基于TRIZ方法的台车炉冷却水循环系统研发

王 刚

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

1 项目介绍

太原重工股份有限责任公司锻造分公司目前在职员工398人，其中取得中级职称的占36.4%；目前公司拥有各种井式和台车式热处理炉窑24台，主要产品：3MW～1000MW发电机转子，汽轮机高压、低压转子，6MW以下风力发电机主轴，Cr3系列支承辊及配套使用的油膜轴承锥套，WK系列矿用挖掘机推压轴、拉紧轴、中央枢轴、中央枢轴套，特大型轧钢锻压设备缸段及柱塞段，系列吊钩，年调质量可达35000吨，在国内具有较强的热处理能力；调质炉炉温均匀性是大型锻件热处理行业的重大难题，目前行业内均无完美的方案解决此问题，我单位2台大型电加热热处理炉(3000×4000×8000，3000×4000×12000)炉窑加装8支～12支炉内风机搅拌使加热空气强制对流，900℃以下可实现±3℃保温精度，达到一级炉窑控温精度，风机主轴及电机采用隔离水套方式冷却降温。

2 问题描述

2.1 炉窑运行系统分析

正常工作时炉窑控制系统接收到现场5种异常信号输出中断信号，见图1。

2.2 炉窑水循环系统及故障分析

通过对故障部位维修时间分析发现86%以上故障集中在水泵和驱动电机；通过对停机故障原因分析发现水温过高、电流异常是引起系统输出中断的主要原因。

图1 炉窑运行原理图

2.3 故障风险

水循环系统发生故障将导致正在运行的炉窑立即停止加热，炉窑停止工作将产生如下不良影响：①使正在加热工件内部组织转变不充分，重新加热使工件表面氧化脱碳层变厚，产品质量风险极大；②炉窑故障中断了生产进程，通常马上倒炉重新升温加热，或者停炉降温待修，故障恢复后继续加热，不论采取何种手段都使职工劳动量增大，操作危险性增大，带来使用上的不方便，生产作业率降低；③炉窑故障使能源浪费严重，通常一炉工件从室温加热至840℃大约需要50000KWh电能，折合人民币约3万元；④因维修期间设备停工及维修费用造成损失合计174万元/年。

3 解决过程

3.1 传统解决办法与创新方法解决办法

传统的解决办法是哪儿坏维修哪，公司类似系统（如30T、80T电炉炉壁冷却水循环系统），传统的处理办法头疼医头、脚疼医脚使我们工作效率不高，方案实施起来职工疲惫不堪。

创新方法TRIZ可以系统性的分析问题、认识问题，打破传统思维定势，开拓思路；便于找准问题解决方向，提升效率，TRIZ基于科学方法，使获得的解决方案更可靠。

3.2 运用创新方法—金鱼算法及方案获取

3.2.1 金鱼算法介绍

金鱼算法是将一个异想天开的想法分为两个部分：现实部分及非现实部分，接着把非现实部分再分为两个部分：现实部分及非现实部分，继续划分，直到余下的非现实部分有时会变得微不足道，而想法看起来却愈加可行。

3.2.2 金鱼算法分析流程

（1）把不现实的想法分为两个部分：现实部分及非现实部分。

（2）解释非现实部分是不可行的。

（3）找出在哪些条件下想法的非现实部分可变为现实的。

（4）检查系统、子系统、超系统中的资源能否提供此类条件。

（5）如果能，则可定义相关想法，即应怎样对情境加以改变，才能实现想法的看似不可行的部分。

（6）如果我们无法通过可行途径，来利用现有资源为看起来不现实的部分提供实现条件，则可将这一“看起来不现实的部分”再次分解为现实与非现实部分。然后重复步骤1～5，直到得出可行的解决方案构想。

3.2.3 应用金鱼算法针对具体问题进行分析及解决方案获取

针对故障“实际电流为零，拟采用保持驱动装置有电流”进行分析流程如下，示意图见图2：

图2 用金鱼算法分析电机电流为零

（1）系统现实部分：电机、驱动装置；不现实部分：驱动装置保持有电流。

（2）解释非现实部分是不可行的。驱动装置有电流保证控制系统不输出中断信号。

（3）找出在哪些条件下想法的非现实部分可变为现实的。在下列条件下可以实现驱动装置有电流：保证驱动装置过载能力足够大；保证电机过载能力足够大；使驱动装置持续输出电流信号。

（4）检查系统、子系统、超系统中的资源能否提供此类条件。在超系统中存在许多这样的情境：改变电机与水泵连接方式，如电机轴与水泵间加装减速机，电机轴与水泵轴采用非刚性连接；提高驱动装置过载能力，选用更大功率的驱动装置；提高电机过载能力选用更大功率的电机。

（5）如果能，则可定义相关想法，即应怎样对情境加以改变，才能实现想法的看似不可行的部分。将这一想法与初始想法的可行部分，组合为可行的解决方案构想。在下列条件下，可以实现驱动装置有电流：在电机轴与水泵间加装减速机；选用更大功率的驱动装置以提高过载能力；选用更大功率的电机提高过载能力；人为让驱动装置输出假信号传给PLC。

