TRIZ理论在实现磁悬液配制充分搅拌问题中的应用

摘要：TRIZ是解决创造性问题的理论和方法， 目前已经成为国外质量界开始研究的热点。本文通过使用TRIZ功能模型、因果分析、技术矛盾和物场模型等工具，探讨TRIZ方法在实现磁悬液配制充分搅拌问题中的应用。

关键词：TRIZ；功能分析；技术矛盾；物场模型

TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。实践证明，运用TRIZ理论，可加快人们创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品[1]。

如图1所示，TRIZ工程问题解决的流程为将待解决的工程问题的分析过程，转化为TRIZ的问题模型，然后应用TRIZ解决问题模型，提出解决方法，并将解决方案落实到实际问题中。本文以解决铸型刮砂成型过程中型砂坍塌问题为例，讨论TRIZ理论在解决工程问题中的应用。

1 问题描述

大型铸钢件表面缺陷通常采用磁粉湿法探伤，为保证喷洒至铸件表面的磁悬液基底中磁粉粒子同时具有良好的流动性和显像效果，配制及取用的磁悬液需要适宜的浓度。磁悬液搅拌设备采用机械搅拌的方式使磁粉能够均匀分散在水基载体中，但由于磁粉粒子因自身重力而下沉，且液体中各处的搅拌强度不同，导致同一桶中不同深度处或是不同部位处抽取的磁悬液浓度差异较大，影响磁粉探伤检测准确性。如何保证磁悬液浓度的均匀性，成为当务之急。

2 问题分析

2.1功能分析

为实现磁悬液的搅拌均匀，使用磁粉搅拌设备攪拌，该设备由搅拌机构（电机、传动轴、叶片）、配液桶、水、磁粉、称量桶等部件组成，如图2所示。将磁粉和水按规定的比例分别加入搅拌桶中，通过搅拌机构将其充分搅拌后，使用梨形瓶采样测定浓度，若在浓度范围内即可使用，否则需要对磁粉或水基载体进行调整。

该磁悬液搅拌系统的作用对象是磁悬液，各组件之间的相互关系以及作用为：电动机驱动传动轴，传动轴驱动搅拌叶片，搅拌叶片搅拌磁悬液，液料桶容纳磁悬液，液料桶支撑电动机，梨形瓶称量磁粉。超系统组件与系统组件的相互关系与作用为：空气（环境）改变磁悬液温度，喷壶盛装磁悬液，磁悬液喷洒在铸件上，磁场磁化磁悬液，相互作用如图3所示。在实际生产中，由于电机对传动轴固定不稳定，导致传动轴在旋转的过程中摆动幅度大，叶片容易撞击到桶壁，造成叶片的损坏。另外由于叶片对液料的搅拌强度不足，导致液料不均匀。

2.2因果分析

磁悬液搅拌过程中，磁悬液不均匀的原因可使用图4所示的因果链分析，由于搅拌强度的不足，导致磁粉不均匀，究其根本原因有两点：其一是电动机传动轴太长，导致搅拌叶片水平摆动幅度大，降低搅拌叶片的速度，从而提供的搅拌力不足；其二是搅拌叶片数量太少。

3 问题解决

3.1技术矛盾

所谓技术矛盾是指用已知的原理和方法改进系统某部分或某些参数时，不可避免地出现系统的其它部分或参数变坏的现象[2]。例如：质量和强度、汽车的速度和燃料耗费等等。

A1tshuller 通过对大量发明专利的研究，抽象出39 项产生系统矛盾对立的典型技术特性，又在此基础上给出了40 个发明创造原理[2]，提示设计者最有可能解决问题的方法，成为解决技术矛盾的关键。

在本文研究的问题中，针对根本原因“搅拌叶片数量少”，采取增加搅拌叶片的数量，如图5，从而提出技术矛盾如下。

技术矛盾1：增加搅拌叶片数量，叶片搅拌磁悬液的力就会增加，磁粉浓度均匀性提升，但是搅拌叶片的摆动幅度就会更大，容易损坏搅拌叶片和液料桶；

技术矛盾2：不增加搅拌叶片数量，搅拌叶片的摆动幅度就会不变大，也不会更容易损坏搅拌叶片和液料桶，但是叶片搅拌磁悬液的力就不会增加，磁粉浓度均匀性差。

从以上技术矛盾中找到改善的技术参数是10“力”，恶化的技术参数是31“物体产生的有害因素”。为了解决这一矛盾，对照阿奇舒勒矛盾矩阵[1]，提供了4种发明原理，分别为3“局部质量原理”、13“反向作用原理”、24“借助中介物原理”、36“相变原理”。通过对这些原理的比较，从发明原理3中提出概念方案1：电动机转动轴下方增加限位工装，减少搅拌叶片水平方向的摆动，增加垂直方向的搅拌叶片；概念方案2：配料桶中不加磁粉，在配料桶出口处增加磁粉加入装置，取样的过程中，利用水的流动搅拌磁粉，达到均匀的目的；从发明原理13中提出概念方案3：电动机安装在配料桶下方，在液料桶底部增加搅拌叶片数量；概念方案4：电动机带动配料桶旋转，搅拌叶片不旋转，增加搅拌叶片数量；从发明原理24中提出概念方案5：电动机转动轴下方增加限位工装，减少搅拌叶片水平方向的摆动，并且增加搅拌叶片数量。

