利用TRIZ创新方法提高智能干选机矸石分离率

张伟，徐锋，刘永睿，于福龙

（1.丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁丹东 118000；2.辽宁省科学技术馆，辽宁沈阳 110167）

1 研究背景

中国煤炭工业协会推动倡导大力发展干法选煤技术，助力煤炭清洁高效发展，以替换落后的人工及重介选煤工艺。现有人工及重介选煤存在低效、人员易得尘肺病、污染严重等问题。我国煤矿主要分布于西部地区，干旱缺水是西部的共性，而重介选煤存在高能耗、水污染等严重问题。我国大力推进高效、节能、减排技术，干法选煤机可淘汰落后的生产工艺，从源头上提高煤炭的品质和生产效率，减少能源消耗，降低二氧化碳等污染的排放。但现有的干选机存在煤矸分离率低的难题，影响精煤品质。如何在不影响效率的情况下提高矸石分离率，是我们现阶段需要攻克的难题[1-5]。

2 初始问题形式分析

2.1 当前系统功能及组成

功能：分离矸石。组成： 喷气嘴、电磁阀、阀座、气管、气源装置、空气。

2.2 当前系统工作原理

采用X 射线辨识输送带上的煤和矸石，判断矸石的形状及速度，并开启对应的喷嘴，通过喷吹高压空气来改变矸石移动轨迹，最终实现对矸石的分离。

2.3 当前系统的主要问题

分选出来的精煤中含有部分矸石没有分离。

3 运用TRIZ工具分析

3.1 功能分析

通过功能分析，明确功能对象，掌握组成部分的各种功能，明确各项功能之间的相互作用关系。

a)功能分析——组件分析：当前作用对象是矸石。技术系统是空气、喷气嘴、气管、电磁阀、阀座、气源装置。超系统是输送装置、X 射线识别系统、矸石料斗。见图1。

图1 组件分析

b)功能分析——相互作用分析表，见表1，通过相互作用分析表掌握各组件之间的相互作用关系。

表1 相互作用分析表

c)功能分析——功能模型表，见表2。通过功能模型表，对各组件的功能进行分析，并划分等级予以评分。

表2 功能模型表

d)功能分析——功能模型分析。通过现场分析和测量系统分析，建立组件模型分析图，定义组件和超系统组件，如图2所示，从图中可以看出矸石为研究对象，在分离矸石的过程中，气管降低气体流速，所以气管对空气产生有害作用。

图2 功能模型分析

通过裁剪法，得到方案（1）：去除气管，将阀座和喷气嘴直连[1-3]。

3.2 IFR 最终理想解

最终理想结（IFR）是对发明问题的最好解决方案模型。它使系统完全消除了问题，没有让系统的参数发生恶化，且对系统的改变最小[4-5]。

最终理想解是解决方案的模型，可以指引我们去解决发明问题。在解决问题之初，先抛开各种客观限制条件，把最终理想结作为终极追求目标[6]。

以系统的作用对象（又称制品、目标）入手来定义，定义的IFR 应用“自身”或“自我实现”的字眼[7]。见表3。

表3 最终理想解

通过最终理想解，得到方案如下：

方案（2）用筛分再破碎的方式，将大块矸石破碎变小。

方案（3）用机械手移除大块矸石。

方案（4）用机械弹指的方式改变大块矸石的移动轨迹。

3.3 九屏幕法

通过系统过去、现在、未来，利用九屏幕法分析系统，如图3所示。通过对系统资源进行查找，得到如下解决方案[8-9]。

图3 九屏幕法

方案（5）：引入废弃的细小矸石颗粒，喷吹、撞击需分离的矸石。

方案（6）：增大气动系统压力，增加喷吹压力。

方案（7）：增大气动系统流量，并将电磁阀换成电磁比例节流阀，可根据矸石大小，调整喷吹力。

方案（8）：增加可自动跟踪，自动调整角度的喷嘴。

3.4 因果分析

因果分析是TRIZ 方法中寻找工程问题根本原因的主要工具。通过深入工程问题，层层分析，最终找到关键原因[10]。从组件功能模型分析建立因果链，造成煤矸的主要原因如图4所示。

图4 因果分析

4 运用TRIZ工具解决

4.1 矛盾分析

a)运用技术矛盾一，根据因果链分析中的1.2.2.1.1，解决的是气管太长，管路气压损失大，导致喷吹力不足的问题。如果将电磁阀至喷嘴的气管变短，那么管路气压损失小，但管路过短，管路折弯费力。将问题模型标准化为对应的39 个通用工程参数：改善的是NO.4 静止物体的长度，恶化的参数NO.32 可制造性。通过查矛盾矩阵表得出可使用的发明原理有：NO.15 动态特性、NO.17 多维化、NO.27 廉价替代品。根据矛盾分析，可使用NO.17 多维化，利用给定表面的反面[11]，得到如下方案。

