基于TRIZ理论的乳化液精确配比系统的研究

王晓凯

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006;2.山西天地煤机装备有限公司，山西太原 030006;3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西太原 030006)

0 前言

乳化液作为煤机产品液压传动的工作介质，尤其是作为煤矿采煤工作面液压支架和液压支柱的工作介质，在煤矿井下得到了广泛的应用。而乳化液的浓度则会影响到液压支架和液压支柱等设备的正常运行及使用寿命。浓度过低，会影响到设备的抗硬水能力、稳定性、防锈性和润滑性，从而缩短设备的使用寿命，容易引起液压系统事故的发生；浓度过高，不仅增加了生产成本，造成更大的环境污染，而且会降低消泡能力和增大对橡胶密封材料的溶胀性。因此，乳化液浓度的合理性和稳定性成为煤炭生产效益的一个重要指标。随着高产高效综合机械化工作面的发展，对乳化液配比的自动化程度也提出了越来越高的要求。虽然我国在乳化液配比方面的研究已经取得了一定的进展，但仍存在配制精度不高、效率低、受人为因素影响较大等问题。

TRIZ理论是由苏联著名科学家根里奇·阿奇舒勒于20世纪40年代通过对世界数百万件高水平发明专利进行分析后提出的一套解决发明问题的理论。TRIZ理论认为，发明问题的核心就是发现矛盾，创新的过程就是解决矛盾的过程，矛盾和冲突的解决推动系统的不断进化。经过多年的发展，TRIZ已经形成了一套具有完整体系且实用成熟的理论和方法，总结出了九屏幕法、金鱼法、小人法、最终理想解等创新思维；功能分析法、矛盾矩阵、科学效应库、裁剪法等创新工具；以及S曲线、向超系统进化、提高理想度法则等创新规律。TRIZ理论的发展帮助研究人员摆脱了试错法、头脑风暴等低效地解决问题方法，而能够利用TRIZ理论高效地解决技术问题，有效地提高产品创新率。

随着TRIZ理论的发展，国内也成立了许多TRIZ研究中心以及TRIZ理论的专业公司。目前，国内学者不仅进行了一些基于TRIZ理论的工业设计方法的理论研究，而且成功地将TRIZ理论运用到了各类发明问题的研究应用中。本文作者针对乳化液配比不精确的问题，应用TRIZ创新理论分析并解决了乳化液自动配比的问题。

1 建立问题模型与系统功能分析

1.1 问题模型建立

目前，煤矿井下常用配比装置为喉管式射流器或者乳化液混合器简单地进行乳化液混合，以喉管式射流器为例，建立其问题模型如图1所示。当一定压力的水流经射流器突然变小的截面(喉管)时，流速增加，压力降低，在喷嘴口区域形成真空，从而将液压油从油箱中抽到吸入室，二者在射流器中很快混合，形成乳化液并流进乳化液箱。

图1 系统模型

1.2 功能分析

功能分析是TRIZ理论的重要工具之一，是一种着眼于产品功能的思维方式。功能分析法通过组件分析开始识别问题并列出系统中各个组件；通过相互作用分析来了解各个组件之间的关系，把其相互关系分为充分功能、不足功能、有害功能等；最终形成系统功能模型图，直观地表达组件内各个部件的相互关系。文中模型的各组件如表1所示。

表1 组件分析

模型系统功能如图2所示。系统功能的建立便于更加直观地分析系统，为矛盾的提取奠定基础。

图2 系统功能

2 问题分析

2.1 矛盾分析

在TRIZ理论中，矛盾分为物理矛盾和技术矛盾。物理矛盾是指在同一技术系统中的同一参数呈2种相反的状态；而技术矛盾是指系统中一个参数的改善会造成另一个参数恶化的矛盾。物理矛盾一般解决办法为4种分离方法：时间分离、空间分离、条件分离、整体与部分的分离。而技术矛盾一般通过矛盾矩阵解决。

