基于TRIZ理论的带钢刷洗装置创新设计

滕 英 才

（中冶南方工程技术有限公司 湖北 武汉 ４３０２２３）

摘 要：介绍了ＴＲＩＺ理论的产生及其核心思想，针对目前带钢刷洗装置存在的问题利用ＴＲＩＺ解题流程对其进行系统分析和因果分析，得到解决刷洗装置刷毛损耗的两个理想方案，为带钢刷洗装置的设计提供一种明确的解题思路。

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关键词 ：ＴＲＩＺ理论；刷洗装置；刷毛

中图分类号：TH122 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．12．０47

０ 引言

带钢处理线中的清洗段设备一般都会设置刷洗装置，主要用来去除带钢表面的氧化皮和酸洗以及碱洗作业线中残留的大量微小异物，提高带钢表面质量。现有的刷洗装置均存在以下缺点：带钢长时间沿刷辊某一段位连续工作时，将会把刷辊的对应位置处磨出一个与带钢同形的微凹槽。此后，当需要更换带钢规格时，刷辊因出现凹槽而挤压不到带钢，从而使带钢与下辊之间的滚动摩擦变为滑动摩擦，下辊会因为滑动摩擦迅速磨损直至不能使用，造成成本浪费，同时带钢表面由于未刷干净，影响带材的加工质量。如何降低刷洗装置中刷辊的损耗和不均匀磨损成为设计刷洗装置的关键问题。

１ ＴＲＩＺ理论概述

现代ＴＲＩＺ理论的核心思想主要体现在三个方面。首先，很多方法和原理在发明的过程中是在重复使用的；其次，技术系统的进化和发展并不是随机的，而是遵循一定的客观趋势；再就是技术系统的无序和离散问题，可以通过建模（系统模型、物场模型）解决。

２ ＴＲＩＺ在带钢刷洗设备设计中的应用

２．１ 问题描述

刷洗装置在正常工作过程中，刷辊与带钢磨擦产生大量摩擦热，导致刷毛热硬化破碎，尤其是在处理特殊钢种，需要重度研磨情况下，刷毛的损耗很严重。在工作过程中，刷辊高速旋转与带钢摩擦，刷洗一段时间后，刷辊与带钢接触区域的刷毛磨损严重，刷辊辊身出现凹凸形状，造成两侧未接触区域的刷毛浪费，影响带钢表面刷洗质量。而对于上、下刷辊交替出现的刷洗装置，由于设备占地空间大，投资成本高，在节能降耗方面处于劣势。虽然针对上述问题目前也出现了几种解决方案，但每种方案都存在相应的缺陷：①采用进口的内部添加耐磨材料的刷毛，增加成本；②频繁更换刷毛，增加成本，浪费工时；③提高刷毛表面的冷却能力，但效果不是很好，且对于“凹凸状”现象的解决方案具有局限性。

因此，降低刷毛损耗，尤其是刷辊的不均匀磨损成为亟待解决的技术难题。现有刷洗装置的两种结构形式。

２．２ 系统分析

使用ＴＲＩＺ理论解决问题的流程大致分为三步：首先将待解决的实际问题转化为ＴＲＩＺ中的某种通用问题模型；其次利用ＴＲＩＺ中相应的中间工具，得到解决问题的ＴＲＩＺ的标准方案；最后结合具体问题的领域知识和经验，得到具体的发明问题解决方案。

２．２．１ 组件模型

首先，建立组件模型，根据模型中各组件之间的关系，确定导致问题出现的关键点，该系统对应的组件模型。

通过组件模型分析，描述了系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系，并得出造成刷洗效率降低的两个问题：①刷毛快速磨损，且不均匀磨损；②系统冷却能力或结构不足，加速刷毛磨损。

２．２．２ 组件价值分析

组件价值分析用价值工程的方法，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件的理想度。根据功能贡献、问题影响及成本，中间的坐标图分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个区域。可以看出锁紧螺母、卡锁组件位于Ｃ区，该组件问题＋成本虽然不高，但功能贡献小；刷毛组件处于Ｃ区，该组件功能贡献虽然大而问题影响＋成本很高（见图1）。

