韓博　馬波

摘要：目的：針對(duì)變壓器線圈端部和線餅之間放置的成型小角環(huán)，在成型的過(guò)程中，紙板經(jīng)過(guò)熱壓定型，折彎過(guò)程中波紋狀瓦楞紙板隨著折彎進(jìn)程，波紋變形嚴(yán)重，熱壓定型失效。方法：應(yīng)用TRIZ理論，使用功能分析和剪裁、因果鏈分析等工具系統(tǒng)的分析了造成問(wèn)題的原因。結(jié)論：應(yīng)用技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)模型和標(biāo)準(zhǔn)解等工具提出了多項(xiàng)具有可行性的解決方案，達(dá)到了解決問(wèn)題目標(biāo)的要求。

Abstract： Objective： Small angle ring placed between the end of the transformer coil and the thread cake， in the molding process， cardboard through hot pressing， corrugated cardboard during the bending process is severely corrugated with the bending process， and the hot pressing is failure. Methods： TRIZ theory， functional analysis and tailoring， causal chain analysis， and other tools were used to systematically analyze the causes of the problem. Conclusion： with the technical contradiction， the physical contradiction， the field model and the standard solution， a number of feasible solutions are put forward to meet the requirement of solving the problem.

關(guān)鍵詞：變壓器；小角環(huán)；波紋變形；TRIZ

Key words： transformer；small angle ring；ripple deformation；TRIZ

中圖分類號(hào)：TM421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0232-04

0 引言

近年來(lái)，隨著變壓器的容量和電壓等級(jí)的升高，為改善電場(chǎng)分布、油流分布，加強(qiáng)線圈絕緣強(qiáng)度，防止沿主絕緣邊緣和線餅間爬電，經(jīng)常在線圈端部和線餅之間放置成型小角環(huán)，成型小角環(huán)大都采用濕紙漿坯模壓制而成，制造工藝繁瑣[1]。隨著技術(shù)發(fā)展，小角環(huán)采用絕緣紙板[2]，經(jīng)過(guò)剪切下成條料，浸濕后經(jīng)模具熱壓而成。使用時(shí)，進(jìn)行人工折彎，用數(shù)個(gè)小角環(huán)彼此搭接組成整只角環(huán)[3]。其滿足了不降低應(yīng)有絕緣強(qiáng)度的前提下，盡可能的減小了端部的絕緣距離，降低了制造成本。

在線圈繞制過(guò)程中為了增加局部導(dǎo)線的絕緣厚度，增設(shè)小角環(huán)是非常必要的，尤其是高電壓等級(jí)的繞組初始段，能達(dá)到降低該處電場(chǎng)強(qiáng)度，提高絕緣可靠性，增加油流散熱面積，減小局部溫升。小角環(huán)原材料選用T4絕緣紙板，保證纖維素的長(zhǎng)度，成型后抗拉、抗彎強(qiáng)度較好。壓制、折彎工序?yàn)樾〗黔h(huán)制作的關(guān)鍵工序，決定著小角環(huán)的穩(wěn)定性。采用蒸餾水對(duì)絕緣紙板進(jìn)行加濕，提高紙板塑性。通過(guò)瓦楞壓制機(jī)構(gòu)進(jìn)行波紋熱壓定型，然后進(jìn)行折彎預(yù)處理及折彎過(guò)程。這是目前行業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的制造方法，但就其折彎過(guò)程中波紋的變形的問(wèn)題，一直沒(méi)有得到重視，波紋變形改變了局部油流分布，增加了局部溫升，加速了絕緣老化，使變壓器運(yùn)行存在安全隱患。

本項(xiàng)目的研究目標(biāo)就是要在不增加加工成本的基礎(chǔ)上，保證性能指標(biāo)不降低的條件下，大幅度的提高小角環(huán)的穩(wěn)定性，使小角環(huán)波紋的角度和形狀呈標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，從而提高絕緣水平和油流散熱的目的。

1 TRIZ 理論簡(jiǎn)介

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究分析全世界近250萬(wàn)份專利和創(chuàng)新案例的基礎(chǔ)上[4]，總結(jié)、歸納出的一套系統(tǒng)化、流程化的創(chuàng)新問(wèn)題解決方法[5]。TRIZ理論成功地歸納總結(jié)出了發(fā)明創(chuàng)造的原理和內(nèi)在規(guī)律，為揭示和解決系統(tǒng)中的矛盾提供了一套切實(shí)可行的理論方法[6]。其解決問(wèn)題的思路為將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型，由標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型得到解決方案模型，最后由解決方案模型演成為最終的解決方案[7]。TRIZ理論的應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、專利規(guī)避等領(lǐng)域[8]。