通过对图2进行深入分析，特别是着重分析系统中的不足功能和有害功能，总结出了系统中存在的2对主要物理矛盾。

矛盾1：希望油的流量恒定，又希望其变化。若想要保证乳化液浓度不变，那么当水的流量不变时，需要油的流量不变，当水的流量变化时，则需要油的流量跟随变化。

矛盾2：希望有人的控制，又不希望人控制。在功能图中，人控制开关、节流阀为有害功能，希望能够减少人的干预，减少工人劳动强度，但是又需要人去设定以及检测浓度值。

2.2 解决矛盾1

对于矛盾1，从时间分离原理和基于条件的分离原理可以得到启发。

(1)时间分离原理：在水的流量变化时，油的流量变化；在水的流量不变时，油的流量也不变。这就需要控制水流量的设备和控制油流量的设备之间有精确的联系。

(2)基于条件的分离：浓度变化时，油的流量变化；浓度不变时，油的流量也不变。即当检测到浓度变化时，改变油的流量。

结合原理(1)和(2)以及工程实际情况，可以用泵的转动来控制水和油的流量，则问题就转变成了如何控制泵的转速。

2.3 科学效应库解决问题

科学效应是在寻找专利产品的技术功能和实现技术功能的科学原理之间的相关性过程中形成的。科学效应库总结了解决发明问题时经常会遇到的30种功能，以及实现这些功能过程中经常要用到的100个科学原理和现象，是TRIZ理论中一种按照 “从技术目标到实现方法”的方式组织起来的知识库，适用于“问题解决方向已知”的情况。

将“控制泵的转速”转化为30个主要功能中的一种为：F06控制物体的运动。对应的科学效应和现象有：磁力，电子力，压力，浮力，液体动力，振动、惯性力，热膨胀，热双金属片。启发性的2种原理如下所示：

(1)电子力。使用电机驱动泵，在系统中增加变频器并使用变频电机以控制电机转速。

(2)液体动力。使用配油马达驱动油泵，为控制配油马达的转速，需要增加比例流量阀来控制驱动泵进入配油马达的液压油的流量。

通过以上2种原理，结合工程实际情况，拟定了2种实施方案，将2种方案进行比较如表2所示。

表2 方案对比

对比各自优缺点以及成本可知：马达驱动泵的方案比较适合煤矿井下的情况。

2.4 解决矛盾2

对矛盾2，同样可以从时间分离和基于条件的分离得到启发。

(1)时间分离原理。在开始时人为设定浓度，工作时人不控制。可以采用软件控制，开始设定好浓度值，之后通过程序控制电磁阀的开口度来控制水和油的流量。

(2)基于条件的分离。希望改变浓度时，人为控制。不希望浓度变化时，不用人控制。依然可以采用软件控制，需要改变时通过操作面板控制，不需改变时，由软件自行控制。

以上2个原理都指向了一点，增加电控系统。

2.5 解决新增技术矛盾

在新的方案中，系统的使用方便性得到大大的改善，但是因为水的流量不可能一成不变，而且没有人去观察浓度变化，其可靠性有待验证，所以使用方便性和可靠性形成了一对技术矛盾。技术矛盾通过对应39个工程参数、查询矛盾矩阵表、得到对应的发明原理来解决。对应39个工程参数，文中系统改善的参数为使用方便性，恶化的参数为可靠性。对应发明原理分别为40(复合材料)、35(参数变化)、2(分离)、17(维数变化)、12(等势性)、29(气压或液压构造)、23(反馈)。

受到反馈原理的启发，在液箱里增加浓度传感器反馈到电控系统中，电控系统可以实时根据浓度来调节比例流量阀调节配油马达和配油泵的转速以达到稳定浓度的目的。在液箱中增加液位传感器来判断液箱中的液位，并通过电控系统控制水泵和油泵是否转动来控制是否向液箱中配液，提高了系统的可靠性。

3 实施方案

经过对TRIZ理论以及工具的应用，最终系统流程如图3所示，实施方案如图4所示，实施效果如图5所示。系统主要由PLC控制器、油箱、补油泵马达泵组件、配水泵马达泵组件、配油泵马达泵组件、控制阀块组件等组成。PLC控制器收到各传感器的反馈后，控制各电磁阀的通断以及比例流量阀的开口大小，最终达到乳化液的精确配比，解决了乳化液配比浓度不精确的问题。在实际生产过程中，所配置的乳化液浓度一直保持在设定值3.5%左右，符合预期要求。

图3 系统流程

图4 实施方案

图5 实施效果

4 结论

将系统化的TRIZ理论和工具应用到实际工程中亟待的发明问题，取得了良好的效果。基于文中方案的成功，将其应用于井下液压支架回撤用的移动泵站，其浓度配比精准，安全可靠，只需一次设置即可。接通水源和油桶之后，可实现配液的无人值守，真正减少了工人劳动强度，增加了配比可靠性、精准性，具有重大经济效益与社会效益。