基于TRIZ的超短管聚乙烯涂塑装备技术研究

郑雅君 周庆林 邵国庆 姜文 王祖鹏

摘  要：现有涂塑装备很难实现长度小于350 mm的超短管路自动化涂覆施工，且施工人员容易产生烫伤安全事故，生产效率低、质量不可控。为提升生产效率和施工安全性，基于TRIZ对超短管聚乙烯涂塑装备进行技术研究与工艺改进。该文应用TRIZ工具，共产生20个概念方案。依据技术系统向自动化进化的原则，明确装备研发关键点。针对解决方案进行分析、评估，最终确立超短管聚乙烯涂塑装备的技术方案，有效解决当前系统中存在的问题，研制出所需的超短管聚乙烯涂塑装备。

关键词：TRIZ；超短管；聚乙烯；涂塑装备；创新方法

中图分类号：TQ325.1     文献标志码：A          文章编号：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）是一种在遇到问题时引导人们沿着正确的方向去思考，帮助人们更加高效高质量地解决科学与技术问题的理论方法[1]。此理论方法被认为是当前最为全面且系统地论述发明创造、实现技术创新的理论[2]。本文基于TRIZ创新方法进行超短管聚乙烯涂塑装备技术的研究，应用了TRIZ理论的系统功能裁剪、最终理想解、资源分析、技术矛盾、物力矛盾与物场分析等工具[3]，提出了具有参考价值的解决方案。

1  问题背景和描述

近年来，聚乙烯涂塑钢管因其克服了钢管的易锈蚀、使用寿命短，塑料管强度低、膨胀量大、易变形等缺陷，又具有钢管和塑料管的共同优点，因而在燃气、给水、核电等领域快速发展，同时聚乙烯防腐技术广泛应用于船舶及海洋工程管路中[4-5]。现有涂塑装备很难实现长度小于350 mm的超短管路自动化涂覆施工，需要人工手动涂覆操作。但因受管子作业温度、重量、形式等因素影响，在施工安全、质量、效率和成本等方面均存在亟待解决的问题，迫切需求针对性的自动化涂塑装备。

问题具体表现为如下几点。

第一，安全。管子温度一般在250～300 ℃，容易产生烫伤安全事故。

第二，质量。手动翻转速度不恒定，容易产生涂层厚度不均匀等质量缺陷，需二次修复。多人协同手动翻转力度和角度不受控，容易产生非涂覆区域附着粉末现象，需二次修整。

第三，效率。手動供粉、翻转、余粉收集等多工序操作，耗费大量施工时间。

第四，成本。多人协同、二次修整耗费大量人力及时间成本。

2  问题分析

2.1  系统功能分析

人工超短管聚乙烯涂塑系统组件，以及系统组件功能类型见表1、表2。

表1  人工超短管聚乙烯涂塑系统组件

通过功能模型分析：确定了人工超短管聚乙烯涂塑系统问题的功能因素，并列举出系统中存在的有害和不足的功能。

构建功能模型图，如图1所示。

图1  超短管聚乙烯涂塑装备功能模型图

2.2  因果链分析

对人工超短管聚乙烯涂塑系统产生“超短管聚乙烯传统人工涂覆操作无法满足施工需求”的结果进行因果分析，如图2所示。

2.3  解决问题的突破点

通过TRIZ系统功能分析、因果链分析工具进行问题分析，明确了系统中组件之间的相互关系及存在的负面和有害功能。人工涂覆操作方式无法满足超短管聚义涂塑的安全、质量及效率要求，应用自动化涂塑装备是实现提升超短管聚乙烯涂塑施工安全性，同时保障生产质量、效率的突破点。

3  问题求解

3.1  系统功能裁剪

第一次裁剪。裁剪掉传统粉箱，引入供粉装置。从而形成解决方案1：设计自动化的供粉装置替代人工操作粉盒倒灌的工作方式。

第二次裁剪。裁剪掉空气与粉末开放式接触方式，引入储粉装置，从而形成解决方案2：设计自动化的储粉装置降低空气对粉末状态的影响。

第三次裁剪。裁剪掉人工翻转管子的操作方式，引入旋转装置，从而形成解决方案3：设计自动化的旋转装置替代人工翻滚管子的工作方式。

第四次裁剪。裁剪掉平台支撑管子翻转的操作方式，引入夹持装置，从而形成解决方案4：设计夹持装置稳定支撑管子翻转操作。

3.2  最终理想解

通过分析设计的最终目标，最终理想解，达到理想解的障碍，出现这种障碍的原因，不出现这种障碍的条件，以及创造这些条件所用的资源，从而得出相应的解决方案。

形成解决方案5：应用自动化的涂塑设备替代传统人工涂覆操作模式。

3.3  资源分析

从种类、物资资源、能量资源、信息资源、空间资源、时间资源和功能资源等方面进行资源分析，从而确定解决方案，具体见表3。

形成解决方案6：利用法兰资源设计夹持装置。

3.4  技术矛盾

为保障管件内壁的涂覆质量，需要增加聚乙烯粉末的供给量，但增加了人工涂塑操作难度。确定要解决的技术矛盾是发生在“稳定性、制造精度、可制造性”与“物体产生的有害因素、操作流程的方便性、生产率”之间，具体见表4。

