基于TRIZ理论对新型环保水雾喷砂装置的研制

张雄刚，吴泰峰，任 伟，钟雄峰

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

修船喷砂除锈通常采用干喷砂除锈工艺[1]，此工艺在施工中会产生大量的粉尘，并且喷砂后产生的粉尘的排放方式为无组织排放，100%直接排放在环境中，会造成严重的空气污染。

为更好、更科学地进行设备研制，本文将学习TRIZ理论并应用。TRIZ意译为发明问题解决理论[2]，该理论将创造发明的内在规律和原理进行了归纳总结，重点在于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是彻底解决矛盾，从而达到最终的理想状态。

1 基于TRIZ研制新型环保水雾喷砂装置的主要思路

1.1 新型环保水雾喷砂装置理想解分析

1)理想解。当设计人员不需要额外的花费就实现了产品的创新设计时，这种状况就被称为最终理想解结果(IFR)。理想解有4个特点:①保持了原有系统的优点；②消除了原有系统的不足；③没有使系统变得更复杂；④没有引入新的不足。

在设计过程中，正确描述理想解有利于避开各种可观限制条件，突破传统的思维方式，提高设计效率。

2)新型环保水雾喷砂装置的理想解。环保除锈装置理想解分析应遵循以下6个步骤。①设计的最终目的：用较低的成本实现环保除锈；②IFR：绿色环保、高效率除锈装置；③达到IFR的障碍：颗粒物小易扩散，船坞面积大不容易密封，不易收集，效率低；④出现这种障碍的结果： 污染严重，效率低，影响施工人员的职业健康；⑤不出现这种障碍的条件：增加颗粒物重量，减少扩散，便于粉尘收集；⑥为达到理想解，可利用资源为压缩空气、水、矿砂磨料。

经过一系列分析，得到的解决方案是根据系统内的水和压缩空气等资源，在磨料中加入水用于降尘。

1.2 新型环保水雾喷砂装置九屏幕法分析

九屏幕法的目的是寻找资源，分析清楚系统的构成与环境，其过程原理如下。①从技术系统本身出发，考虑可用资源；②考虑技术系统的子系统、超系统中的资源；③考虑系统的过去和未来，从中寻找可利用的资源；④考虑超系统和子系统的过去和未来。

对除锈装置(技术系统)及其子系统、超系统进行九屏幕法分析，如图1所示。分析发现，可利用超系统的过去、超系统的未来和子系统的未来形成水雾喷砂装置初步设想。

图1 九屏幕法分析

经过上述方法的分析，我们最终形成了新型环保水雾喷砂装置(以下简称新型装置)的基本原理：将不同配比的磨料和水，利用磨料缸进行混合，通过控制压差形成水雾磨料，最终实现钢材表面清理。新型装置工作原理图如图2所示。

图2 新型装置工作原理图

1.3 新型装置功能需求分析

按照TRIZ理论思路，针对新型装置的功能需求进行逐步分析，发现影响装置总体性能(高效环保除锈)的组件有：承载框架、磨料缸、柱塞泵、喷砂枪、水雾磨料。新型装置功能需求分析如图3所示。

图3 新型装置功能需求分析

1.4 新型装置功能建模及功能裁剪分析

功能建模是对工程系统进行功能分析的一个阶段，目的是建立一个功能模型[3]。对承载框架、磨料缸、柱塞泵、喷砂枪、水雾磨料等关键组件进行功能建模分析，得到新型装置功能模型及各组件之间的相互关系见图4。通过TRIZ方法的分析，新型装置主要存在的不足：磨料缸与磨料混合物稳定不足，泵对喷砂枪提供的动力不足，磨料回收不足，承载框架对磨料缸、控制箱的承载不足。

图4 新型装置功能模型及各组件之间的相互关系

针对技术系统实施裁剪，可以简化系统结构，提高理想度[4]。进一步分析时，将泵、阀组、控制箱进行集成，形成集控箱，承载框架直接用有限元进行模拟。但是由于泵对喷砂枪动能不足、磨料缸对水和磨料混合不足等，需要对泵、喷砂枪、磨料缸、磨料回收等进行设计优化，满足功能要求。新型装置功能裁剪图如图5所示。

图5 新型装置功能裁剪图

1.5 新型装置技术矛盾分析

运用TRIZ理论将39个工程参数与40条发明原理相对应形成了矛盾矩阵[5]，矛盾矩阵中包括欲改善的参数和被恶化的参数。针对磨料缸与水雾磨料的关系，发现如果提高磨料缸的容积，那么可持续喷砂作业的时间会增加，但是磨料加砂流出稳定性会减弱，两者存在技术矛盾。改善的参数是形状，恶化的参数是稳定性，据此查找TRIZ矛盾矩阵，根据实际情况，得到技术矛盾解决思路及方案如表1所示。

