基于ARIZ的折页机挡规降噪创新方案设计

金琳

基于ARIZ的折页机挡规降噪创新方案设计

金琳

（上海出版印刷高等专科学校 印刷包装工程系，上海 200093）

对栅栏式折页机的挡规进行改进设计，降低工作时的噪声，减轻噪声导致的职业病危害，同时设计一种新的降噪方法。首先对折页机工作噪声问题进行初步分析；然后选取噪声最大的挡规部位，根据ARIZ解决问题流程，进行问题分析和建立问题模型，并分析问题模型，挖掘出降噪问题的创新解；最后对创新解从成本、可操作性、可用性方面进行评估。根据ARIZ解决问题流程得到了3种挡规降噪优秀改进方案，并选择出了1种挡规降噪最优解决方案。采用方形挡块和圆形毛刷轮组合挡纸的设计方案是挡规降噪改进的较佳方案，同时也证明ARIZ创新方法可以有效地应用于降噪设计中，为折页机的降噪设计提供理论依据。

折页机；降噪；创新设计；ARIZ

噪声是最常见的一种职业病危害因素，超过正常范围的噪声不仅对工作人员的健康产生不良影响，还会引起听力损失及噪声性耳聋，同时对心血管系统、神经系统、内分泌系统等也会产生不良影响[1]。

职业病防治事关劳动者身体健康和生命安全，事关经济发展和社会稳定大局。党中央、国务院高度重视职业病防治工作。《“健康中国2030”规划纲要》明确提出，要强化行业自律和监督管理职责，推动企业落实主体责任，推进职业病危害源头治理，预防和控制职业病发生[2]。当前我国职业病防治还面临着诸多问题和挑战，特别是随着新技术、新工艺、新设备和新材料的使用，新的职业病危害因素不断出现，新增职业病例逐年上升，传统的预防措施治标不治本，从源头上消除职业病危害才更有效果。

印刷包装行业作为国民经济的重要产业，生产过程中也同样存在严重的噪声污染问题。根据GBZ 2.2—2007《工作场所有害因素职业接触限值第2部分》标准的要求，工作人员在稳态噪声限值为85 dB环境下每天工作时间不得超过8 h[3]。经测量，单台折页机工作过程中周边1 m内的噪声大于90 dB，而实际生产过程中经常是多台折页机同时使用，产生的噪声对操作人员的身心健康损害更大，因此，从根源解决折页机噪声问题具有十分重要的意义[4]。文中以市场上常见的栅栏式折页机为例，结合TRIZ理论中的ARIZ工具进行折页机降噪设计研究。

1 问题描述

1.1 栅栏折页机工作原理

栅栏式折页是将大幅面纸张按照要求折成一定规格幅面纸张的工作过程，其折页原理如图1所示。纸张在输纸皮带的带动下，进入上折页辊和下折页辊之间的空隙，在折页辊的摩擦传动下高速进入栅栏间隙，并与栅栏顶部的挡规碰撞，产生非常大的噪声。纸张与挡规高速碰撞后，纸头停止运动，纸尾在上下折页辊的摩擦作用下继续前行，纸张在折页间隙上方发生弯曲变形，变形后的纸张与下折页辊接触，在下折页辊的摩擦力作用下向下移动，完成一次折叠[6-7]。

图1 栅栏式折页机折页原理

1.2 存在的问题

随着印刷行业的转型发展，印后加工企业的生产效率得到了大幅提升，生产设备的运行速度也在快速增长，设备提速的同时也伴随着一些问题的恶化。例如，当栅栏折页机提速时，纸张撞击挡规的速度和频率也会增加，因而产生的噪声响度和频率也会增大。据现场监测，纸张撞击挡规动作已成为折页过程中主要的噪声来源之一，同时也是约束折页适用范围的重要因素，因此降低纸张撞击挡规时的噪声，是解决折页机降噪问题的关键。

2 基于ARIZ的问题分析与求解

ARIZ是TRIZ理论中解决复杂发明问题的方法，是TRIZ重要的支撑和高级解题工具。ARIZ采用结构化的解题流程，逐步将模糊的初始问题转化成清晰的问题模型，尤其适合于复杂问题的解决[5]，其解题流程如图2所示。

