基于ARIZ算法研制氧化铝破袋装置

李莉 朱煜

摘 要：本文利用TRIZ理论中ARIZ问题分析与求解模式，通过对技术系统进行分析，建立系统功能模型、分析问题模型、利用物理冲突、物质-场分析、应用知识库等解决流程，从氧化铝破袋器结构形状、材质选择等方面提出11种技术方案，通过优化组合，研制出破袋效率高、安全可靠的破袋器装置。

关键词：TRIZ理论；ARIZ算法；破袋器；效率

中图分类号：TF351 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）19-0038-03

An alumina Bag Breaker Was Developed Based on ARIZ Algorithm

LI Li1 ZHU Yu2

（1.Qinghai Zhengyi Testing Technology Co. Ltd， Xining Qinghai 810008；2.Qinghai Province Science and Technology Information Research Institute Co. Ltd.，Xining Qinghai 810000）

Abstract： In this paper， the problem analysis and solution mode of ARIZ in TRIZ theory was adopted. Through the analysis of technical system， the system function model， problem analysis model， physical conflict， material-field analysis， application knowledge base and other solutions were established. Eleven technical solutions were proposed from the aspects of structure shape and material selection of alumina bag breaker. By optimizing the combination， a bag breaking device with high efficiency and safety wea developed.

Keywords： TRIZ theory；ARIZ problem；torn bags； efficiency

ARIZ最初由Ahshuller于1956年提出，经过多次完善才形成比较完整的体系其主导思想和观点主要有[1，2]：①冲突理论；②克服思维惯性；③ARIZ集成应用了TRIZ理论中绝大多数工具；④充分利用TRIZ效应库和实例库，并不断扩充实例库。

1 问题背景和问题描述

1.1 问题背景

通常情况下，采用天车将氧化铝袋起吊放置在下料平台上完成破袋作业。由于该装置一次破袋效率低，需要二次起吊重新对位操作，不仅破袋用时长，而且氧化铝袋处于悬空状态，使粉尘四处飞扬。此外，二次起吊时需要人工配合对位，安全隐患大。

1.2 问题描述

1.2.1 定义技术系统实现的功能。在割破袋装氧化铝的技术系统中，其功能主要是破袋，实现该功能的限制主要是安全性差。

1.2.2 现有技术系统的工作原理及存在的问题。传统输送工艺流程中，袋装氧化铝首先由割袋作业人员与天车配合，起吊至卸料平台，重达1.5t/袋的氧化铝包与割袋人员近距离接触，若天车吊索出现故障或人车配合失误，大的氧化铝结块在人工割袋过程中易从氧化铝包中坠落，极易造成重物坠落伤人或起吊重物碰撞挤压伤人的不安全事件发生。此外，吊到指定位置后，工人进行割袋作业，不仅费时费力，劳动强度大，而且物料下料高度高出集气罩高度3倍以上，破袋作业现场粉尘飞扬较大，严重影响割袋工人的身心健康。

1.2.3 问题出现的条件和时间。铝电解生产属于连续性作业，氧化铝通过浓相输送系统进入电解槽是实现铝电解的基础，若不改变现有破袋方式，不仅破袋效率低，而且无法避免破袋装置暴露在外容易伤人及二次起吊对位操作导致粉尘飞扬的问题。

1.2.4 相关问题或类似问题的现有解决方案及其缺点。行业内通常采用由作业人员用自制刀具切割氧化铝袋的方式完成该作业。其自制切割工具有钢锯、带柄尖刀、长柄剪刀等，但切割效果均不理想。经检索发现，专利号为201320571074.1，名称为一种破袋装置的实用新型专利，可实现破袋功能。

基于上述破袋装置的启发，在浓相系统卸料平台料斗上安装平台破袋装置。该裝置采用槽钢焊接格栅，格栅的交叉点上焊接有呈正八面锥形的刀架，并与长度足够长的刀具焊接形成一体，将氧化铝袋吊至刀具上方，通过袋装氧化铝4.5t的自身重量，使氧化铝袋底部得以刺破，从而达到破袋的目的。

