基于ARIZ的复合式旋流器结构布局优化及创新研究

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第 2o卷第 5期2013年 1O月T Chinese程 设Journal of报DesignVo1．2O NO．50ct．2O13DOI：10．3785／]．issn．1006—754X．2013．05．001基于 ARIZ的复合式旋流器结构布局优化及创新研究田松 龄 ，刘晓敏 ，陈钰婷(福州大学 机械工程及 自动化 学院 ，福建 福州 350002)摘 要：描述了 ARIZ算法用于解决产品复杂问题的流程，提出了从产品问题分析到方案解获得的整个设计过程.

复合式旋流器的创新设计主要集中在静态旋流单体、旋转栅、溢流系统和供液及分离结构配置等方面．介绍了复合式旋流器工作原理，应用计算机辅助设计软件 Pro／Innovator 5．0建立了复合式旋流器组件模型．研究发现，该装置能量损失大和分离效率低的主要原因是结构设计和布局不合理．利用 ARIZ算法流程，发掘出一种有效的分离结构设计和布局方案．复合式旋流器分离结构配置方案的创新设计验证了 ARIZ算法在解决产品复杂问题方面具有通用性 与高效性.

关键词 ：复合式旋流器 ；优化；分离效率；ARIZ；创新设计中图分 类号 ：TH 122 文献标志码 ：A 文章编号 ：1006 754X(2013)05 0353-08Innovation research of structure layout and optimization basedon ARIZ for compound hydrocycloneTIAN Song—ling，LIU Xiao—min，CHEN Yu—ting(School of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350002，China)Abstract：A process for resolving complex problems in products with ARIZ was described，and akind of analysis process for product problem evaluated was put forward．The innovative design ofcompound hydrocyclone was mainly concentrated on the static unit construction，rotating vane，overflow system，liquid supply，separation structure arrangement and SO on．The working princi—ple of the compound hydrocyclone was described，and the component model of compound hydro—cyclone was built with computer—aided design software Pro／Innovator 5．0．It has been found thatthe main reason of the energy loss and low separating efficiency was the separation structure de—sign and layout that was not reasonable．Finally，an effective structure design and layout schemeof separation structure was discovered using ARIZ process．It is proved that the generality and ef—ficiency of ARIZ is verified to resolve complex problems for products.

Key words：compound hydrocyclone；optimization；separation efficiency；ARIZ；innovation design发 明问题解 决算 法 (algorithm for inventive—problem solving，ARIZ)最初由 Altshuller于 1956年提出，是基于技术系统进化 法则 的一套完整分析及解决问题的方法 ，该算法主要针对问题情境复杂 、冲突及其相关部件不 明确 的技术系统Ⅲ．其 中 ARIZ一85AS算法最为常用 ，其操作流程如 图 1所示．复合式旋流器是一种新型离心分离装置，它既能保持动态的强旋流强度及压力损失小等特点，又能大大降低振动对分离的影响．以复合式旋流器为例 ，利用该流程对其进行了结构布局及优化的创新过程研究.

收稿 日期 ：2012-09—19.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(70972050)；福建省自然科学基金资助项目(2011J01302).

作者简介：Wg~ (1985一)，男 ，山西长治人 ，硕士生 ，从事化工机械等研究，E-mail：tiansongling1224###sina
． cn.

通信联系人 ：刘晓敏(1971-)，男 ，山东菏泽人，教授，博士 ，从事产品创新设计、化工机械与旋流分离技术等研究，E—mail：lxmliu###fzu．edu．en.

g 学．一e 计E


第 5期 田松龄，等：基于 ARIZ的复合式旋流器结构布局优化及创新研究溢流管 密封圈 底流管 旋流管 溢流嘴 八液管 旋转栅芯体 旋转栅叶片 旋转栅套＼ ／ 一：——— — l l／ ／ I l油口、 L——年 。

u ～ _ - l —～ I I l I 。 — — — — ～ =一
一
．二图 8 复合 式旋 流器旋流结构配置创新方案 1Fig．8 The innovative scheme l of structure distribution for compound hydroeyclones5)采用参数算子方法激化冲突.

分离过程中，不破坏流场 ，保证分离效率 ，不损失压力和能量 ，系统会变得很复杂.

6)构建技术 冲突的物质一场模型.

没有找到适用的标准解．无法解决问题 ，继续用ARIZ来分析.

3．2 确定理想解和物理冲突1)明确操作区：静态旋流单体分离段(大小锥段).

2)确定 操作时 间：两相 混合液分离 发生 的时间段.

3)查 明物场资源.

①系统 内资源 ：溢流系统 、静态旋流单体和储液腔 ；旋转 动力 机构 ：旋 转栅 ；两 相混合 液 和分离后液体.

②超系统资源 ：离心力、旋流发生装置和分离后的液体.

