張雄剛，吳泰峰，任 偉，鐘雄峰

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

修船噴砂除銹通常采用干噴砂除銹工藝[1]，此工藝在施工中會產(chǎn)生大量的粉塵，并且噴砂后產(chǎn)生的粉塵的排放方式為無組織排放，100%直接排放在環(huán)境中，會造成嚴(yán)重的空氣污染。

為更好、更科學(xué)地進(jìn)行設(shè)備研制，本文將學(xué)習(xí)TRIZ理論并應(yīng)用。TRIZ意譯為發(fā)明問題解決理論[2]，該理論將創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理進(jìn)行了歸納總結(jié)，重點(diǎn)在于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是徹底解決矛盾，從而達(dá)到最終的理想狀態(tài)。

1 基于TRIZ研制新型環(huán)保水霧噴砂裝置的主要思路

1.1 新型環(huán)保水霧噴砂裝置理想解分析

1)理想解。當(dāng)設(shè)計人員不需要額外的花費(fèi)就實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計時，這種狀況就被稱為最終理想解結(jié)果(IFR)。理想解有4個特點(diǎn):①保持了原有系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；②消除了原有系統(tǒng)的不足；③沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜；④沒有引入新的不足。

在設(shè)計過程中，正確描述理想解有利于避開各種可觀限制條件，突破傳統(tǒng)的思維方式，提高設(shè)計效率。

2)新型環(huán)保水霧噴砂裝置的理想解。環(huán)保除銹裝置理想解分析應(yīng)遵循以下6個步驟。①設(shè)計的最終目的：用較低的成本實(shí)現(xiàn)環(huán)保除銹；②IFR：綠色環(huán)保、高效率除銹裝置；③達(dá)到IFR的障礙：顆粒物小易擴(kuò)散，船塢面積大不容易密封，不易收集，效率低；④出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果： 污染嚴(yán)重，效率低，影響施工人員的職業(yè)健康；⑤不出現(xiàn)這種障礙的條件：增加顆粒物重量，減少擴(kuò)散，便于粉塵收集；⑥為達(dá)到理想解，可利用資源為壓縮空氣、水、礦砂磨料。

經(jīng)過一系列分析，得到的解決方案是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的水和壓縮空氣等資源，在磨料中加入水用于降塵。

1.2 新型環(huán)保水霧噴砂裝置九屏幕法分析

九屏幕法的目的是尋找資源，分析清楚系統(tǒng)的構(gòu)成與環(huán)境，其過程原理如下。①從技術(shù)系統(tǒng)本身出發(fā)，考慮可用資源；②考慮技術(shù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)、超系統(tǒng)中的資源；③考慮系統(tǒng)的過去和未來，從中尋找可利用的資源；④考慮超系統(tǒng)和子系統(tǒng)的過去和未來。

對除銹裝置(技術(shù)系統(tǒng))及其子系統(tǒng)、超系統(tǒng)進(jìn)行九屏幕法分析，如圖1所示。分析發(fā)現(xiàn)，可利用超系統(tǒng)的過去、超系統(tǒng)的未來和子系統(tǒng)的未來形成水霧噴砂裝置初步設(shè)想。

圖1 九屏幕法分析

經(jīng)過上述方法的分析，我們最終形成了新型環(huán)保水霧噴砂裝置(以下簡稱新型裝置)的基本原理：將不同配比的磨料和水，利用磨料缸進(jìn)行混合，通過控制壓差形成水霧磨料，最終實(shí)現(xiàn)鋼材表面清理。新型裝置工作原理圖如圖2所示。

圖2 新型裝置工作原理圖

1.3 新型裝置功能需求分析

按照TRIZ理論思路，針對新型裝置的功能需求進(jìn)行逐步分析，發(fā)現(xiàn)影響裝置總體性能(高效環(huán)保除銹)的組件有：承載框架、磨料缸、柱塞泵、噴砂槍、水霧磨料。新型裝置功能需求分析如圖3所示。