2 問(wèn)題描述

系統(tǒng)的工作原理為：將紙板通過(guò)擠壓、熱定型形成波紋狀瓦楞紙板，由折彎設(shè)備進(jìn)行瓦楞折彎而實(shí)現(xiàn)小角環(huán)成型。存在的主要問(wèn)題是紙板經(jīng)過(guò)熱壓定型，折彎過(guò)程中波紋狀瓦楞紙板隨著折彎進(jìn)程，波紋變形嚴(yán)重，熱壓定型失效。解決問(wèn)題的限制條件是：①原材料絕緣強(qiáng)度不低于T4絕緣紙板；②技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜性；③自動(dòng)化程度；④成本增加應(yīng)進(jìn)行控制，不超出現(xiàn)有水平的10%，力求經(jīng)濟(jì)可行。

3 TRIZ分析

3.1 功能分析和剪裁

根據(jù)功能分析的步驟，技術(shù)系統(tǒng)的名稱為小角環(huán)成型機(jī)，其主要功能（v+o+p）為改變+紙板+外形。通過(guò)系統(tǒng)組件分析，系統(tǒng)組件由紙板、電動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、轉(zhuǎn)軸、限位板、托板、波紋成型輪、折彎壓線輪、折彎輪、擋板等組成，超系統(tǒng)組件由潮濕空氣組成。通過(guò)組件相關(guān)作用關(guān)系分析，得到兩兩組件之間是否存在相互作用關(guān)系，根據(jù)作用關(guān)系，分析組件間功能和參數(shù)，建立功能列表，最終畫(huà)出功能模型圖（如圖3所示）[9]。

從功能模型圖中可以看出，折彎輪對(duì)紙板存在有害作用，折彎壓線輪對(duì)紙板存在有害作用，波紋成型輪對(duì)紙板的擠壓不足，有水分的空氣存在軟化紙板的有害作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶水分的空氣只要空氣濕度在60%以下對(duì)紙板的軟化程度可以忽略不計(jì)。因此在后續(xù)解決問(wèn)題的過(guò)程中，重點(diǎn)解決其余三個(gè)問(wèn)題。針對(duì)折彎壓線輪存在擠壓紙板的有害作用，采用裁剪工具進(jìn)行裁剪，如果裁剪掉折彎壓線輪，那么就沒(méi)有擠壓紙板有害功能，同時(shí)也沒(méi)有轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)折彎壓線輪。但是產(chǎn)生新的問(wèn)題為，剪裁掉壓線輪，如何實(shí)現(xiàn)壓線的功能。

提出解決方案1：裁剪壓線輪，將壓線輪的壓線功能在波紋成型輪上實(shí)現(xiàn)（如圖4所示）。

在上述裁剪的基礎(chǔ)上，可以執(zhí)行劇烈裁剪，如果剪裁波紋成型輪，那么成型輪對(duì)紙板的擠壓作用不足將不存在，如果剪裁折彎輪，那么折彎輪對(duì)紙板的形狀改變就不存在。根據(jù)剪裁規(guī)則A，如果折彎壓線輪、波紋成型輪、折彎輪被剪裁，那么帶動(dòng)功能可以被剪裁，功能載體轉(zhuǎn)軸可以被裁剪。根據(jù)剪裁規(guī)則A，如果轉(zhuǎn)軸被裁剪，那么功能載體從動(dòng)齒輪可以被裁剪。同理，根據(jù)剪裁規(guī)則A，可以將傳動(dòng)齒輪、減速器、電動(dòng)機(jī)全部裁剪。而擋板、限位板、托板固定在機(jī)身中，隨即也可全部裁剪，帶來(lái)的新問(wèn)題為，如何使紙板實(shí)現(xiàn)折彎功能，或采用新的原理實(shí)現(xiàn)。

提出解決方案2：采用成型毛細(xì)管和多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，替代原有紙板。

3.2 因果鏈分析

根據(jù)因果鏈分析的步驟，首先確定目標(biāo)問(wèn)題，并分層分析造成目標(biāo)問(wèn)題的原因，最終確定造成問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因和關(guān)鍵原因[10]。在本項(xiàng)目分析的過(guò)程中，選擇波紋幅度不充分和壓線寬度過(guò)度兩個(gè)目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行分析，得到兩個(gè)因果鏈分析圖（如圖6、圖7所示）。

通過(guò)因果鏈分析，結(jié)合實(shí)際工程狀況，確定折彎輪壓線過(guò)度造成波紋變形和波紋無(wú)支撐為關(guān)鍵原因。提出解決方案3：調(diào)整壓線及波紋成型順序，先壓線后實(shí)施波紋成型，消除壓線對(duì)波紋變形的影響。

3.3 資源分析

物質(zhì)資源：紙板、電動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪，轉(zhuǎn)軸、限位板、托板、波紋成型輪、折彎壓線輪、折彎輪、擋板。

