应用TRIZ理论对现有板式过滤机的弊端分析和解决方案

刘祉 唐庆博 郭玉婷 王双林

摘  要：现如今以铝板、带、箔材为主的生产加工部门一方面对金属冷轧的精度要求越来越高，另一方面冷轧机又不断向高质量、高速度发展， 流量规格需求更细化，因此冷轧机过滤系统核心设备--板式过滤机的升级改造至关重要，板式过滤机的性能决定了轧制过程中起到工艺润滑、冷却作用的轧制液的质量，我们既要保证过滤流量又要达到更高的过滤精度，这样才能保证生产出符合要求的高质量产品。该文应用 TRIZ 理论对现有设备的弊端进行分析并获求改良和升级的可行性方案，以满足行业及当今社会的发展需求，并使其发挥出最大的经济效益。

关键词：TRIZ理论;双流量;PLC

中图分类号：TH12                文献标志码：A

1 基本问题分析

1.1 冷轧过滤技术的问题描述

铝加工包括热加工和冷加工，其中遍及工业、建筑业、航空、食品、医疗、交通、军事等每一个角落所用的产品主要以冷加工为主。在生产中，冷轧机轧制工序的地位已经无可取代，它的重要性已经得到铝加工行业广大专家的肯定。

近些年，板式过滤机因结构、工艺、控制等出现的问题而不能高效连续生产的现象较为普遍。尤其在市场订单急、交货时间短、质量要求高的情况下，制约了企业的发展。为了避免由于过滤机导致不能正常轧料，耽误产量，影响经济效益的问题出现，我们采用TRIZ原理去尝试找出解决方案，用更加科学的方法去解决现有板式过滤机存在的问题。

1.2 当前主要解决办法

一般情况下，板式过滤机在污油箱堵塞报警时需要换纸，在换纸前要进行设备的清洗。完成这一过程需要 15 min，再加上开箱和开箱后运纸以及下一个周期的合箱，需要 30 min～40 min，总体下来大约需要45 min～55 min。这个阶段轧机要停止生产，就算待料还未轧完也要等待，持续时间长，影响整个工艺、生产进度、产能及产量等。目前厂家主要通过增加人力或者增加设备数量来解决这一问题。其中增加数量是指采用多台板式过滤机并用的方式。

1.3 现有板式过滤机的弊端及发展趋势

尽管通过2台或多台板式过滤机的并用的方式满足了轧制油流量的需求。但整个过滤系统不完整，操作不方便，人员干预较多而且产品单一性明显，主要存在预沉积和正常过滤2个阶段添加助滤剂只能由技术工人熟练程度来决定的问题，经常影响过滤周期，也会造成硅藻土和活性白土配比不科学，轧制液质量无法保证，原材料浪费。也存在设备结构设计不合理，过滤单元受力不均匀，工作中单元间有渗漏，箱体易变性，设备使用寿命缩短的问题。还存在以硅藻土为主的固体废物采用简单粗暴处理方式，造成严重的资源浪费和环境污染的问题。同时，设备上应用的现代主流工业技术有限，升级缓慢。

未来几年无论是政策还是市场，都会迫使铝加工行业提高门槛，朝着经济发展新形势带动的新市场和产生的新需求的转型升级，已建低水平铝加工产能的淘汰将会加快，促进新一轮的行业优化转型升级，以满足“升级版经济”对铝材的升级版需求。

2 TRIZ理论对设备弊端的分析和解决方案

2.1 现存弊端的因果分析

在面对现有板式过滤机的一系列弊端时，我们可以通过对其進行因果分析，梳理问题中隐含的逻辑链及其形成的机制，从梳理的逻辑链中找出改进现有板式过滤机的所有可能的突破点，从所有突破点中找出“最优”突破点。我们发现现有板式过滤机的问题总的来说就是生产效率低和助滤剂（以硅藻土为主）的浪费。

2.2 因果分析设计初步方案

通过结合现在社会需求，联系实际，得出首要解决的问题是一方面提高过滤机的工作效率，另一方面要合理利用助滤剂（硅藻土）。

通过TRIZ理论鱼骨图的因果分析，如图1、图2所示，不难看出传统板式过滤机的设计已经不能满足社会需求了，需要推翻传统的设计理念，结合现代科技，顺应未来发展趋势设计出一种智能高效、环保且低成本的“双流量”过滤系统。

2.3 冲突矩阵与发明原理

我们从TRIZ理论39个工程参数中选择能代表技术冲突的一对特征参数。首先是质量提高的参数：时间损失（NO.25），提高了对时间的利用率，使时间损失大大降低。其次是带来负面影响的参数：静止物体重量（NO.2），一系列装置的添加与利用增加了设备的重量。

将上述2个工程参数带入冲突矩阵当中，可以得到4条推荐的发明原理，分别为NO.10 预先作用原理、NO.20 有效作用的连续性原理、NO.26复制原理和NO.5 组合原理。再通过对这4个发明原理进行深度分析，新型过滤机可以考虑增加一套电机设备，组合成宏观的“双流量”过滤系统，将另一套电机设备预先准备好，在前一个过滤机进行清洗后停机的时候，该套电机设备立刻进入工作状态，这种方案可以保证冷轧机连续工作，以充分利用时间来提高效率。