③外部环境 ：动力系统 、支撑系统和液体管路.

直接利用可用资源没有获得可用解.

3．3 确定理想化的最终结果和物理冲突1)定义理想解.

在操作 区域 内和操作 时间段 内，在不使 系统变复杂的情况下，改进 x一资源实现轻质液体和重质液体稳定 高效分离 ，不产生并消除有害功能，不影响复合式旋流器有用功能的执行能力.

2)加强理想解 IFR.

在操作 区域内和操作时间段内，溢流系统和静态旋流器单体不能使系统复杂化，不能引进有害现象 ，分离时不消耗能量 ，并保证生产率需求.

在操作区域内和操作时间段内，两相混合液、分离后液体和外部环境资源不能使系统复杂化，不能引进有害现象，分离时不能消耗能量，保证生产率需求.

选择溢 流 系 统作 为最 易 实 现 理 想 解 的 冲 突资源.

3)描述宏观物理冲突.

在操作空 间和时间内，溢流嘴和溢流管路应该高效吸收轻质液体 ，保证 流场稳定 ，实现高分 离效率 ，同时应 保证 无 液体 接触 ，不形 成压 力及 能 量损失.

4)表述微观物理冲突.

在操作空间和时间内，溢流嘴和溢流管路对轻质液体施加作用力 ，保证流场稳定 ，实现高分 离效率 ，同时保证不对液体产生阻力 ，不形成压力及能量损失.

5)重新定义理想解.

在操作时间和空间内，所选溢流嘴和溢流管路联合作用实现两相混合液分离 ，实现高生产率；同时溢流管路又能自我调节，保证流场稳定，实现高分离效率，且保证不对液体产生阻力，不形成压力和能量损失.

6)获得理想解.

对两相混合液造成干扰力场，是一个可控性差的场 ，根据第 2类标准解 No．16得到启示 ：增加一个如图 9所示的易控引流力场．利用 电磁场等可达到效果 ，但这会产生能量消耗且大大增加技术系统的复杂性.

静态旋流单体静态旋流单体轻质液体轻质液体图 9 标准解物质场模型解决物理冲突Fig．9 Substance—field model of standard resolution forresolving physical conflicts7)问题没有得到解决，继续用 ARIZ分析.

3．4 扩展资源分析1)建立小人模型.

程 设 计‘ 学 报 第 2卷溢流管道会影 响轻质液体的溢流流场稳定性 ，产生压力和能量损失，见图 10(a).

考虑到向多系统发展，用许多小的引流导路 系统来代替原系统 ，问题得到改善．聪明的油滴小 白人在螺旋导流力场作用下向溢流管小黑人预留的方向运动，减少了油滴小 白人产生的压力和能量损夫，图 10(b).

2)冲突问题解决方案.

溢流管冲突问题解决方案 ：利用螺旋 导流 片使轻质液体有稳定的流场 ，见图 l0(c)．理想解得到解决．在操作时间及空间内，所选溢流嘴与溢流管路联合作用实现了两相混合液分离，得到高分离效率 ，同时溢流管路又能 自我调节，保证流场稳定，获得理想的分离效果.

3．5 应 用知识 库采用类 比思想 ，利用螺旋导流片使轻质液体有稳定的流场 ，结合 3．1节 中 5)已解决 的部分问题，产生图 11方案 2.

％- ． 必一 ? ? ? 一 ? ? ? · _． ·。 ≮ · ． ·。

一 手 ? ? ’ 乎(a) 稳定溢流的聪叫小人卡{l型(b)稳定溢流的聪明小人模型n n n n× 欺 ×鹜 ， _。
～ ? 一 一 ～ j 一 一 ?(c)渊川聪明小入模型后得到的方案图 10 聪 明小人模型解决 问题示意 图Fig． 】0 Sketch of pro})len3 resolving modelusing smart little people图 1I 复合式旋流器旋流分离结构配 置创新方案 2Fig．11 The lnnovalive schctFle 2 of st ructure distribution for compound hydrocycloncs3．6 转换或替代问题问题 已得到解决 ， 此需要跳过该步骤.

3．7 原理解评价】)经检查得新 引人的物质或场 ，无法片】已有物质和场代替.

2)评估新方案解.

新方案很好地实现了理想解主璎 目标 ；新方案解决 _r_一个物理 冲突；新方案没有增加原系统的复杂性 ，易于在实际丁程应J{lj中得到实现.

3)从多个方案中选最优.

最后得到的理想解方案是从排除不理想方案后逐步得到的．所得到的复合式旋流器结构布局最终方案结构 ，见网 1 2.

¨
l rg?JL；2一弹性联轴器；3 驱动轴组件；_ 旋转栅组件；5 静态旋流单体；6 螺旋~-fit J【_；7 溢流嘴；8一机械密封 ；9 样机底座 ；1 0 t导轨底 腰.