能量資源：電動(dòng)機(jī)械力。

信息資源：熱壓溫度、紙板外形尺寸、齒輪轉(zhuǎn)速。

空間資源：成型輪間的空間，紙板折彎空間。

時(shí)間資源：折彎輪、成型輪轉(zhuǎn)動(dòng)之前的時(shí)間，成型輪轉(zhuǎn)動(dòng)熱壓定型的時(shí)間。

功能資源：成型輪可以加裝壓線裝置。

3.4 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾1。TC1：如果增加壓緊彈簧，那么轉(zhuǎn)軸不會(huì)彎曲，波紋成型輪組間間隙穩(wěn)定，波紋成型效果好，但是降低了制造精度[11]。

TC2：如果不增加壓緊彈簧，那么制造精度不會(huì)降低，但是轉(zhuǎn)軸就會(huì)彎曲，波紋成型輪組間間隙增大，波紋成型效果差。

改善的參數(shù)：波紋的力。惡化的參數(shù)：波紋的制造精度。

得到發(fā)明原理為28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)代替原理、29號(hào)氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、37號(hào)熱膨脹原理、36號(hào)相變?cè)?。根?jù)氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理，提出解決方案4：改變波紋成型輪為平板成型模具，豎直方向施加壓緊力，使紙板擠壓成型（如圖8所示）。

根據(jù)熱膨脹原理，提出解決方案5：利用兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料，組合成為施壓?jiǎn)卧?，?duì)紙板進(jìn)行擠壓和熱定型（如圖9所示）。

技術(shù)矛盾2。TC1：如果增加支撐模具，那么折彎壓線輪擠壓波峰正常，波峰壓線壓力合理，但是降低了波谷的壓強(qiáng)。

TC2：如果不增加支撐模具，那么增加了波谷的壓強(qiáng)，但是折彎壓線輪擠壓波峰過(guò)度，波峰壓線壓力過(guò)度。

改善的參數(shù)：波峰的支撐力。惡化的參數(shù)：波谷的應(yīng)力、壓強(qiáng)。

查詢發(fā)明原理，得到18號(hào)機(jī)械振動(dòng)原理、21號(hào)減少有害作用原理、11號(hào)事先防范原理。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理，提出解決方案6：改變折彎壓線方式，采用針式點(diǎn)線，在紙板上形成折彎線。

根據(jù)減少有害作用原理，提出解決方案7：提高壓線進(jìn)料速度與壓線輪轉(zhuǎn)速，減小壓力作用時(shí)間，降低波紋變形。

技術(shù)矛盾3。TC1：如果增加可調(diào)節(jié)裝置，那么折彎壓線輪擠壓波峰正常，波峰壓線壓力合理，但是降低了壓線穩(wěn)定性。

TC2：如果不增加可調(diào)節(jié)裝置，那么提高了壓線穩(wěn)定性，但是折彎壓線輪擠壓波峰過(guò)度，波峰壓線壓力過(guò)度。

改善的參數(shù)：折彎壓線輪的適應(yīng)性、通用性。惡化的參數(shù)：折彎壓線輪的穩(wěn)定性。

應(yīng)用矛盾矩陣，得到發(fā)明原理35號(hào)物理和化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼?0號(hào)柔性殼體和薄膜原理、14號(hào)曲面化原理。

根據(jù)物理和化學(xué)參數(shù)改變?cè)?，提出解決方案8：折彎壓線輪采用柔性連接，更換壓線輪鋼架支撐，使用彈簧連接，實(shí)現(xiàn)折彎壓線輪隨波紋起伏而變化。

根據(jù)曲面化原理，提出解決方案9：折彎壓線輪采用曲面化處理，曲面按照波紋起伏進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)，使紙板受壓均勻。

3.5 物理矛盾

關(guān)鍵問(wèn)題：因轉(zhuǎn)軸受力不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸彎曲折彎，波紋成型輪組間嚙合不充分，擠壓、定型不足，波紋成型效果差。物理矛盾：為了保證波紋成型效果，需要增加壓緊力；為了轉(zhuǎn)軸不彎曲，需要降低壓緊力。采用空間分離，利用分割原理提出解決方案13：改變波紋成型輪結(jié)構(gòu)，將波紋成型輪擠壓紙板的區(qū)域采用剛性材料，波紋成型輪與轉(zhuǎn)軸接觸區(qū)域采用柔性材料連接。利用借助中介物原理提出解決方案14：轉(zhuǎn)軸與波紋成型輪之間不直接接觸，增設(shè)柔性齒輪柱，由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)柔性齒輪柱，齒輪柱轉(zhuǎn)動(dòng)波紋成型輪，轉(zhuǎn)軸不承受波紋成型輪承壓后的反向作用力。

