基于TRIZ理论的高压钢管壁厚控制方法设计研究*

裴小兵 宋丽姣 许庆涛 赵 衡

(天津理工大学管理学院，天津300384)

创新方法是创新效率的决定性因素。传统创新方法效率低下，主要表现为“少慢差费”。在创新过程中经常会遇到棘手的问题，难以提出有效解决思路，而TRIZ理论使创新走出盲目的、高成本的试错，极大地加快了创新和创造历程。随着TRIZ理论的发展，TRIZ理论可为创新过程中遇到的特定问题给予指导性解决方向[1]。

1 TRIZ理论与应用概述

国外学者对TRIZ理论的创新应用进行了充分的研究。Petkovic[2]等采取TRIZ理论解决了机器人关节处设计过程中的矛盾，使得关节处的弹簧与空气调节器可具有良好的兼容性，确保机器人可准确定位并与外界环境进行正常接触。Berdonosov等[3]在开发CASE检查系统的过程中，利用TRIZ作为基本工具，通过提出多种方案并对其进行优劣分析，解决了系统开发所需的投资与实用性之间的矛盾。Fu-Kwun Wang等[4]将TRIZ理论与六西格玛集成用于新产品开发；国内学者郑称德在详细介绍TRIZ相关理论的基础上分析了TRIZ的设计模型[5]；张东生等论述了TRIZ应用企业管理创新的可能性，并提出了相关管理创新方法研究的基本思路[6]；部分学者基于TRIZ理论创新设计了具体模型，包括飞机结构设计、可重构夹具设计、便携式耳机设计等[7-9]。

综上所述，TRIZ创新理论在经过几十年的发展后，目前正逐渐渗透到工程技术领域中，越来越被更多地应用到技术科学、企业创新战略、管理以及医药化学等领域。但目前TRIZ理论的研究仍主要集中在产品研发设计等宏观层面上，较少涉及具体的技术方法或发明实现，应用方式相对单一[12]。随着科技的高速发展以及不同科学领域的相互渗透，TRIZ理论应更广泛且具体的用来对问题进行分析并解决，根据实际问题的特点，分层次的、定性分析与定量评价相结合，对问题进行分析并对方案进行选择从而解决问题。本文以厚壁高压管壁厚控制问题为分析和解决对象，结合IE相关知识与TRIZ理论联合解决问题，结合因果分析法、矛盾冲突矩阵分析和解决过程中的矛盾，最后采用TOPSIS法对方案进行选择。

2 TRIZ理论概述与模型构建

TRIZ理论即发明问题解决理论，其主要包括冲突解决理论、物-场分析理论及ARIZ算法等内容。作为一种系统性的理论和方法，TRIZ为人们创造性地发现问题和解决问题提供了有力工具。其中,TRIZ冲突解决理论包括了技术冲突解决原理和物理冲突解决原理，而在技术冲突解决原理中,TRIZ提出了描述技术冲突的39个通用工程参数和解决技术冲突的40项发明原理，然后构建了一个39×39的矛盾矩阵表,矩阵中的第一行为需要改进的工程参数,第一列为引起恶化的工程参数，行列交叉处构成技术矛盾，交叉处列出了解决技术矛盾所推的40条发明原理的序号，利用矛盾分析矩阵能够有效解决发明设计过程中原理选择的难题[1]。

图1描述了TRIZ理论解决问题的全过程：(1)将要解决的问题明确界定；(2)用专业技术领域的术语描述该冲突，并转化为一般性标准问题；(3)结合TRIZ相关理论，得出解决该一般性问题的通解；(4)依据通解寻求特解。

3 TRIZ理论的应用实践

3.1 问题描述

M公司是国内一家以生产钢管为主的大型制造型企业。在实际生产实践中，钢管不同部分之间的管体壁厚经常存在差异，经统计得出壁厚曲线如图2所示。由于管材横截面存在壁厚分布不均匀的现象，当管体厚度中值偏高时，因不均度与中值叠加将致使管体出现过厚现象，如图2中A点所示；而当管体厚度中值偏低时，则由于不均度与中值叠加致使管体出现过薄，如图中D点所示。钢管壁厚的波动现象导致不合格率增加，同时也导致过多的不必要加工等浪费。

为防止管体壁厚波动导致不合格等浪费，本文基于传统控制方法的基础知识，结合TRIZ理论提出壁厚控制的计算预测模型的新思路，利用计算模型预测管体壁厚中值。传统工艺获取管体壁厚信息影响了生产节奏，降低了产品成材率。因此，采用TRIZ理论寻找最佳解决办法，对斜轧工艺生产的管体壁厚进行预测，达到速度快，计算精确的技术特点与优势。