图 l2 复合式旋流器旋流分离结构配置最终方 案Fig．12 Tl1e uhimale distribution sche~lc of separation struclure for compound hyd rocyclon(第 5期 田松龄 ，等：基于 ARIZ的复合式旋流器结构布局优化及创新研究4)检索专利库检查解决方案的新颖性.

经检索后，此方案结合大部分专利方案的优点，在螺旋 导 流 片和 溢 流 嘴组 件结 构 创 新 方 面有 独仓0性.

3．8 原理解应用说明具体原理解的实现方法及评价方法可用于其他相关问题的解决.

1)包含改进系统的超系统没有改变.

2)如果 新方 法采用 其他 方式 ，系统将 变得很复杂.

3)方案解决 的原理解过程可用来解决其他类似产品开发设计问题.

①通用原理 ：对于两相液体混合物 的分离问题 ，通过减少轻质液体溢流时间和增加引流力场来减少分离过程的压力及能量损失，从而提高综合分离效率.

②创新解法原理对其他问题 的应用 ：如能量损失问题可通过减少作用时间及优化物质场方式得到解决.

③使用相反 的解法原理解决其他问题 ：如果对于解决缓冲问题 ，则需要增加物质作用时间及恶化作用物质场的方式得到解决.

④检查主要参数变化 ，方案解如何改变 ：旋流管伸入长度、螺旋导流片数量及升距等主要结构参数没有引起系统尺寸 的太大变化 ，可通过样机的室内实验获得优化后 的结构参数.

此外 ，在新技术系统开发 中溢流管 可通过精密铸造工艺获得 ，并由实验得 到螺旋导流片 的最优机构参数.

3．9 冲突问题解决过程分析1)问题解决 的实际过程与 ARIZ理论应用过程相一致.

2)该问题解决方案作为 TRIZ知识库的有益补充 ，在解决其他相关问题时有重要参考价值口 ].

4 原理解方案评价评价目标集为：{噪音振动危害程度，分离效率，制造工艺难度 ，能量 和压力损失程度 ，体积，装配难易程度，维护难易程度)，用符号表示评价 目标集：x—Ex ，X ，X。，X ，X ，X ，X ]．各评价指标的重要性参数 M 为 ：M分离效率>M噪音振动消除程度一 济性一M 体积> M制造工艺难度==A 装配难易程度> M 维护难易程度.

根据 T．L．Saaty提出的层次分析法 (analytichierarchy process，AHP)，列出判断矩阵 A如下 ：XX，X3A — XXX6X矩阵中元素 a 表示 X 对 X，相对重要性 ，其数值l，3，5，7，9分别表示指标 X 对 X，同等重要 、稍微重要 、明显重要、强烈重要、极端重要.

求解 A·G— ? G，其 中 ? 为判断矩阵 A的最大特征根 ，G为对应的特征 向量．归一化处理后将各分量作为评价 目标的权重系数，G—E0．158 00．369 0 0．063 0 0．158 0 0．158 0 0．063 00．030 8].

cI一 一 一 0．024 5，— l ， 一 lCR 一 一 一 0_。17 9《 0．1，因此将 向量 G的各分量作为评价 目标的权 重系数是合理的.

将 ARIZ算法得到的原理解 (图 12即方案 工)与图 3所示 3种常见方案 (图 3(a)即方 案 I；图 3(b)即方案 Ⅲ，图(c)即方案 IV)作为评价对象 ，通过评分法获得 4个方案各评价目标的分数(性能分值用 1～5分)，各方案评价 目标分数见表 1，其矩阵表示以及各方案 的加权分值如下：F5 5 1 5l 3 2 4 3W — ll 2 2 2 2L4 3 2 3R = W ·G — l2 7
F4 2I.

● l 2．14个方案优劣顺序为 ：方案 工，方案 Ⅳ，方案 Ⅱ，方案Ⅲ，因此通过 ARIZ算法得到 的方案在综合性能方面得到了很大提高.

5 结 语1)对复合式旋流器旋转栅、溢流管及溢流系统、结构布局优化等方面进行了创新过程研究；2)利用 ARIZ算法及 Pro—I Desktop 5．0创 新原理模块对复合式旋流器进行结构布局优化及创新设计 ；7 3 5 5 3 1
—3 0 0 3 3 3 5 0 3 3 5 3 3 5 1 3 3 1 3 5 3 3 5 7 3 3 5 3 2 3 3 2 1 4 2 2 4 3 3 2 ·360 · 工 程 设 计 学 报 第 2O卷3)通过方案评价发现通过 ARIZ算法得到的方案在综合性能方面得到了很大提高，验证了 ARIZ算法在 解决 产 品复 杂 问题方 面 具有 重 要 的参 考价值.

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