圖3 新型裝置功能需求分析

1.4 新型裝置功能建模及功能裁剪分析

功能建模是對工程系統(tǒng)進(jìn)行功能分析的一個階段，目的是建立一個功能模型[3]。對承載框架、磨料缸、柱塞泵、噴砂槍、水霧磨料等關(guān)鍵組件進(jìn)行功能建模分析，得到新型裝置功能模型及各組件之間的相互關(guān)系見圖4。通過TRIZ方法的分析，新型裝置主要存在的不足：磨料缸與磨料混合物穩(wěn)定不足，泵對噴砂槍提供的動力不足，磨料回收不足，承載框架對磨料缸、控制箱的承載不足。

圖4 新型裝置功能模型及各組件之間的相互關(guān)系

針對技術(shù)系統(tǒng)實(shí)施裁剪，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高理想度[4]。進(jìn)一步分析時，將泵、閥組、控制箱進(jìn)行集成，形成集控箱，承載框架直接用有限元進(jìn)行模擬。但是由于泵對噴砂槍動能不足、磨料缸對水和磨料混合不足等，需要對泵、噴砂槍、磨料缸、磨料回收等進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，滿足功能要求。新型裝置功能裁剪圖如圖5所示。

圖5 新型裝置功能裁剪圖

1.5 新型裝置技術(shù)矛盾分析

運(yùn)用TRIZ理論將39個工程參數(shù)與40條發(fā)明原理相對應(yīng)形成了矛盾矩陣[5]，矛盾矩陣中包括欲改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)。針對磨料缸與水霧磨料的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)如果提高磨料缸的容積，那么可持續(xù)噴砂作業(yè)的時間會增加，但是磨料加砂流出穩(wěn)定性會減弱，兩者存在技術(shù)矛盾。改善的參數(shù)是形狀，惡化的參數(shù)是穩(wěn)定性，據(jù)此查找TRIZ矛盾矩陣，根據(jù)實(shí)際情況，得到技術(shù)矛盾解決思路及方案如表1所示。

表1 技術(shù)矛盾解決思路及方案

1.6 新型裝置物理矛盾分析

研究新型裝置發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)單缸雙槍裝置，柱塞泵的流量要高；為了保證磨料缸精確控制壓差和安全性，柱塞泵的流量要小，這是一個典型的物理矛盾。物理矛盾的解決方法一直是TRIZ研究的重要內(nèi)容?，F(xiàn)代TRIZ在總結(jié)解決物理矛盾的各種方法的基礎(chǔ)上，提煉出了分離方法，并分為4種基本類型，即空間分離、時間分離、條件分離和系統(tǒng)級別分離。利用分離原理得到了4個解決思路，并形成相關(guān)方案。物理矛盾解決思路及方案如表2所示。

表2 物理矛盾解決思路及方案

1.7 方案的評價與選擇

針對磨料缸容積和壓差穩(wěn)定性、柱塞泵流量大小的問題，我公司已利用了TRIZ理論的不同工具獲得了7個解決方案，方案評價表如表3所示。表3中，理想度是從技術(shù)角度對技術(shù)系統(tǒng)的有用功能與有害功能(包括成本和耗費(fèi))之間的綜合效益的一種度量，其由有用功能分?jǐn)?shù)、有害功能分?jǐn)?shù)和成本分?jǐn)?shù)綜合計算得出。分析表3發(fā)現(xiàn)，理想度高的方案一般評價也很高。

表3 方案評價表

1.8 方案的細(xì)化

對評價較高的優(yōu)選方案我們進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，具體如下。

1)方案1：精密加料閥設(shè)計。通過采用機(jī)械式錐面密封加料閥設(shè)計，保證缸體工作壓力始終在1.2 MPa，提高工作效率。

2)方案3：磨料缸進(jìn)出口形狀設(shè)計。將磨料缸底部設(shè)計為錐體，角度為60°～75°，減少磨料在缸內(nèi)的淤積，確保磨料流出穩(wěn)定，同時設(shè)計泄壓口與補(bǔ)水口處于磨料缸本體的同一高度，以保證壓差。磨料缸造型示意圖如圖6所示。

