：粉箱貯存粉末涂料易受潮。

確定物場模型1（圖3）：消除有害作用，標準解1.2.3通過引入物質消除有害因素引入空氣或干燥劑。

據此提出解決方案17：引入空氣，形成隔離效果，消除粉箱直接對粉末的有害作用。

據此提出解決方案18：引入干燥劑，使粉末始終處于干燥狀態，消除粉箱鋼板結露現象。

2）確定問題：粉箱貯存粉末涂料易受潮。

確定物場模型2（圖4）：消除有害作用，標準解1.2.4用場抵消有害效應中引入熱場或磁場。

據此提出解決方案19：引入磁力場，使粉箱鋼板與粉末隔離，弱電排斥。

據此提出解決方案20：引入熱場，使粉箱恒溫干燥。

4? 方案整理及實施效果

通過TRIZ系統功能分析、因果鏈分析工具進行問題分析，應用系統功能裁剪、最終理想解、資源分析、技術矛盾、物力矛盾和物場分析工具解決問題，指引解決問題方向，指導裝備技術研究。其中13個可行性方案分別從自動化裝備應用及工藝技術改進角度提出解決問題方向，依據技術系統向自動化進化的原則，明確了供粉裝置、儲粉裝置、夾持裝置和旋轉裝置的裝備研發關鍵點，以及供儲粉一體化、二維平面旋轉、粉箱球面化和法蘭端夾持的裝備創新點，整理出的最終可行性技術方案見表6。

5? 結束語

本文應用TRIZ創新方法工具共取得了20個概念方案，經過綜合技術分析、評估，最終確立了綜合技術方案，成功研制了超短管聚乙烯涂塑裝備，實現了超短管聚乙烯涂覆施工從傳統的多人手動操作模式向自動化裝備應用轉變，有效提升了系統的安全性、產品的質量和生產效率。

參考文獻：

[1] 林岳.創新方法教程（初級）[M].北京：高等教育出版社，2012：48-49.

[2] 程虎，董影，宗濤，等.基于TRIZ理論的操控臺模塊鎖緊機構設計[J].機電信息，2023（10）：32-35.

[3] 田丹陽，李志農，李云龍.基于TRIZ理論提高盤軸松動轉子系統的動力學特性[J].科技創新與應用，2023，13（20）：12-16.

[4] 施建峰，胡安琪，鄭津洋.聚乙烯管材標準發展現狀分析[J].中國塑料，2021，35（3）：112-123.

[5] 張興勝，程正偉.聚乙烯涂塑鋼管在給排水工程中的應用[J].安裝，2013（9）：44-45.