吳欣，季玲，張開驍（.南京理工大學(xué)，江蘇南京，0094；.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇南京，004；河海大學(xué)，江蘇南京， 0098）

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現(xiàn)代TRIZ在激光粒度測量儀創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳欣1，季玲2，張開驍3
（1.南京理工大學(xué)，江蘇南京，210094；2.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇南京，210042；3河海大學(xué)，江蘇南京， 210098）

摘 要：本文應(yīng)用現(xiàn)代TRIZ創(chuàng)新理論來提高激光粒度測量儀的測量精度，按照問題識(shí)別、問題解決、概念驗(yàn)證三大步驟對(duì)原始問題進(jìn)行TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用矛盾矩陣、TRIZ原理、分離原理、資源分析、科學(xué)效應(yīng)庫等工具，提取技術(shù)矛盾和物理矛盾，提出解決方案。最后使用PUGH矩陣對(duì)方案作出相應(yīng)評(píng)價(jià)，為激光粒度測量儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向提出可靠的指引。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代TRIZ；PUGH矩陣；激光粒度測量儀；技術(shù)矛盾；物理矛盾

引言

激光粒度儀是專指通過顆粒的衍射或散射光的空間分布（散射譜）來分析顆粒大小的儀器。由激光器發(fā)出的一束激光。當(dāng)通過某種特定的方式把顆粒均勻地放置到平行光束中時(shí)，激光將發(fā)生散射現(xiàn)象，一部分光向與光軸成一定的角度向外擴(kuò)散［1］。理論與實(shí)踐都證明：大顆粒引發(fā)的散射光的散射角小，顆粒越小，散射光的散射角越大，如圖1所示。這些不同角度的散射光通過富氏透鏡后將在焦平面上將形成一系列的光環(huán)，由這些光環(huán)組成的明暗交替的光斑稱為Airy斑。Airy中包含著豐富的粒度信息，簡單地理解就是半徑大的光環(huán)對(duì)應(yīng)著較小的粒徑的顆粒，半徑小的光環(huán)對(duì)應(yīng)著較大粒徑的顆粒；不同半徑上光環(huán)的光能大小包含該粒徑顆粒的含量信息，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，就可以得出粒度分布了。

圖1 激光粒度儀測量原理圖

圖2 激光粒度測量儀的原理示意圖

傳統(tǒng)的激光粒度測量儀，把原料加入在合適的溶劑中，杯子盛放溶劑，機(jī)器帶動(dòng)攪拌棒攪拌杯中溶劑，使原料懸浮于溶劑中，機(jī)器帶動(dòng)循環(huán)泵抽取溶劑到檢測皿，動(dòng)態(tài)激光照射檢測皿，測量原料粒徑，循環(huán)泵抽取溶劑回到杯子中，如圖2所示。激光散射的原理就要求保證顆粒間分散開來，因此對(duì)溶劑提出如下要求：不能溶解此原料顆粒，粘度低，密度適中，并通過攪拌使顆粒分散懸浮起來，以增加系統(tǒng)的測量精度。在某企業(yè)的新品研發(fā)過程中，產(chǎn)生了某種成分未知的顆粒，其特性是部分可溶于水，不溶于油，但是其密度較大，采用大豆油作為分散介質(zhì)。因?yàn)榇蠖褂驼扯却螅w粒難以分散；如果采用葵花籽油，雖然粘度小，易于分散，但分散后由于顆粒的密度大很快就會(huì)沉降，導(dǎo)致無法測量［2］。如何較為準(zhǔn)確地測量此類顆粒，顯然已成為該企業(yè)新品研發(fā)和激光粒度測量儀廠商共同面對(duì)的難題。

本文運(yùn)用TRIZ原理對(duì)該問題進(jìn)行分析，并提供解決思路，同時(shí)為新一代的激光粒度儀的設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新方案。

1 TRIZ理論概述

TRIZ （簡稱發(fā)明問題解決理論）［3］是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在研究分析了250萬份發(fā)明專利的基礎(chǔ)上提出的具有可操作性、創(chuàng)造性思維方法的分析方法與解決工具。該理論被廣泛應(yīng)用于解決產(chǎn)品的創(chuàng)新問題。創(chuàng)新從最通俗的意義上講就是創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，TRIZ理論的強(qiáng)大作用正在于它為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具。TRIZ解決問題的核心就在于從問題的常規(guī)描述中發(fā)掘核心的矛盾問題（包含技術(shù)矛盾和物理矛盾）。