圖6 磨料缸造型示意圖

3)方案4：組件和氣動活塞材質(zhì)設(shè)計。液壓系統(tǒng)和閥組采用特殊設(shè)計的硬質(zhì)合金鋼，運(yùn)動部件活塞桿等采用電鍍硬鉻工藝，表面維氏硬度可達(dá)到1 000 HV，密封性和耐磨性明顯提升，安全可靠，且維修保養(yǎng)簡便。

4)方案5：水霧磨料輸送穩(wěn)定性和噴槍選型設(shè)計。采用進(jìn)口氣動磨料閥，提高調(diào)節(jié)精度，應(yīng)用雷諾實(shí)驗(yàn)，選擇“單進(jìn)風(fēng)文丘里”噴砂槍，保證在相同壓力條件下，提高磨料出口速度。

5)方案7：低壓縮比的泵設(shè)計。通過設(shè)計與其匹配的低壓縮比(3∶1)的柱塞泵，保證缸體工作壓力范圍(0.5～1.2 MPa)，確保了水、磨料混合物流量壓力穩(wěn)定。

2 新型裝置除塵測試和表面工藝驗(yàn)證

2.1 方案的實(shí)施及樣機(jī)的制作

根據(jù)以上優(yōu)選方案，開始具體實(shí)施，啟動樣機(jī)制作，并在現(xiàn)場測試優(yōu)選方案。最終實(shí)施方案與功能試驗(yàn)效果表如表4所示。

表4 最終實(shí)施方案與功能試驗(yàn)效果表

2.2 樣機(jī)的試驗(yàn)及應(yīng)用

1)抑塵效果。經(jīng)過第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測，與傳統(tǒng)干噴砂工藝相比，新型水霧無塵噴砂工藝可在近距離反射區(qū)域減少90%左右的粉塵污染。水霧無塵噴砂工藝與干噴砂工藝粉塵排放量對比表如表5所示。

表5 水霧無塵噴砂工藝與干噴砂工藝粉塵排放量對比

2)表面處理質(zhì)量。新型水霧噴砂工藝采用的磨料較傳統(tǒng)干噴砂采用的磨料更細(xì)，處理后的鋼板表面粗糙度為70～80 μm。由于采用濕噴砂工藝，鋼板表面會產(chǎn)生不同程度的閃銹，鋼材表面處理更均勻，粗糙度適中。

3)表面鹽分含量。水霧噴砂采用消防水(包括經(jīng)簡單過濾的江河水)，電導(dǎo)率為340 ms/cm；水霧噴砂采用重復(fù)利用的銅礦砂，鹽分含量較高，電導(dǎo)率一般都超過450 μs/cm。經(jīng)測試，原鋼板表面鹽分超過350 mg/m2，水霧噴砂后的鋼板表面鹽分都小于40 mg/m2。

3 環(huán)保除銹裝置成果及效益

產(chǎn)品試驗(yàn)完畢后便全面投入使用，做到了對修船表面處理的全覆蓋，現(xiàn)已完成300余艘船舶的除銹，漫天的“黑色旋風(fēng)”被徹底治理。對比船廠現(xiàn)在普遍使用的干噴砂工藝，顆粒物的排放得到了有效的控制，符合國家對沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略要求，達(dá)到了項(xiàng)目研究的目的。

通過TRIZ創(chuàng)新方法，可以為新型環(huán)保水霧噴砂裝置的設(shè)計提供一套切實(shí)科學(xué)的操作方法，從最終理想解，到技術(shù)矛盾、物理矛盾，借助其相關(guān)啟發(fā)提出設(shè)計方案，具有較好的邏輯性。最后得出的優(yōu)化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了粉塵減少90%，達(dá)到了預(yù)期效果，表面處理質(zhì)量完全滿足工藝要求。