根据理想度诊断分析，Ｐｒｏ／Ｉｎｎｏｖａｔｏｒ建议：

（１）通过移除区域Ｃ中的系统组件“锁紧螺母”和“卡锁”来简化系统。

（２）通过降低其成本来改进区域Ｃ中系统的组件刷毛。

（３）为了简化和理想化的系统，建议按照以下顺序删除／改善系统组件。①系统组件锁紧螺母；②系统组件卡锁；③系统组件刷毛。

２．３ 问题分解

通过利用三轴问题分析法，对初始问题进行因果轴分析，得出导致刷毛磨损的原因主要有：刷辊轴的固定式结构存在局限性，冷却液的冷却范围和能力不足，刷毛材料特性以及刷辊的散热能力不足。从生成的转化问题，已经明确了解题的思路方向。

２．４ 解决方案

ＴＲＩＺ理论包含着许多系统、科学而又富有可操作性的创造性思维方法和发明问题的分析方法。

２．４．１ 基于功能分析的方法解决问题

基于功能组件价值分析，可以采取把系统中理想度低的锁紧螺母和卡锁裁剪掉。系统组件中锁紧螺母和卡锁的作用是将刷毛盘固定在刷辊辊芯上，使得刷毛盘与刷辊辊芯作为一个整体绕轴心旋转。剪裁掉锁紧螺母和卡锁以后，刷毛盘在辊芯上不能轴向固定，要么选择其他组件替代二者功能，要么将二者的功能去除，但最终都不能影响刷辊的有用功能，即有效刷洗带钢的表面。经过分析最终得出的方案为：去掉刷毛盘两侧的固定锁紧组件，使得组件刷毛可以沿辊芯轴向往复移动，此方案可以最终解决刷毛的不均匀磨损问题，在一定程度上提高了刷辊的使用寿命。

刷辊主要分为三个部分：传动轴端，中间安装刷毛的刷辊筒和操作轴端，其中传动轴端和操作轴端相对于整个刷洗装置是固定不动的，而中间安装刷毛的刷辊筒为特殊结构部分。它通过渐开线花键齿与两侧的轴端啮合，因此在刷辊绕中心线旋转的同时，安装刷毛的辊筒部分可以沿着轴向实现一定位移的往复移动，最终效果能够使得刷毛均匀磨损，进一步提高带钢表面的清洗质量（见图2）。

２．４．２ 运用创新原理得到解决方案

技术系统进化的过程就是不断解决其中存在的矛盾的过程。创新问题的核心是矛盾的消解。通过对技术矛盾定义及查找创新原理的过程，说明创新原理的应用。

针对转化问题“降低刷毛的损耗，如何提高系统的冷却能力”，初步构思：在刷洗装置内部多布置几组冷却喷管，降低刷辊表面温度，减少刷毛的热硬化破碎。此方案改善了“温度”，但同时恶化了“系统的复杂性”，即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，利用抽取原理得到解决方案为：采用自冷式刷辊结构，即用空心刷辊轴代替以前的实心刷辊轴，且辊身表面开无数孔通轴心孔，向刷辊轴中心通冷却液，冷却液体从辊轴中心经表面喷出，冷却辊轴的同时，可以进一步冷却刷毛，降低刷毛的热损耗。

３ 结论

运用ＴＲＩＺ理论能够解决带钢刷洗装置在工作过程中出现的刷毛损耗严重，以及不均匀磨损问题，在一定程度上能够提高刷毛的使用寿命，节约了成本，同时也提高了带钢表面的清洗质量。ＴＲＩＺ理论能够帮助系统的分析问题，快速发现问题本质或者矛盾，它能够准确确定问题探索方向，不会错过各种可能，而且它能够帮助突破思维障碍，打破思维定式，以新的视角分析问题，进行逻辑性和非逻辑性的系统思维，还能根据技术进化规律预测未来发展趋势，帮助开发富有竞争力的新产品。

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参考文献

１ 檀润华．创新设计——ＴＲＩＺ：发明问题解决理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２

２ 沈萌红．ＴＲＩＺ理论及机械创新实践［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１２

（责任编辑 亢婷婷）