但自制刀具和平台破袋装置均存在缺陷：用自制刀具破袋，要求天车对割了一半的氧化铝袋进行二次提升，才能实现二次破袋作业。但是，这样会产生2m的高空落差，造成氧化铝粉飞扬，严重影响现场作业人员的身心健康。使用平台破袋器时，刀具固定焊接在槽钢制作的井字格刀架上，给天车起吊后的对位操作增加了难度，需要反复多次操作。同时，由于卸料点平台工作环境的限制，平台破袋器的刀具完全暴露在工作环境中，易伤人，危险性较大。

由此，必须建立一个能有效解决井字格平台破袋装置破袋效率不高的问题的新系统。

2 基于ARIZ的问题分析与求解

2.1 问题的分析与表述

2.1.1 建立系统功能模型。通过功能模型分析出系统元件及其之间的相互关系，得出导致堵料问题的功能因素，其目标问题有3方面：格栅阻挡氧化铝粉通过下料平台；刀具弯曲钝化阻挡氧化铝粉通过下料平台；卸料平台自身阻挡氧化铝顺利通过。

2.1.2 因果分析。应用因果链分析法确定产生问题的原因。

具体分析结果见图1。

2.1.3 确定问题关键点。①刀具抗压能力差，易弯曲钝化；②格栅过密，阻挡氧化铝粉顺利通过下料平台；③下料平台设计不合理。

2.1.4 “缩小问题”描述获得方案初步意向为通过改进格栅的疏密程度来解决格栅刀架堵料问题。

2.1.5 “扩大问题”描述。从系统构成的超系统、子系统，时间维度的过去和将来，因果关系的原因和结果及输入和输出4个角度分析问题，寻找可替代的问题。

2.2 分析问题模型

2.2.1 冲突描述。以“格栅过密，阻挡氧化铝粉通过”为着手点，定义2个技术冲突TC1和TC2。技术冲突描述见表1。

本文选取技术冲突TC2。

2.2.2 为提高下料速度，使系统不堵料，需要破袋器的格栅刀架疏，但这样做会导致破袋器的破袋效率降低。为此，将该技术冲突转换成TRIZ标准冲突，查找冲突矩阵，得到两种方案。

①方案1。將正八面棱锥刀具设置成可拆卸的。结合现场实际计算各底角角度、棱锥高，在保证刀具的刀尖足够长的前提下，在槽钢焊接的格栅刀架上，按焊接角度先焊接10cm的套装头，将各边靠近底部的部分做成能与套装头相匹配使用的中空形状。这样，一旦因破袋器引起堵料，可人工将刀具取下。

②方案2。在刀具周围，安装可活动的分流装置，使氧化铝物料在下落过程中能分散开来，尽可能散落在下料平台的其他区域，而不至于都集中在放置破袋器处，以期解决因物料过于集中而导致的堵料问题。

2.3 构建物质-场模型

在格栅刀架和氧化铝之间建立机械场，构建物质-场模型，以消除因功能不足带来的有害因素。

2.4 从X1角度应用76个标准解

得到2类标准解，即No.12和No.60。得到两个解决方案：

①方案3。增加另一种机械场，使之产生搅拌力，通过搅拌作用减少格栅刀架对氧化铝粉的阻力，加快下料速度。

②方案4。在料斗的筛网上方加装一套流化装置。流化装置具体由6mm的不锈钢管制作成直径为1m的圆形，在不锈钢管下方，每间隔5cm打一个[Φ]8的圆孔，在流化装置进口通入0.6MPa以下的压缩空气，利用[Φ]8圆孔流出的压缩空气使料斗筛网上的物料沸腾，达到均匀下料的目的。

3 定义理想解确定物理冲突

3.1 定义操作区域和操作时间

从操作区域考虑，破袋区域为格栅刀架处，堵料区域为格栅刀架处；从操作时间考虑，格栅刀架破袋时和格栅刀架堵料时。

3.2 分析操作区域和操作时间内的可用资源

从系统内部资源（氧化铝袋、刀具、格栅刀架、氧化铝粉、刺破）、外部资源（起吊设备、下料平台、梯形料斗、重力场）、超系统资源（浓相输送系统、重力场）3方面分析资源的可用性。