3.6 物場(chǎng)分析與標(biāo)準(zhǔn)解

針對(duì)折彎壓線輪（S2）對(duì)紙板波紋（S1）擠壓過(guò)度的問(wèn)題建立物場(chǎng)模型，利用標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1在系統(tǒng)的兩個(gè)物質(zhì)之間引入外部現(xiàn)成的物質(zhì)，提出解決方案13：在系統(tǒng)中引入能使折彎線成型的物質(zhì)，利用它承受折彎壓線輪的壓力，然后讓它作用于紙板，來(lái)減弱彎壓線輪對(duì)紙板波紋造成的變形。在系統(tǒng)中，完成波峰壓線的間隙完成波谷壓線。利用標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1，在紙板與折彎壓線輪間引入折彎線成型裝置，通過(guò)周期性漸變壓線齒對(duì)紙板進(jìn)行壓線，實(shí)現(xiàn)均勻受力的壓線，降低紙板波紋變形。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.3排出有害作用，提出解決方案16：將折彎壓線輪設(shè)計(jì)為波峰壓線輪與波谷壓線輪，在完成波峰壓線的同時(shí)實(shí)施波谷壓線，并讓兩個(gè)壓線輪呈周期性上下交替變化，實(shí)現(xiàn)壓線的同時(shí)降低紙板波紋變形。

4 方案整理評(píng)價(jià)與實(shí)施

4.1 方案整理與評(píng)價(jià)

對(duì)16個(gè)解決方案從消除矛盾、系統(tǒng)復(fù)雜、產(chǎn)生新的危害、成本、可行性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合綜合評(píng)價(jià)中。最優(yōu)方案1為采用成型毛細(xì)管和多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)替代紙板，最優(yōu)方案2為曲面化折彎輪設(shè)計(jì)，但最優(yōu)方案1對(duì)系統(tǒng)改進(jìn)較大，從產(chǎn)品的生命周期角度考慮，仍然采用該方案進(jìn)行實(shí)施。

4.2 方案驗(yàn)證與實(shí)施

采用柔性多孔玻璃纖維絕緣板后，線圈局部溫升、絕緣水平及抗短路能力得到了有效的提升。

目前行業(yè)內(nèi)普遍存在小角環(huán)折彎后的波紋變形問(wèn)題，多數(shù)廠家采用提高成本采用新材料、新結(jié)構(gòu)替換小角環(huán)，這個(gè)過(guò)程及加大了原材料的浪費(fèi)和能源消耗。柔性多孔玻璃纖維絕緣板的使用，能夠降低小角環(huán)不合格浪費(fèi)和變壓器線圈局部受熱造成的事故支出，每年為公司節(jié)約成本￥25萬(wàn)元/年。柔性多孔玻璃纖維絕緣板的使用，提高了變壓器絕緣工藝水平，使用方便，質(zhì)量可靠，節(jié)省生產(chǎn)成本￥5萬(wàn)元/年。在此研究的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開(kāi)展線圈餅間絕緣的結(jié)構(gòu)研究，以提升線圈餅間絕緣的絕緣強(qiáng)度和散熱能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙靜月.變壓器制造工藝[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]劉桂德，張碧寧，周文彬.變壓器用絕緣角環(huán)的生產(chǎn)工藝[J].華東紙業(yè)，2013，44（02）：33-36.

[3]賈建軍，曹輝.絕緣紙板熱壓成形機(jī)技術(shù)改造[J].液壓與氣動(dòng)，2002（02）：32-33.

[4]唐佳，徐婷，胡友旺.TRIZ理論在半導(dǎo)體激光器耦合封裝中的應(yīng)用[J].包裝工程，2017，38（13）：128-132.

[5]陳少克，李錦濤，謝曉揚(yáng)，孔令立，郭志恒，陳志穩(wěn).基于QFD與TRIZ的多種類混合裝箱包裝機(jī)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2017，38（09）：168-172.

[6]周智，吳翔.TRIZ理論在文胸清洗球創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].包裝工程，2017，38（04）：181-183.

[7]崔憧遙，張簡(jiǎn)一，杜強(qiáng)，馬洪明，何相梓.TRIZ理論的40個(gè)發(fā)明原理在兒童家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].包裝工程，2017，38（02）：175-179.

[8]張士強(qiáng).基于TRIZ理論的成垛漿粕上料機(jī)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2016，37（23）：135-139.

[9]韓博.關(guān)于運(yùn)用TRIZ解決問(wèn)題時(shí)選擇項(xiàng)目的若干思考[J].科技創(chuàng)新與品牌，2015（8）：69-70.

[10]韓博.現(xiàn)代TRIZ理論中因果鏈分析應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與品牌，2016（3）：47-49.

[11]韓博.TRIZ理論中技術(shù)矛盾的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與品牌，2014（8）：61-64.