2.1 问题分析

目前，市场上的栅栏式折页机技术相对成熟，且折页原理基本相同，本文选取常见的某型号栅栏式折页单元为例，进行降噪创新设计。

2.1.1 定义技术系统

将技术系统定义为栅栏式折页机折纸系统，系统的主要功能为折叠纸张，系统的目标为纸张，系统组件包含支撑板、输纸皮带、输纸辊、上折页辊、下折页辊1、下折页辊2、上栅栏、下栅栏、挡规、挡规调节齿条、机架等，超系统组件包含纸张、空气、重力、噪声、人等。

2.1.2 功能分析

根据折页机的工作状态，对系统和超系统组件进行相互作用分析和功能建模，充分挖掘系统工作过程中存在的功能缺陷。通过相互作用分析可得相互作用矩阵如表1所示，其中“+”表示两组件有接触，有存在功能的可能；“-”表示两组件没有接触，组件之间不存在功能[8]。

根据相互作用矩阵表中可能存在的功能项，结合实际生产情况对技术系统进行功能分析和功能建模，系统的功能模型如图3所示。由功能模型图可知，系统的主要功能缺陷有挡规产生噪声、纸张产生噪声、挡规阻挡纸张过量（或纸张撞击挡规过量）、机架阻挡声音不足等。对系统的主要功能缺陷进行分析，如表2所示。

2.1.3 因果链分析

由功能分析查找到技术系统的几个主要功能缺陷，为进一步了解主要功能缺陷产生的基础原因，对系统进行因果链分析。根据降低挡规噪声这一目标，选择“噪声强度大”作为系统因果链分析的初始问题，系统的因果链分析如图4所示。图4中And表示下一层次的缺陷共同作用导致上一层次对应缺陷的产生，Or表示下一层次任一缺陷即可导致上一层对应缺陷的产生。由图4可知，系统主要功能缺陷产生的基础原因在于纸张运动的速度快、纸张要完成前段定位和挡板材质太硬等问题。

图2 ARIZ解题流程

表1 相互作用矩阵

Tab.1 Interaction matrix

图3 系统的功能模型

表2 系统主要功能缺陷分析

Tab.2 Major functional defect analysis

2.1.4 问题裁剪分析

通过对系统进行功能分析，得出系统的主要功能缺陷，由功能缺陷和因果链分析可知，主要功能缺陷的基础原因除挡板材质硬外，还在于纸张的运行速度和定位。从纸张的运行速度和定位直接消除功能缺陷难度较大，因此可以尝试采用裁剪的方法对挡规和纸张缺陷组件进行裁剪。但纸张是系统的目标，裁剪规则不能适用于目标，因此采用裁剪规则C对挡规进行裁剪，裁剪后的功能模型和裁剪问题分别见图5和表3[9]。

通过裁剪，并结合裁剪问题，可以得到系统降噪的初步的解决方案，即采用新的功能载体来代替挡规，例如气刀、滚轮、柔性挡规等，对高速运动下的纸张进行减速，并完成纸张定位，同时又不产生较大噪声。

图4 系统的因果链分析

图5 功能模型裁剪

表3 裁剪问题

Tab.3 Clipping problem

2.1.5 技术矛盾及最小问题

通过对系统进行功能分析、因果链分析和裁剪分析，得到系统要解决的功能缺陷问题和裁剪问题，并对该问题进行总结，找出系统的2个技术矛盾和最小问题[10]。

技术矛盾1：如果挡规与纸张碰撞速度快，那么纸张定位效率高，但是碰撞时产生的噪声大。

技术矛盾2：如果挡规与纸张碰撞速度慢，那么不会产生噪声，但是纸张定位效率低。

最小问题：如何在系统改动最小的前提下，既能保证纸张定位效率高，又能减少定位时产生的噪声。

2.1.6 技术矛盾表述与分析

1）定义技术矛盾的工具和产品。根据技术矛盾1和技术矛盾2的主要内容，找出技术矛盾中的产品和工具，分析技术矛盾中工具存在的状态，并对技术矛盾进行图形化表示，如表4所示。表4中波浪线代表有害的功能，虚线代表不足的功能，波浪线加X表示该有害功能已消除或缓解[11]。

2）选择基础技术矛盾。因为系统的设计的目的是降低折页过程中的噪声，所以选择技术矛盾2（如果挡规与纸张碰撞慢，那么产生的噪声小，但是纸张定位效率低）作为基础技术矛盾，以便建立问题模型。

