TRIZ理论在减少冷轧管材表面油污量方面的应用

文/宁夏东方钽业股份有限公司　李永林宁夏科技发展战略和信息研究所　韩博



TRIZ理论在减少冷轧管材表面油污量方面的应用

文/宁夏东方钽业股份有限公司李永林
宁夏科技发展战略和信息研究所韩博

摘要：为减少冷轧管材表面的油污含量，利用TRIZ理论在系统内找到了理想解，相比较而言，此方案具有成本低廉、操作简便、材料易于获取、无污染、反复多次利用等特点，对于显著降低管材表面的油污含量具有重要意义，更重要的是本文探索了TRIZ理论在冷轧管机除油方面的应用，丰富了工程材料表面除油研究的方法。

关键词：TRIZ理论；冷轧管材；表面油污

引言

钛及钛合金管材作为一种先进的轻量化结构材料，因其密度小、比强度高、耐腐蚀性好、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、综合性能优异，因此被广泛应用于化工、航空航天、舰船等领域[1-10]。在钛及钛合金无缝管冷轧过程中要使用氯化石蜡、机油的混合液进行工艺润滑，这样轧制后的管材表面就粘附着大量的油污，需要进行后续的超声波清洗、酸洗（或煤油洗）工序除油。由于目前国内采用的除油装置比较简单，除油效果不好，还带来了许多负面影响，造成冷轧管材表面的油污量较多，不但加大了轧制润滑剂的损失，还造成后续清洗、酸洗工序的压力。如何通过理想的方案显著减少冷轧管材表面的油污含量，对于降低润滑材料的消耗，提高后续清洗、酸洗生产效率具有重要意义。

本文利用TRIZ理论提出了两个解决减少冷轧管材表面的油污量的有效方案，这不仅为解决冷轧管材表面的油污量问题提出了两个可行方案，更重要的是探索了TRIZ理论在冷轧管机除油研究方面的应用，这对于丰富和完善工程材料表面除油研究方法起到了重要意义。

1　初始问题描述

1.1工作原理

目前国内周期式两辊冷轧管机配备的除油装置主要由出料口、导向孔、支架、密封圈组成。带有空腔的出料口支撑着支架，支架固定密封圈，密封圈摩擦分离管材表面的油污。管材按2mm/次向前移动，同时顺时针旋转57°，如图1所示。

图1　除油装置结构示意图

1.2主要问题

密封圈摩擦的这种除油方式，由于密封圈不能吸油、而且密封圈不能和管材表面紧密接触，这样造成整体除油效果不明显。在管头通过密封圈时，由于有些管头有开叉和严重抖动的现象，造成了管头顶到密封圈上面，造成管材弯曲、无法通过的质量事故，不但影响产品质量，还造成设备故障。因此，希望通过除油系统的改进或调整，显著减少管材表面的油污，甚至没有油污。这对于冷轧无缝管是一次很大的技术提升，具有重要的意义。

图2　冷轧管机除油系统的九屏图

1.3限制条件：

为使装置可行，并能得到可行方案，对设备（方案）提出理想化的限制条件，以便得到理想的结果。

（1）装置易于安装，不增加系统的复杂度，不影响管材的质量。

（2）成本低廉，物件易于获取，无污染。

（3）装置易于拆除，可反复多次利用。

2 目前解决方案、存在问题

目前美国的Meer冷轧管机装配的专用除油装置效果非常好，管材表面几乎没有油污，但是该技术对国内保密。

东方钽业公司使用的两辊冷轧管机是国内设计、制造轧管机最先进的西安重型机械研究所仿制美国Meer高速轧机，代表了国内两辊冷轧管机的最高水平，但是管材表面的除油效果依然不好。

国内其他轧管机生产厂家配备的除油装置与西重所采用的除油装置大同小异，都是采用物理接触的方式除油，除油效果依然不明显，而且带来了影响管材表面质量、除油装置故障多的问题。