同理，针对故障“水温过高，拟采用干冰换热降温、拟采用空气换热降温”进行分析。

应用金鱼算法针对具体问题进行分析得到解决方案如下：

方案1.改变换热器结构；

方案2.换热器配备风机；

方案3.建设冷却介质干冰供应通道；

方案4.改变电机与泵的传动结构；

方案5.改变电机驱动装置容量；

方案6.改变电机功率；

方案7.人为给PLC输入假信号；

3.3 运用创新方法—最终理想解法IFR及方案获取

3.3.1 最终理想解法IFR介绍

最终理想解法主要是在大脑中设立理想的模型，把对象简化、钝化，使其升华到理想状态，通过思想实验的方法来研究客体运动的规律。

为什么要获得理想解：明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新方法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率。如果将创造性解决问题的方法比作通向胜利彼岸的轮船，那么IFR就是一座目的地的灯塔。

3.3.2 最终理想解法IFR分析流程

（1）什么是系统的最终目标？

（2）什么是系统的理想化最终结果？

（3）达到IFR的障碍是什么？

（4）出现这种障碍的结果是什么？

（5）不出现这种障碍的条件是什么？

（6）系统中有什么资源可以利用？

3.3.3 应用最终理想解法IFR分析问题及解决方案获取

（1）什么是系统的最终目标？

水泵能够稳定运行。

（2）什么是系统的理想化最终结果？

换热器能够永远有一定流量的水通过。

（3）达到IFR的障碍是什么？

电机不运行，泵停转，节流装置及管路故障。

（4）出现这种障碍的结果是什么？

换热器没有稳定流量的水通过。

（5）不出现这种障碍的条件是什么？

泵安全运行，电机不超负荷运行。

（6）系统中有什么资源可以利用？

水、换热器、管道、节流阀、泵、电机、电机驱动装置。

应用最终理想解法IFR得到解决方案如下：

方案8.改变换热器换热面积；

方案9.降低冷却水初始温度；

方案10.改变管道结构；

方案11.改变水泵的输出流量；

方案12.改变水泵的输出压力；

方案13.改变电机转速；

方案14.调整驱动装置功率；

3.4 运用创新方法—技术矛盾和发明原理分析及方案获取

3.4.1 技术矛盾和发明原理介绍

在TRIZ理论中，技术矛盾指技术系统中两个参数之间存在着相互制约，也就是在提高技术系统的某一个参数时导致另外一个参数的恶化，进而产生的矛盾。

3.4.2 技术矛盾和发明原理分析流程

（1）将待解决的问题转化为通用问题模型，也就是提取出实际问题中的技术矛盾—改善某一参数，却导致另一参数的恶化。

（2）根据技术矛盾利用TRIZ的中间工具—矛盾矩阵，得到TRIZ的解决方案模型—发明原理。

（3）根据发明原理得到解决方案。

3.4.3 应用技术矛盾和发明原理分析问题

通过对实际问题、现有解决方案以及现有解决方案的缺点进行分析，提取出现有方案优化了2个参数—电机功率、水泵能量损失，恶化了2个参数—水循环系统的稳定性、可靠性；通过中间工具--矛盾矩阵表，得到优先使用的发明原理，进而得到解决方案。优化电机输出功率对系统可靠性的影响查询矛盾矩阵表见图3，其他类同；

图3 优化功率、恶化可靠性获得发明原理

应用技术矛盾与发明原理得到解决方案如下：

方案15.改变驱动方式

方案16.加入中介物

方案17.用廉价的代替品

方案18.改变材料为多孔材料

方案19.改变冷却水的密度、温度、透明度、颜色

方案20.改变泵的动态特性

方案21.备用应急措施

方案22.改变泵体曲面

方案23.使系统工作在惰性环境中

方案24.使泵具有多功能性

4 方案评价

4.1 方案评定办法

我们用理想度对获得的各个方案进行功能评价，计算公式如下：

4.2 方案评定规则

有用功能占0分～50分；

有害功能占0分～20分；

成本占0分～30分；

4.3 获得的方案理想度分析

我们用理想度对获得的各个方案进行功能评价，见图4；

图4 各方案理想度分析

5 最终方案

5.1 改变水泵动态特性曲线

通过对水泵深入学习，改变水泵叶轮参数实现改变水泵动态特性曲线，见图5，黑色曲线为出厂提供，红色曲线为改造后实际特性曲线。

图5 改变叶轮参数改变水泵动态特性曲线

5.2 改变水循环系统的实际工作点

通过将驱动电机由传统的星型启动，三角型运行方式改为变频驱动，实际转速由2930调整为2020，实现流量～扬程曲线改变，水循环系统的实际工作点由M点调节到K点，通过调整节流装置工作位置将实际工作点由K点调节到点A点，见图6。

图6 改变电机转速及节流装置工作位置调节系统工作点

6 成果总结

6.1 经济效益

通过此次改造，水循环系统流量增大约1/3；

冷却水工作后温度升高2℃；

电机实际电流为额定值的40%；

环境噪音排放降低7dB～10dB；

节约故障维修时间约394小时/年；节约维修费用24.9万元/年；节约停炉浪费149.2万元/年；水循环系统运行3年内免维护。

6.2 社会效益

通过改造，提高了设备完好率；保障了生产作业率；

同时减少了电能资源浪费；降低了环境噪音排放；

本项目正在申请专利1项。

6.3 TRIZ在技术创新和企业创新中的作用

本次改造技术在公司内类似系统完全可以推广利用。

更重要的是TRIZ方法能打破思维定势，激发创新思维，从更广的视角看待问题，使创新不再依靠“灵光一现”，创新可以持续不断进行，准确发现正确的问题，有的放矢；对“创新性问题或矛盾的解决”提供更合理的方案和更好的创意；提高创新效率，获得高质量的创新技术。