3.2物理矛盾

在一个系统中，任何问题均可以尝试运用物理矛盾进行分析和解决，基于物理矛盾和技术矛盾的密切关系，可以从技术矛盾中提炼物理矛盾，从另外角度思考解决方案。本文研究的问题中，针对根本原因“搅拌叶片数量少”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：为了满足磁悬液搅拌充分，搅拌叶片的数量要多；

物理矛盾2：为了满足搅拌系统的水平摆动小，搅拌叶片的数量要少。

本文针对搅拌叶片的数量，提出了相反要求的物理矛盾，基于“空间分离原理”提出概念方案6：电动机转动轴下方搅拌叶片尺寸大，上部搅拌叶片尺寸小；概念方案7：电动机转动轴下方搅拌叶片密度大，上部搅拌叶片密度小。

3.3剪裁

剪裁是一种现代TRIZ理论分析问题的工具，是指将一个或一个以上的组件去掉，而将其所执行的有用功能利用系统或超系统中的剩余组件来替代的方法[3]。

在本文研究的问题中，功能模型如图3，电机对传动轴固定不稳定，叶片对液料的搅拌强度不足，导致磁悬液浓度不均匀。利用剪裁的思路，提出概念方案8：剪裁掉搅拌叶片、传动轴、电动机等，改用气动搅拌的方式搅拌磁悬液；概念方案9：剪裁掉搅拌叶片、传动轴、电动机等，液料桶旋转90°，使其自己转动实现搅拌均匀；概念方案10：剪裁掉搅拌叶片、传动轴、电动机、液料桶等，使用小喷壶替代电动机搅拌系统，每次使用前，小壶加入定量的磁粉和水，使用手动摇晃促使磁悬液均匀。

3.4物场模型

物场模型是TRIZ对与现有技术系统相关问题建立模型的工具，是技术系统中最小的单元，由两个元素以及两个元素间传递的能量组成，执行一个功能。Altshuller把功能定义为两个物质（元素）与作用于它们中的场（能量）之间的交互作用，也就是物质S2 通过能量F 作用于物质S1产生的输出（功能）[4]，如图6 所示。

物场模型在解决效应不足的问题时，提供的一般解法有3种：1）增加另外一个场F2（或者F2和S3一起）替代原来的场F1（或者F1及S2）；2）增加另外一个场F2来强化有用的效应；3）插进一个物质S3并加上另一个场F2来提高有用效应[1]。

在本文研究的问题中，针对搅拌叶片S2对磁悬液S1的搅拌作用不充分，导致磁粉在液料中浓度不均匀、刮板对树脂砂的作用不充分，利用物场模型进行分析，建立物场模型如图7所示，搅拌叶片通过机械场对磁悬液有搅拌的作用，但是此作用不充分，属于效应不足的完成模型，应用物场模型-标准解2.2.5构造场，利用异质的或可调的有组织结构的场代替同质的或非组织结构的场来增强物场模型，提出概念方案11：用压缩空气通入的方法，增强磁悬液的搅拌效果，将压缩空气管从液料桶底部接入，并且通过叶轮的搅动促进磁悬液的混合；概念方法12：选取一种可控性好的搅拌装置，例如磁场搅拌代替机械搅拌的方法，能更加充分的使磁粉和液料混合均匀。

3.5方案评价

从消除矛盾、产生新的危害、投入成本、复杂性以及可行性5个方面，按照0/1/2三个等级，分值越大代表越有利于消除矛盾，产生的新危害越小，投入的成本越低，系统越简单，可行性越高，对以上解决方案进行评价，并对5种解决方案进行优先级排序。如表1所示，得分最高的方案8为优选方案，其次是方案11、方案5、方案1、方案9。

采用概念方案5，设置如图8气动搅拌装置，包括电机1、鼓风机2、气压表3、进气软管4、盤旋型进气管5、搅拌桶6、蓄水池7、抽水泵8、进水阀门9、进水管10、出水阀门11、出水管12、进料口13、水位刻度表14，对磁悬液配料系统设备进行改进，实现气动搅拌替代目前电动搅拌系统，解决了磁悬液浓度不均匀的问题。

4 结论

本文通过应用TRIZ基本理论，结合磁悬液配料系统搅拌不均匀的问题，探讨了如何利用TRIZ分析工具分析实际问题，并且转化成TRIZ问题模型，然后利用TRIZ工具解决问题，对此问题提出解决方案，最后通过各方案的评价筛选出最优的解决方案。

责编/刘红伟

参考文献

[1] 曹福全.创新思维与方法概论——TRIZ理论与应用 [M]. 黑龙江教育出版社.2009.

[2] 牛占文，徐燕申，林岳等.发明创造的科学方法论——TRIZ[M].武汉： 中国机械工程出版社，1999，10（1）：84～89.

[3] 孙永伟.TRIZ打开创新之门的金钥匙Ⅰ[M]. 科学出版社.2015.

[4] 马文治，苏志东.TRIZ方法在解决铸型刮砂过程中型砂坍塌问题中的应用[J].科技创业，2016，（6）：123～124.