表1 技术矛盾解决思路及方案

1.6 新型装置物理矛盾分析

研究新型装置发现，为了实现单缸双枪装置，柱塞泵的流量要高；为了保证磨料缸精确控制压差和安全性，柱塞泵的流量要小，这是一个典型的物理矛盾。物理矛盾的解决方法一直是TRIZ研究的重要内容。现代TRIZ在总结解决物理矛盾的各种方法的基础上，提炼出了分离方法，并分为4种基本类型，即空间分离、时间分离、条件分离和系统级别分离。利用分离原理得到了4个解决思路，并形成相关方案。物理矛盾解决思路及方案如表2所示。

表2 物理矛盾解决思路及方案

1.7 方案的评价与选择

针对磨料缸容积和压差稳定性、柱塞泵流量大小的问题，我公司已利用了TRIZ理论的不同工具获得了7个解决方案，方案评价表如表3所示。表3中，理想度是从技术角度对技术系统的有用功能与有害功能(包括成本和耗费)之间的综合效益的一种度量，其由有用功能分数、有害功能分数和成本分数综合计算得出。分析表3发现，理想度高的方案一般评价也很高。

表3 方案评价表

1.8 方案的细化

对评价较高的优选方案我们进行进一步细化，具体如下。

1)方案1：精密加料阀设计。通过采用机械式锥面密封加料阀设计，保证缸体工作压力始终在1.2 MPa，提高工作效率。

2)方案3：磨料缸进出口形状设计。将磨料缸底部设计为锥体，角度为60°～75°，减少磨料在缸内的淤积，确保磨料流出稳定，同时设计泄压口与补水口处于磨料缸本体的同一高度，以保证压差。磨料缸造型示意图如图6所示。

图6 磨料缸造型示意图

3)方案4：组件和气动活塞材质设计。液压系统和阀组采用特殊设计的硬质合金钢，运动部件活塞杆等采用电镀硬铬工艺，表面维氏硬度可达到1 000 HV，密封性和耐磨性明显提升，安全可靠，且维修保养简便。

4)方案5：水雾磨料输送稳定性和喷枪选型设计。采用进口气动磨料阀，提高调节精度，应用雷诺实验，选择“单进风文丘里”喷砂枪，保证在相同压力条件下，提高磨料出口速度。

5)方案7：低压缩比的泵设计。通过设计与其匹配的低压缩比(3∶1)的柱塞泵，保证缸体工作压力范围(0.5～1.2 MPa)，确保了水、磨料混合物流量压力稳定。

2 新型装置除尘测试和表面工艺验证

2.1 方案的实施及样机的制作

根据以上优选方案，开始具体实施，启动样机制作，并在现场测试优选方案。最终实施方案与功能试验效果表如表4所示。

表4 最终实施方案与功能试验效果表

2.2 样机的试验及应用

1)抑尘效果。经过第三方检测机构检测，与传统干喷砂工艺相比，新型水雾无尘喷砂工艺可在近距离反射区域减少90%左右的粉尘污染。水雾无尘喷砂工艺与干喷砂工艺粉尘排放量对比表如表5所示。

表5 水雾无尘喷砂工艺与干喷砂工艺粉尘排放量对比

2)表面处理质量。新型水雾喷砂工艺采用的磨料较传统干喷砂采用的磨料更细，处理后的钢板表面粗糙度为70～80 μm。由于采用湿喷砂工艺，钢板表面会产生不同程度的闪锈，钢材表面处理更均匀，粗糙度适中。

3)表面盐分含量。水雾喷砂采用消防水(包括经简单过滤的江河水)，电导率为340 ms/cm；水雾喷砂采用重复利用的铜矿砂，盐分含量较高，电导率一般都超过450 μs/cm。经测试，原钢板表面盐分超过350 mg/m2，水雾喷砂后的钢板表面盐分都小于40 mg/m2。

3 环保除锈装置成果及效益

产品试验完毕后便全面投入使用，做到了对修船表面处理的全覆盖，现已完成300余艘船舶的除锈，漫天的“黑色旋风”被彻底治理。对比船厂现在普遍使用的干喷砂工艺，颗粒物的排放得到了有效的控制，符合国家对沿江经济发展战略要求，达到了项目研究的目的。

通过TRIZ创新方法，可以为新型环保水雾喷砂装置的设计提供一套切实科学的操作方法，从最终理想解，到技术矛盾、物理矛盾，借助其相关启发提出设计方案，具有较好的逻辑性。最后得出的优化设计实现了粉尘减少90%，达到了预期效果，表面处理质量完全满足工艺要求。