3.2 影响因素分析

实际测量管壁厚度的过程中，很多因素导致测量精度不高。下面用因果分析来确定导致测量精度不够、数据不完整的主要因素。鱼骨图(石川图)见图3。

3.3 冲突区域确定

由于钢管管体横截面壁厚存在壁厚不均性，为了控制成品壁厚减小壁厚波动，采用8通道γ-射线进行壁厚测量，因为其位置相对固定，所以其不可以进行横截面的全截面厚度数据测量，因此就导致测量壁厚出现上下极值等问题。管壁厚度测量极值分布如图4所示。

3.4 改善历程

由于测量用到γ-射线，而γ-射线对人体的伤害极强，因此，安全性属于问题解决的第一考虑要素。若要得到理想解，就需要利用γ-射线进行全截面连续在线测量，从而就不可避免地要求管材与γ-射线产生圆周方向的旋转，因此，产生如下冲突的问题：数据采集的准确性，要求测量通道相对旋转；数据采集的安全性，要求测量通道不旋转。下面运用TRIZ理论分析工具寻求可实施方案。

(1)应用冲突解决理论。要求测量通道既要旋转又要不旋转，这就构成了一对物理矛盾。依据NO.2分离和NO.7套装原理，将γ-射线测量通道固定装置分离出来，将该测量通道安装于环形可旋转装置上。又考虑到通道需要转动，依据NO.15动态化原理，使测量通道安装装置可相对于外层固定装置进行环向旋转。基于冲突解决理论，可得到方案一：将8通道γ-射线测量装置重新安装在可旋转的环形构件上，而后将该构件安装在固定装置上，同时，要保证环形构件可相对于固定装置进行旋转，例如在其中间位置安装轴承。

(2)应用物场分析及76个标准解。首先，利用裁剪原理将γ-射线测厚装置裁剪掉。其次，利用76个标准解NO.45：用两个检测动作代替一个连续测量动作。

方案二：利用台锯将热态的成品管管头锯切至水槽中进行快速冷却，待冷却至100 ℃以下，利用超声波测厚仪测量其横截面的全截面壁厚参数，然后利用管头与管体壁厚分布关系分析管体壁厚的最大最小值分布情况。

方案三：将管体成品冷却至室温进行通体壁厚测量。三种方案比较如表1所示。

表1 3种可行方案的比较

序号方案创新原理1将γ-射线测量装置安装在可旋转环形构件上。冲突解决理论2将热态管头锯切至水槽中进行快速冷却,利用超声波测厚仪测量壁厚分布。物场分析76个标准解3将管体成品冷却至室温进行通体壁厚测量。物质-场分析及76个标准解

3.5 TOPSIS法选择方案与评价

根据系统性、可比性的原则构建指标评价体系，经过各项数据的统计分析，得到3种方案的指标数据[11]，如表2所示。

表2 方案指标数据统计表

方案时间/s成本/元便捷性准确性稳定性1241 2003962463 000938335900668

(2)将上述规范化决策矩阵进行加权w=(0.150.30.10.250.2)T，得到加权规范矩阵X={xij}；xij=wj*zij；i=1,2,…，m；j=1,2,…，n。

表3 计算效果分析

方案d∗d0c∗i10.264 30.064 30.383 320.303 70.194 70.390 730.131 90.137 80.511 1

根据计算结果，将方案由大到小排序：方案3>方案2>方案1，因此选择方案3最优，最终方案选择3方案：将管体成品冷却至室温进行通体壁厚测量。其特点和优势如下：快速性，台锯锯切可快速获得样本壁厚数据，快速性较强。准确性，采用千分尺检测采样壁厚数据，可满足精度要求。造价成本低廉，可满足现场机动灵活应用的要求。

4 结语

本文以高压钢管壁厚控制问题为研究对象，通过结合工业工程因果分析法以及其他改善方法分析导致管道壁厚不均的主要因素：测量通道位置固定以及管头温度高。为解决上述问题，应用石川图结合TRIZ矛盾解决理论提出改善方案，运用TOPSIS方法对提出的三种解决方案全面分析后进行优劣排序，找出快速、准确、灵动、低成本的最优方案。将该创新方法应用于生产实践，结果表明，通过测量管端壁厚分布情况，且根据管端与管体壁厚关系，推算管体壁厚分布情况可准确掌握管体壁厚分布情况，实现斜轧工艺生产管体壁厚的高精度控制，产品壁厚控制可实现接近100%合格的目标。综上分析，针对不同特点的问题及矛盾，TRIZ理论结合IE相关分析和改善思想能够很好地发现问题的切入点，寻求问题的解决思路，提高问题解决效率和质量。

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