问题模型对应的39个通用工程参数描述技术矛盾，改善的参数为13稳定性、29制造精度、32可制造性；恶化的参数为31物体产生的有害因素、33操作流程的方便性、39生产率。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增加不对称性、5组合原理、10预先作用、17空间维数变化、22变害为利、28机械系统替代原理、32颜色变化和35改变物理或化学参数原理。

根据所寻找到发明原理，提出以下解决方案。

解决方案7组合原理：将储粉和供粉操作合并为一套供储粉系统。

解决方案8预先作用原理：根据管件规格及涂塑要求，设定固定量供粉，一次涂覆完成无剩余。

解决方案9空间维数变化：将不规则的人工翻滚操作转变为稳定的二维平面旋转。

解决方案10物理和化学参数改变：应用新型物理及化学性能的粉末材料。

3.5  物力矛盾

自动化的供储粉系统，粉箱是核心组件。传统粉箱设计采用钢制结构，冬季厂房低温环境时因钢板温度偏低，易造成粉箱交联结构内的聚乙烯粉末受潮结块，影响粉末的流动性，使涂覆加工时粉末在加热管件内附着不均，影响产品的表面质量。确定物力矛盾：粉箱应该尺寸大，以满足粉末数量要求；粉箱应该尺寸小，以满足粉末质量要求。

拟采用分离原理：空间分离为1分割原理、7嵌套原理；18机械震动原理、29气壓与液压结构原理。条件分离为18机械震动原理、29气压与液压结构原理。整体与部分分离为39惰性环境原理。对应各原理提出的具体解决方案见表5。

3.6  物场矛盾

1）确定问题：粉箱贮存粉末涂料易受潮。

确定物场模型1（图3）：消除有害作用，标准解1.2.3通过引入物质消除有害因素引入空气或干燥剂。

据此提出解决方案17：引入空气，形成隔离效果，消除粉箱直接对粉末的有害作用。

据此提出解决方案18：引入干燥剂，使粉末始终处于干燥状态，消除粉箱钢板结露现象。

2）确定问题：粉箱贮存粉末涂料易受潮。

确定物场模型2（图4）：消除有害作用，标准解1.2.4用场抵消有害效应中引入热场或磁场。

据此提出解决方案19：引入磁力场，使粉箱钢板与粉末隔离，弱电排斥。

据此提出解决方案20：引入热场，使粉箱恒温干燥。

4  方案整理及实施效果

通过TRIZ系统功能分析、因果链分析工具进行问题分析，应用系统功能裁剪、最终理想解、资源分析、技术矛盾、物力矛盾和物场分析工具解决问题，指引解决问题方向，指导装备技术研究。其中13个可行性方案分别从自动化装备应用及工艺技术改进角度提出解决问题方向，依据技术系统向自动化进化的原则，明确了供粉装置、储粉装置、夹持装置和旋转装置的装备研发关键点，以及供储粉一体化、二维平面旋转、粉箱球面化和法兰端夹持的装备创新点，整理出的最终可行性技术方案见表6。

5  结束语

本文应用TRIZ创新方法工具共取得了20个概念方案，经过综合技术分析、评估，最终确立了综合技术方案，成功研制了超短管聚乙烯涂塑装备，实现了超短管聚乙烯涂覆施工从传统的多人手动操作模式向自动化装备应用转变，有效提升了系统的安全性、产品的质量和生产效率。

参考文献：

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

[2] 程虎，董影，宗涛，等.基于TRIZ理论的操控台模块锁紧机构设计[J].机电信息，2023（10）：32-35.

[3] 田丹阳，李志农，李云龙.基于TRIZ理论提高盘轴松动转子系统的动力学特性[J].科技创新与应用，2023，13（20）：12-16.

[4] 施建峰，胡安琪，郑津洋.聚乙烯管材标准发展现状分析[J].中国塑料，2021，35（3）：112-123.

[5] 张兴胜，程正伟.聚乙烯涂塑钢管在给排水工程中的应用[J].安装，2013（9）：44-45.