3）激化基础技术矛盾。为消除惯性思维的影响，对基础技术矛盾进行激化[12]。激化后的基础技术矛盾如下：减慢挡规与纸张碰撞的速度，慢到挡规几乎不碰撞纸张，那么碰撞产生的噪声极小，小到可以忽略，同时纸张又能完成定位。

4）引入X元素，确定问题模型。在技术矛盾激化后的基础上，引入X元素，确定问题模型[13]。问题模型如下：有必要引入一个X元素，不增加系统的复杂程度，能很好地使纸张完成定位，同时使纸张几乎不碰撞挡规，从而不产生噪声，而且没有引入任何有害作用。

2.2 问题模型分析

2.2.1 定义问题模型技术冲突的操作空间和时间

确定问题模型技术冲突的操作空间和操作时间，可以为后续定义最终理想解和查找物理矛盾解决方案提供便利[8]。由功能分析和技术矛盾描述可知，技术冲突的操作空间区域为OZ1（纸张与挡规接触的区域）和OZ2（挡规，技术操作空间区域不完全重合），如图6所示。

表4 定义技术矛盾

Tab.4 Defined technical contradictions

图6 技术冲突的操作空间

由功能分析和技术矛盾描述可知，技术冲突的主要操作时间区域为OZ1（纸张与挡规接触的时候）和OZ2（纸张与挡规接触的时候）。技术冲突操作时间完全重合。

2.2.2 分析物-场资源，挖掘X元素范围

对系统和超系统中的物质和场资源进行分析，找出操作空间内部、操作空间环境以及超系统中的物质和场，并分析物质的参数。这些物质和参数构成了X元素的范围，后期在查找理想解的过程中需要从下面的X元素范围中查找。系统的物质和场资源分析如表5所示。

2.3 理想解和物理矛盾

2.3.1 理想解

1）定义最终理想解。在现实的解决方案中只能尽可能地向最终理想解靠近，因此需要寻找并引入一个未知的元素X，由X来满足理想解的要求[14]。根据问题模型分析，最终理想解可以定义为：在技术系统中需要引入一个X元素，X元素可以使系统在纸张与挡规接触的区域，在纸张与挡规接触的时候，产生的噪声小；同时在挡规的位置，当纸张与挡规接触的时，使纸张完成定位，并且不增加系统复杂程度，不产生任何有害作用。

2）使用物场资源查找理想解。根据系统的物质和场资源分析，将表5中的所有物质参数和场一一替代理想解中的X元素，尝试寻找合适的理想解。以挡规的“形状”参数为例：挡规的形状可以使系统在纸张与挡规接触的区域，以及在纸张与挡规接触的时间内，产生的噪声小；同时在挡规的位置，在纸张与挡规接触的时间内，使纸张完成定位，并且不增加系统复杂程度，不产生任何有害作用。

2.3.2 识别物理矛盾

1）从宏观层面定义物理矛盾。逐一分析将物质参数代入X元素后的理想解，并从宏观层面挖掘系统存在的物理矛盾[15]。以挡规的形状为例，创建宏观物理矛盾：挡规的形状应该是圆的，在纸张与挡规接触的时候，产生的噪声小；挡规的形状应该是方的，当纸张与挡规接触的时候，纸张的前端能够完成定位，不增加系统复杂度或带入有害功能。

2）从微观层面定义物理矛盾。当从宏观层面无法挖掘系统存在的物理矛盾，或者物理矛盾不清晰时，可以尝试从微观层面挖掘系统中的物理矛盾[15]。以挡规的材质为例，创建微观物理矛盾：挡规的分子颗粒应该是稀疏的，可以在纸张与挡规接触的时候吸收震动，降低噪声；挡规的分子颗粒应该是紧密的，可以在纸张与挡规接触的时候，很好地阻挡纸张运动，完成定位，不增加系统复杂度或带入有害功能。

2.3.3 解决物理矛盾

根据宏观层面或者微观层面定义的物理矛盾，采用合适的发明原理查找解决物理矛盾的创新解。例如：在解决挡规的形状应该是圆形又应该是方形的物理矛盾时，采用空间分离方式中的发明原理No.1分割原理；将挡规分成相互独立的两部分，前面是可以滚动的圆形毛刷轮，后面为方形的挡块，当纸张高速向挡规运动时，圆形毛刷轮在摩擦力作用下可以抵消一部分纸张的冲力；当纸张与方形挡块接触时，速度低，撞击力小，从而噪声小。