3.3 定义理想解

假设存在一个X，在格栅刀架处，可以实现“破袋器破袋料率高”，能够“消除格栅刀架堵料”，且不增加系统复杂程度和不产生任何有害作用。

3.4 使用限制条件应用理想解

使用刀具，在格栅刀架处刺破氧化铝袋时，实现“破袋效率高”并且能够“避免二次对位破袋操作”；使用格栅刀架，在格栅刀架处下料时，实现“下料速度快”，并且能够“消除格栅刀架堵料”。

得到两个方案。

①方案5。得到的解如下：通过加装电动装置使平台破袋器能振动。当氧化铝粉覆盖到平台破袋器上时，碰触到感应按钮，自感应功能立即启动，平台破袋器通过往复运行的振动模式，使氧化铝顺利通过破袋器，而不至于堆积在下料平台上。

②方案6：改变平台破袋器的整体结构，在其底部四周焊接4个一定高度的支撑脚，增加破袋器和卸料平台之间的垂直距离，为瞬间漏下的物料建立一个中转缓冲区域。

4 利用扩展物质-场资源

4.1 使用“小人法”建模

将格栅交叉点上焊接的正八面锥形刀架变化为正四面体锥形刀架，通过减少每个刀架上侧棱的数量，改进格栅刀架阻碍物料通过的不利影响。

通过改进平台破袋器结构，使红色格栅刀架小人在下料平台上以一定速度和一定半径作圆周运动，实现单刀多点刺破的破袋效果。

4.2 利用扩展资源

可利用的扩展资源主要有起吊设备、下料平台、梯形料斗、空间高度，其类别为物资资源和场资源，且均可用。

4.3 应用新资源重新考虑采用标准解解决问题

根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到以下解决方案。

方案9。得到如下解：在扩展资源下料平台与料斗的连接处加装流化装置。

5 应用知识库

确定问题要实现的功能为“输送物料”，查找效应知识库，未得到可用的效应解决方案。

通过定义物理矛盾，运用相应的分离原理得出12条原理，根据选定的发明原理，得到两种可用解决方案。

①方案10。能使平台破袋器由原来的静止不动转化为可活动的，随着氧化铝粉的迅速堆积，平台破袋器可在下料平台上随时移动位置，减少因破袋器自身带来的堵料问题。

②方案11。改变平台破袋器的整体结构，将其制作成三刀具三个圆柱体相切而成、带有可移动支撑架的圆筒型结构。减少刀具数量，改变格栅刀架的疏密程度。

6 方案选择及综合评估

依据上面得到的若干创新解，通过评价，确定最优解为方案8和方案11。

方案8。将平台破袋器形状改进为圆筒形，上部焊接正八面体棱锥形刀具，在圆筒刀架内安装小型电机并设置运行程序，在外接电源的作用下，利用筒内设置的电机带动该装置在下料平台上沿着下落到一定高度的氧化铝袋，以略大于三袋氧化铝相切半径为半径作圆周运动，实现单刀多点刺破的破袋效果。

方案11。改变平台破袋器的整体结构，将其制作成三刀具三个圆柱体相切而成，带有可移动支撑架的圆筒型结构，将刀具数量减少为3套，改变格栅刀架的疏密程度。

从横向和纵向多维度空间改变原有平台破袋器结构，为氧化铝物料的下落提供有效空间，在此基础上，建立一定高度的可活动支撑架，为下落的物料建立起有效的中转缓冲区域，而且方便吊运和平稳放置。

7 结语

经过方案评估，研制出三刀具三个圆柱体相切而成，带有可移动支撑架的圆筒型氧化铝破袋装置。该装置具有制作成本低，可操作性好的特点，并已形成实用新型专利（专利号：201520274564.4），在国内外行业中具有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1]檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]刘业翔，李劼.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008.