3 方案控制过程的实现

应用 TRIZ 理论构建的“双流量”板式过滤机结构进一步优化、完善，改进工艺流程、提高设备性能，真正达到产品的高精度、高效率。如图3所示。“双流量”是指在原有一台过滤机的基础上增加一套电机设备，不是简单的2台叠加，而是依靠一套完整 PLC 控制来完成轧制油杂质的过滤工作，达到2台“板过”并行使用且可自由切换，降低因辅助时间造成的停机的发生概率，实现不停机换纸提升生产效率。在生产过程中如果一台“板过”箱体压力达到设定值需要更换滤纸时，可将另一台“板过”开启预沉积状态并进入正常过滤程序，实现轧制油正常过滤。原先“板过”开始进入清洗吹扫状态，吹扫结束后可对其进行滤纸更换，在整个过程中2台“板过”污油输入、净油输出、吹扫回油通过程序控制直接流回污油箱及净油箱，管路互不干扰，而且还可实现当轧制油受到污染时2台“板过”同时开启，在较短时间内实现轧制油的清洁过滤。

4 TRIZ理论的发明原理在方案上的可行性应用

4.1 利用传感器进行信息采集（反馈原理）

“双流量”板式过滤机传感器是用来采集设备状态的重要元件，在该项目中的传感器主要被用来检测以下几种状态信息：过滤单元开箱到位情况，感知过滤单元合紧压力情况，污油箱的液位检测，过滤箱的入口压力检测，控制气源、吹风气源压力检测，红外线温度感知检测等，为有效地控制系统正确的运行提供信息。尤其在工作准备段，根据过滤箱内油被污染的程度，通过光电传感器，利用油对其反射的物理性质，判断油被污染的具体状况，是添加助滤剂（硅藻土），还是需要加入活性白土，每种需要添加多少等，通过光电传感器发送给设备的计算机里的信号来判断并进行定量添加，该过程节省了人力和物料，且使过滤精度更加精准。

4.2 提高夹紧机构的稳定性（组合原理）

改进前的设备以线式双立柱的结构支撑设备框架，这种结构方式虽能完成支撑机器框架的基本目的，但是设备结构不稳定，易摇晃，易损坏。改进后的设备采用矩形四立柱的结构来支撑机器框架，这种结构在原有结构的基础上又增加了一倍的立柱，相比之下更为稳定且过滤单元受力均匀、美观。

4.3 对设备进行远程监控（预先防范原理）

通过开发一款应用在电脑或者手机上的软件，链接机器本身的计算机系统及外部的监控系统。设备生产厂家负责售后保障的部门和用户的企业技术部门下载此软件，通过软件了解机器运转过程中的状态。用户技术部门可以实时了解该机器储备助滤剂的量，油、纸被污染的程度，预算更换清洗的时间以及对发生的紧急故障进行报警。还可实现在终端进行简单操控，例如急停操作、远程预警提示等。而对于设备生产方，远程了解机器的故障，对用户技术人员进行远程指导，可节省因故障造成的过长的工作暂停时间，或根据故障，可以第一时间获取维修所需的工具或材料，判断所需的维修人员数量或水平，节省时间和人力成本。构建一个超大型远程实时分布式监控系统来监视和控制过滤系统的暂态运行情况，预测可能出现的过滤系统失稳或崩溃，并在暂态故障造成无可挽回的破坏之前，通过适当的控制策略来进行反事故控制。

4.4 对产生废物的回收利用（自服务原理）

目前对硅藻土废物的回收利用采用的仅是从硅藻土废物中提取的煤油、铝粉。而硅藻土废物还有更多新鲜的去处，这些创新可行性建议可以从根本上解决硅藻土废物的堆积问题，又可“一物多用”，例如提炼出油后的废弃硅藻土可以作为很好的燃料，燃烧后生成水和二氧化碳，无有害气体，环保又节约能源。再例如分离出的硅藻土可以作为装修材料，不含对人体有害的物质，而且具有天然环保、可净化空气、不燃、耐高温等优点。除此之外，硅藻土具有生物活性，其多孔的物理结构可以成为一些动植物的栖息地，并为其供应营养与生长环境。硅藻土能够杀虫除菌，减少病虫害，可以驱赶黄蜂、蚊子、鼻涕虫等害虫。废硅藻土能增加土壤疏松度，堆肥除臭等。

5 结语

应用TRIZ理论对金属冷轧过程中的核心设备板式过滤机的常见问题进行充分调研和深入分析，找出当前板式过滤机的改进方案，解决了实际应用中的不足，使其在工作原理、工艺、自动化水平、维修制造成本、能源、劳动强度、固体废物处理等方面得到提高。科研成果得到市场转化，产品应用于国内大型铝箔、铜箔加工企业以及有色金属板带箔加工厂，得到了较好的社会和经济效益。

新型板式过滤系统不仅在机械结构、液压、电控系统等各方面进行了全面改进，符合产品转型需求，适合多样化。而且顺应时代发展趋势、当今社会的需求、可持续发展、资源回收利用的环保基本国策，尤其通过充分利用“双流量”优势提高了过滤机的工作效率，提高了产品的竞争力。在新一轮经济结构调整中占有了先机。

参考文献

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[3]王双林，王丽君.“双流量”板式过滤机电控系统的设计与探究[J].中国新技术新产品，2017（18）：4-5.

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