現(xiàn)代TRIZ則是在經(jīng)典TRIZ基礎(chǔ)之上，結(jié)合歐美其他創(chuàng)新與管理方法形成的。相比于經(jīng)典TRIZ，現(xiàn)代TRIZ側(cè)重于企業(yè)/商業(yè)應(yīng)用，不僅在于解決技術(shù)問題而且更側(cè)重于開發(fā)具有實(shí)際意義的創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)?，F(xiàn)代TRIZ還有支持解決問題過程的所有步驟，包括問題定義、描述（重新描述）、識(shí)別和解決問題、解決方案的評(píng)估和實(shí)施計(jì)劃等?，F(xiàn)代TRIZ解決問題的流程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)代TRIZ流程圖

2 激光粒度測量儀問題的TRIZ流程分析

2.1 問題識(shí)別——功能分析①功能分析、因果分析、方案評(píng)價(jià)使用軟件為億維訊公司的Pro/I Desktop V5

根據(jù)現(xiàn)代TRIZ流程，首先對(duì)激光粒度測量儀進(jìn)行功能分析，見圖4。通過功能分析可以看出影響測量精度的兩個(gè)功能因素：a.溶劑的特性要求比較苛刻；b.攪拌程度控制難以實(shí)現(xiàn)，容易出現(xiàn)氣泡影響測量。

圖4 激光粒度測量儀功能分析圖

2.2 問題識(shí)別——因果分析

經(jīng)過功能分析之后，將溶劑的特性和攪拌控制問題進(jìn)行更加深入的因果分析，分析出更深層次的原因，從深層次入手解決問題。因果分析見圖5。通過因果分析，可以找到如下的關(guān)鍵原因：

（1）水對(duì)原料有一定的溶解作用；

（2）為了避免氣泡產(chǎn)生，攪拌的速度不夠；

（3）攪拌棒的數(shù)量不足導(dǎo)致攪拌效果差。

圖5 激光粒度測量儀因果分析圖（部分）

2.3 問題識(shí)別——矛盾分析與關(guān)鍵問題

從關(guān)鍵原因切入可得到以下技術(shù)矛盾，如表1所示。

表1 技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾的背后隱含著物理矛盾，而這一物理矛盾對(duì)應(yīng)的問題常常是解決問題的關(guān)鍵，在ARIZ中也被稱為“最小問題”。這“最小問題”就是物理矛盾：攪拌棒的速度要適中，需要攪拌棒快速攪拌（以分散顆粒），但又不需要攪拌棒快速攪拌（會(huì)產(chǎn)生氣泡）。

要解決這一物理矛盾首先需要“強(qiáng)化矛盾”，引入“X元素”，定義理想“X元素”可以分散顆粒，同時(shí)又無需攪拌，那么就不會(huì)產(chǎn)生氣泡影響測量精度。所選的“X元素”應(yīng)該在操作空間和時(shí)間內(nèi)具有相反的兩種屬性或狀態(tài)，以調(diào)和雙方矛盾。

雖然可以通過分離原理與創(chuàng)新原理的對(duì)應(yīng)關(guān)系去找到“X元素”，但是任何原理的類比應(yīng)用最終都離不開對(duì)系統(tǒng)資源的發(fā)掘和使用，這也是提高解決方案“理想度”的重要途徑，采用經(jīng)典TRIZ的九屏幕法可以發(fā)掘系統(tǒng)相關(guān)的各類資源，如表2所示。

表2 激光粒度測量儀的九屏幕資源分析表

3 問題解決——提高激光粒度測量儀測量精度的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

根據(jù)表1所示的技術(shù)矛盾，矛盾矩陣表推薦的發(fā)明原理提出如下問題解決方法。

3.1 干濕分法互換

由于水對(duì)原料有一定的溶解作用，導(dǎo)致測量精度不高，可以利用預(yù)先作用原理將原料預(yù)先分散于溶劑（水）之中，得到該原料的飽和溶液，進(jìn)而加入足量原料進(jìn)行分散。但由于原料的飽和溶液是一個(gè)動(dòng)態(tài)的溶解和析出的過程，采用飽和溶液獲得的測量結(jié)果反映的是該原料的溶解析出后的粒徑，無法獲得原料的原始粒徑，針對(duì)這一缺陷根據(jù)發(fā)明原理機(jī)械體統(tǒng)替代，提出改變?cè)械囊后w（水或者油）作為分散劑的方式，采用氣體作為分散介質(zhì)，即變濕分法測量為干分法測量，而傳統(tǒng)的激光粒度儀中濕分法測量儀和干分法測量儀為不同的系列產(chǎn)品，無法滿足需求，利用已有的激光測量原件和傳輸管道設(shè)計(jì)干濕分法互換套件，結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 干濕分法互換原理圖

3.2 多維陣列攪拌器

在使用大豆油作為分散劑時(shí)，雖然大豆油不溶解顆粒，但由于油的粘稠度高密度低容易導(dǎo)致顆粒無法分散，所以需要進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，但如果攪拌速度過高就會(huì)導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生影響測量精度。根據(jù)預(yù)先作用原理采用如圖7所示多維陣列攪拌器，則可以在較低的攪拌速度下獲得良好的攪拌效果。