3　TRIZ解题流程

3.1系统分析

3.1.1九屏图分析

利用九屏图分析问题，结果如图2所示。

由图2可知，可以利用当前系统的未来资源下料架，在其上铺设一层吸油材料，吸收管材表面的油污。还可以利用超系统的资源压缩空气，利用压缩空气吹走管材表面的油污。

3.1.2生命曲线

国外的除油方式处于技术保密状态，国内普遍采用物理接触，依靠摩擦和吸附的方式除油，效果不好，而且负作用多。国内查询不到相应的专利，而且也没有专门的厂家制造除油装置，所以冷轧管机除油系统应该处于婴儿期。如图3所示。

图3　冷轧管机除油系统的生命曲线图

3.1.3因果链分析

图4为造成管材表面油污多的因果链，从图中可以明显得出，造成管材表面油污多的主要原因是：密封圈与管材表面未充分接触，密封圈不吸油。

图4　管材表面油污多的因果链

图5　冷轧管机除油系统功能结构图

表1　系统的IFR

表2　保留的3个创新原理及对本项目的启示

3.1.4功能分析

图5为冷轧管机除油系统功能结构图，从图中可以明显看出，密封圈对油污的去除作用不足，导致冷轧管机除油系统效率低下，管材表面油污较多。

3.2资源分析

（1）可利用物质资源：

轧辊、机架、齿轮、齿条、连杆、喷油管、压缩空气、出料口、导向孔、支架、密封圈、管材、芯棒。

（2）可利用能量资源：

机械能、势能、压缩空气、电能。

（3）可利用信息资源：

转速、送进量、轧制速度、轧制尺寸变化。

（4）可利用空间资源：

机架的空间、机架到刮料装置的距离，出料口到下料架的距离、下料架和料架的空间。

（5）可利用时间资源：

两辊冷轧管机的机架是水平方向前后往复做周期运动。

（6）可利用结构资源：

机架结构、喷油机构、刮料装置、下料架、拨料机构。

（7）可利用系统资源：

轧管机润滑、转动、送进、回转系统。

3.3理想解及TRIZ工具

3.3.1理想解

系统IFR定义见表1。

主要原因是：目前的除油方式效率低下。据此，推测可利用的资源应为：除油装置、机架、轧辊、管子、芯棒、喷油管等。

3.3.2运用TRIZ工具

（1）运用技术矛盾解决方法提出原理解

①原问题技术矛盾：

改善：选用高弹性、高吸附性的密封圈，增加与管材表面的接触面积，提高除油效果；

恶化：管头容易产生堵塞、顶料等质量事故。

②问题模型

对应的39个通用工程参数

改善的参数：26物质的量

恶化的参数：30外来有害因素。

③解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为4个，经筛选，保留3个创新原理（表2）：

（2）运用物理矛盾解决方法提出原理解

①物理矛盾：

管材与密封圈的间距，既要小，又要大。

②物理矛盾分离法：

时间分离。

③解决方案模型

将密封圈拆分为两个柔性的半圆，在管头即将进入密封圈的时候，取下密封圈，管头通过后将两个柔性半圆的密封圈再安装上去。

（3）运用物-场模型分析提出原理解

①在密封圈前面增加一个吸附圈。

②在密封圈前面利用压缩空气增加一个热风场，降低油污的黏度，降低油污与管材的粘附力。

4最终方案

最终方案①如图5所示，利用废旧的塑料软管，当管头通过后，在管子上逆时针缠绕几圈，随着管子顺时针旋转和前进，塑料软管和管材表面紧密接触，而且软管带有弧形且非常光滑，油污依靠重力和旋转力很快滴落，除油效果非常显著。

最终方案②就是将工艺润滑的喷油管从机架的前置喷油改为机架后置喷油，利用机架的前后周期式往返运动、孔型开—闭的特点，从而使管材表面没有一点油污。

相比方案①，方案②更具有重要意义，能实现真正意义上的自动清除油污的目的，也就达到了最终理想解的目标。

责编/刘红伟

图6　最终方案示意图

参考文献

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基金项目：国家创新方法工作专项（2013IM021600）.