3 创新解评估

依据上述创新设计方法，可得出以下若干创新解。通过对创新解的成本、可操作性、可用性等方面进行评估[11]，可得出较优解决方案，创新解的评估方案如表6所示[7]。

表5 系统及超系统的物质和场资源

Tab.5 Material and field resources of the system and super-system

表6 创新解评估

Tab.6 Evaluation of innovative solutions

创新解1：将挡规分成相互独立的两部分，前部分为可以滚动的圆形毛刷轮，后部分为方形的挡块，纸张高速运动时，圆形毛刷轮在摩擦力作用下可以抵消一部分冲力，使纸张减速，当纸张与方形挡块接触时，撞击力小，噪声小。该解决方案如图7所示。

1.方形挡块；2.侧支撑板；3.圆形毛刷轮；4.轴；5.转动电机； 6.挡规调节齿轮；7.传动皮带；8.齿轮。

创新解2：将挡规的金属材质分割成外侧为橡胶材质，里侧为金属材质；或者将金属挡规分割成若干区域，部分区域为金属材质，部分区域为橡胶材质，金属与橡胶区域间隔排列，并且橡胶区的厚度要稍微高于金属区。该解决方案如图8所示。

1.橡胶内层；2.金属内层；3.橡胶外层；4.金属挡块； 5.橡胶挡块。

创新解3：将挡规安置到与下栅栏同一平面，在挡规上预留一些排气孔，排气孔与气泵相连，挡规顶部有凸起；在纸张到达排气孔上方时，采用负压吸气的方式将纸张前端吸附到挡规表面，对纸张进行减速；在纸张运动到挡规顶部停止后，改抽气为吹气，让纸张能够顺利从挡规表面脱离，并进入折页辊间隙。该解决方案如图9所示。

1.纸张；2.栅栏；3.挡规顶部凸起；4.挡规排气孔；5.侧支撑板；6.挡规；7.挡规调节齿轮；8.传动皮带；9.齿轮。

通过对上述创新解进行评估可知，从成本角度看，方案1可更多采用标准件替代，成本最低；从可操作性角度看，方案2对原产品改动最小，结构最简单；从可用性角度看，方案1既消除了高速下的碰撞，又不降低生产效率，降噪的效果最好，方案2降噪效果一般，方案3有待进一步实验验证。综合上述评估可得创新解1为最优解，即采用方形挡块和圆形毛刷轮组合的方式进行挡纸，降噪效果好，对生产效率影响小。

4 结语

降低生产环境中的噪声不仅是预防职业病的有效措施之一，还是打造安全环保生产环境非常重要的一环。本文通过采用ARIZ创新方法对折页机的挡规进行降噪改进设计，得到了降低挡规降噪的多个改进方案。通过评估发现采用方形挡块和圆形毛刷轮组合挡纸的方案为最佳方案，该方案采用的零部件大多为标准件，同时在不降低生产效率的情况下避免了纸张高速下的碰撞，从成本和可用性角度看该方案要优于其他方案。该方案具体的降噪效果还有待后期进一步的产品实施与验证。

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Design of Innovative Scheme for Noise Reduction of Folding Machine Baffle Gauge Based on ARIZ

JIN Lin

(Department of Printing and Packaging Engineering, Shanghai Publishing and Printing College, Shanghai 200093, China)

The work aims to improve the design of baffle gauge of buckle folding machine to reduce the noise and the occupational hazards during work, and design a new noise reduction method. Firstly, the source of the working noise of the folding machine was analyzed. Secondly, the noisiest part was selected to analyze the problem and establish the problem model, and analyze the problem model to dig out the innovative solution according to ARIZ problem solving process. Finally, the innovative solution was evaluated from the aspects of cost, operability and availability. According to the ARIZ problem solving process, three kinds of excellent improvement schemes and an optimal solution for the noise reduction of the baffle gauge were obtained. The combination of square block and circular brush wheel is a better scheme to improve the noise reduction of the baffle gauge. It also proves that ARIZ innovative method can be effectively applied in noise reduction design, which provides a theoretical basis for the noise reduction design of folding machine.

folding machine; noise reduction; innovative scheme; ARIZ

TB486；TS01

A

1001-3563(2023)19-0196-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.025

2023-02-03

国家新闻出版署“智能与绿色柔版印刷重点实验室”招标课题（ZBKT202204，KLIGFP-01）

责任编辑：曾钰婵