方案（9）：将上下布置的电磁阀按左右布置，可减少下方电磁阀至喷嘴的气管长度，减少气压损失。

b)运用物理矛盾一，解决连接气管既要长又要短的问题。如果连接气管长，那么气管安装空间充足，但会增加喷嘴喷吹延时时间。如果连接气管短，那么可以缩短喷嘴喷吹的延时时间，但气管安装空间不足。采用条件分离原理得到如下方案[12]。

方案（10）：电磁阀分时开启，长气管的电磁阀先开启，短气管的电磁阀后开启。

c)运用技术矛盾二，根据因果链分析中的1.2.1.1.1，解决的是尼龙管耐压小，气动系统压力小，导致喷吹力不足的问题。如果将尼龙气管耐压提高，那么系统压力可以增高，但尼龙管壁厚增加，安装空间需更大。将问题模型转化为对应的39 个通用工程参数：改善的是NO.11 压力，恶化的参数NO.32 可制造性。通过查矛盾矩阵表得出可使用的发明原理有：NO.1 分割原理、NO.35 参数改变原理、NO.16 未带到或作用过度原理。根据矛盾分析，可使用NO.1 分割原理，把一个物体分成相互独立的部分[13]，得到如下方案。

方案（11）将气管集成到阀座内，可以提高管路耐压，再将阀座分割加工。

方案（12）将尼龙气管改为钢管，提高耐压。

d)运用物理矛盾二，解决气管耐压既要小又要大的问题。如果气管耐压小，可用PVC 快插气管，那么安装空间小，但系统压力无法提高。如果气管耐压大，需用壁厚大的管，那么系统压力可以提高，但是安装空间大。采用条件分离原理得到如下方案[14]。

方案（13）将气管集成到阀座内部。

4.2 物-场分析

用物-场分析法对当前系统进行分析并改进当前技术系统的功能。

当前系统物场模型的技术系统是，在煤矸分选机运行过程中，用喷气嘴将矸石喷吹至矸石箱中，但部分矸石无法落入矸石箱中。当前系统的问题是煤矸石分离过程中效果不理想，矸石无法落入矸石箱中。当前的物S1 是矸石，物S2 是空气，场F 是机械场。空气S2 利用机械场F 作用于矸石S1。因为空气S2 无法利用机械场F 将大块矸石S1 喷吹分离，所以空气S2 作用于矸石S1 是一个效应不足的完整模型。

利用76 个标准解引入场S2.1 向符合物场模型进化中的S2.1.1 引入物质向串联式物场模型进化。增加新的动力场F2 和新物质矸石颗粒或水S3,利用原有气动场给矸石颗粒或水一个初始动能，再撞击矸石，改变矸石下降轨迹，得到如下方案。

方案（14）引入生产环节的废水，喷吹、撞击需分离的矸石。增加机械场的能量。

利用76 个标准解引入场S5.2 中的S5.2.1，首先应用物质所含有的载体中已存在的场。增加新的场F2第二个喷吹孔，增强喷吹力，改变矸石下降轨迹，得到如下方案。

方案（15）增加新的机械场，双喷气嘴，增加喷吹动能。

4.3 科学效应库

a)问题分析：开采的煤中含有矸石，在选煤过程中，控制矸石的移动，使矸石与煤分离。

b)确定功能：控制矸石的移动。

c)查找科学效应：查找TRIZ 的功能代码表，对应的代码是F6—控制物体移动。对应的科学效应有：磁力、电子力、压强、浮力、振动等。

d)效应取舍：经过对以上效应的分析，“振动的离析作用和振动的惯性力” 可以改变矸石的移动轨迹。

e)方案验证：矸石和煤的密度不同，利用带隔板的振动平台，低密度的煤在重力作用下沿平台表面下滑，高密度的矸石在激振力驱动下向远端运动。

f)解决方案：用振动的方法改变矸石的移动。

根据科学效应库的分析得到如下方案。

方案（16）利用带隔板的振动平台，对不同密度的矸石和煤进行激振，低密度的煤在重力作用下沿平台表面下滑，高密度的矸石在激振力驱动下向远端运动。

5 方案评估

从综合成本、可靠性、可维护性、易加工性、创新性5 个方面，进行方案评估与打分。对最终分数最高的方案进行设计。最终方案采用方案1、6、9、10 相结合的方式。

6 解决方案实施情况

目前改进后的智能干选系统已在河南能化某百万吨产量的煤矿试用，运行良好。原系统分选效果不够理想，矸石分离率达到85%，改进后技术指标明显提升，矸石分离率达到95%，达到了预期效果。

7 结语

本文基于TRIZ 方法对智能干选机的喷吹机构进行改进，能够更好地提高矸石的分离率，满足现场的生产要求，提高精煤比例，提高煤炭品质，提高经济效益。