圖7 多維陣列攪拌器

3.3 球形輸送管道

在使用葵花籽油作為分散劑時(shí)，雖然葵花籽油不溶解顆粒，粘稠度較低易于分散顆粒，但由于油的密度低容易導(dǎo)致已分散的顆粒在傳輸至檢測皿的過程中發(fā)生沉降影響測量精度。根據(jù)發(fā)明原理增加不對(duì)稱性把原先均勻變化的傳輸管道設(shè)計(jì)成為球形管道，如圖8所示，利用流體的雷諾數(shù)的改變而是的傳輸過程中的顆粒自動(dòng)分散降低沉降。

圖8 球形輸液管道

3.4 采用非均勻交流電場使顆粒分散

在懸混過程中如果對(duì)懸混物均勻度要求不高時(shí)，激光粒度儀一般采用機(jī)械混合，較大量的混合采用超聲波進(jìn)行。但對(duì)混合物均勻度有嚴(yán)格要求，并且起始顆粒被限定在有限體積的容器內(nèi)時(shí)，超聲波配合機(jī)械混合效率很低?？蓪㈩w粒密封在一個(gè)電介質(zhì)容器中，把非均勻的交流電場接通到電極裝置上，電場的幅度、空間方向和振蕩時(shí)間都不斷變化，使得顆粒帶電并沿著電場幅度和方向決定的軌道移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行振蕩，可以得到良好的混合效果。

除了上述解決方案，應(yīng)用現(xiàn)代TRIZ的解題工具如40條創(chuàng)新原理，4大分離原理，76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，知識(shí)效應(yīng)庫等，為提高激光粒度測量儀精度提出了若干創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決方案如表4所示。這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念方案可以單獨(dú)采用也可聯(lián)合使用，為激光粒度測量儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)指引方向。

表3 技術(shù)矛盾解決方案

4 概念驗(yàn)證——方案評(píng)價(jià)

利用現(xiàn)代TRIZ理論，可以得到大量創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，需要進(jìn)行比較和權(quán)衡，以做出最優(yōu)的選擇。本文應(yīng)用最常用的權(quán)衡分析工具PUGH矩陣對(duì)以上方案進(jìn)行評(píng)價(jià)［4］，首先根據(jù)表4設(shè)置評(píng)價(jià)參數(shù)及權(quán)重。

表4 評(píng)價(jià)參數(shù)表

進(jìn)而根據(jù)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)通過對(duì)不同方案預(yù)估其方案參數(shù)得到如下評(píng)價(jià)見圖9，為問題的解決和后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供了有效的指導(dǎo)。

圖9 方案評(píng)價(jià)（部分）

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用現(xiàn)代TRIZ流程去解決激光粒度測量儀測量精度問題，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中提煉出多個(gè)技術(shù)矛盾和物理矛盾，著重應(yīng)用科學(xué)效應(yīng)庫、資源分析等解題工具，提出了若干激光粒度測量儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。但由于問題自身特性以及文章篇幅限制，只闡述了重點(diǎn)問題，這后續(xù)研發(fā)方向指明了方向。

參考文獻(xiàn)

［1］http：//baike.ofweek.com/1278.html.

［2］ 張明勤 TRIZ入門100問——TRIZ創(chuàng)新工具導(dǎo)引 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 檀潤華發(fā)明問題解決理論 北京： 科學(xué)出版社，2004.

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［5］TRIZ在垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用_李春艷《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2013 （4）.

Application of Modern TRIZ in Laser Particle Analyzer Innovative Design

Xin Wu1， Ling Ji2， Kaixiao Zhang3
（1.Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu， 210094， China；2.Jiangsu Productivity Promotion Center， Nanjing， Jiangsu， 210042， China；3.Hohai University， Nanjing， Jiangsu， 210098， China）

Abstract：This paper demonstrates how to improve the accuracy of laser particle size analyzer by using modern TRIZ theory.The modern TRIZ problem solving procedures are standardized， including problem identification， problem solving， and verification.Firstly， the initial technical problem is analyzed， the technical and physical contradictions are extracted.Secondly， all the inventive tools such as contradiction matrix， TRIZ inventive principle， separation principle， resourceanalysis， scientific effects database are used to propose solutions.Finally， the PUGH matrix is used to evaluate all the solutions， finding the reliable solutions improving the accuracy of laser particle size analyzer.

Key words：Modern TRIZ； PUGH Matrix； Laser Particle Size Analyzer； Technical Contradiction； Physical Contradiction； ARIZ

中圖分類號(hào)：TQ577

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-287-05工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com

DOI：10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.044

作者簡介：

吳欣（1974-），男，研究生，南京理工大學(xué)講師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，機(jī)械制圖等。

E-mail： 8038084@qq.com