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应用ARIZ扩展螺旋波纹钢管连接方法的途径

发布日期:2015/07/17

苏有林[1],旺盛超[2],陈  1,苏云喆1,苏有义[3]

1.黑龙江昕泰管业有限公司,黑龙江 双鸭山 1551002.黑龙江省塑料工业科学

研究所,哈尔滨 1500013.集贤县塑料拉链厂,黑龙江 双鸭山 155900

 

  要:螺旋波纹钢管的管与管之间连接一般多采用环状波纹抱箍连接管件,但这种连接方法需要将管端头的螺旋波纹改轧成环状波纹,增加改形工序虽然满足了与压有环状波纹抱箍连接管件相匹配的要求,但是改形工序需要先平复螺旋波纹再压制环状波纹,螺旋波纹钢管端头管壁重复压制的结果,破坏了管壁材料热镀锌钢带的防腐层,致使螺旋波纹钢管耐腐蚀性能降低;本文借助TRIZ理论中的ARIZ算法,阐述了扩展螺旋波纹钢管连接方法的途径。

关键词:环状波纹抱箍;ARIZ;扩展;螺旋波纹钢管;连接方法;途径

 

引言

TRIZ解决问题一个重要的步骤就是将领域问题转化为TRIZ标准问题,在实际应用中,一个领域问题解决的困难程度取决于对该问题描述的标准化程度,描述得越清楚,问题的标准化程度越高,问题就越容易解决,创新问题的求解过程就是对问题的不断描述和不断向标准化靠近的进程。

ARIZ的基本思路是解决发明问题的完整算法,以一套连续过程的程序,针对非标准问题采用步步紧逼的方法,巧妙地将一个状况模糊的原始发明问题转化为一个简单的问题模型,并构想其理想解。其目的是在TRIZ现有工具基础上组成系统的问题解决流程,包括问题分析、矛盾确定、方案解评价、解决方法改进等几大部分,涵盖了问题解决的全过程,是TRIZ中最强有力的工具。

初步分析算法

ARIZ采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化,将一个状况模糊的原始发明问题转化为一个标准问题,特别强调矛盾与理想解和程式化,一方面技术系统向着理想解的方向进化,另一方面如果一个技术问题存在矛盾需要克服,该问题就变成了一个发明问题。应用ARIZ取得成功的关键在于没有理解问题的本质前,要不断地对问题进行细化,一直到确定了物理矛盾。依据这种结构和规则形成具有一系列步骤的程序。

1)不使用专业术语的条件下,描述当前系统的组成。

2)找到问题“什么是所提出问题的最终目标?”的准确答案。

3)确定在哪一系统解决问题,是初始系统还是“变化”系统,建议从问题最小化开始解决。

4)最理想情况下想要获得什么?在这一步骤中需表述出解决方案的最终理想解,最终理想解在于系统自身或其部分保证实现目标,回答这个问题时一定要强调“自身”。

5)在初步分析的这一步骤中应确定:障碍是什么?冲突的实质是什么?什么妨碍获取最终理想解?

6)需要确定:科学或技术上论据充分的具体原因是什么?系统或其他组成部分的什么性能妨碍实现最终理想解?

7)确定在何种条件下障碍会消失。

8)如果未能成功地找到问题的解决方案,那么,首先建议再次检查算法步骤的表述,从第二步骤开始,在必要时重新制定所提出问题要实现的最终目标,甚至对系统的其它元件提出最终理想解。如果还是没有找到解决方案,那么转到下一步。

   3 问题描述

以热镀锌钢带制做的排水用螺旋波纹钢管具有耐腐蚀、环刚度高、成本低、生产效率高等特点,但由于管壁呈螺旋波纹结构,管端口处形成非等圆的闭合曲线状,该怎样密封与固定?如图1所示。


目前,螺旋波纹钢管的管和管之间连接大多采用环状波纹抱箍连接管件,这种环状波纹抱箍连接管件由带有锁紧件的环状波纹抱箍套和密封垫板(聚乙烯发泡板)组成,如图3所示。使用时,先在螺旋波纹钢管接口处包覆聚乙烯发泡板,再用轧有环状波纹的抱箍锁紧。这种连接方式需先将螺旋波纹钢管的端头由螺旋状波纹改轧成环状波纹,如图2所示。管端头二次辊压改形其不足是,增加改形工序需要增添螺旋波纹钢管端头改形机,致使管加工设备复杂化;增加改形工序引起耗电上升,致使管制做成本提高;增加改形工序虽然满足了与轧有环状波纹抱箍连接管件相匹配的要求,但是改形工序需要先平复螺旋波纹再轧制环状波纹,螺旋波纹钢管端头管壁重复轧制的结果,破坏了管壁材料热镀锌钢带的防腐层,致使螺旋波纹钢管耐腐蚀性能降低。




    4 解决方案简述

1)系统组成:两根以上待连接的管、连接组件、铺设环境。

2)提出问题的最终目的:将单根的管连接成管道。

3)在给定的系统内解决问题。

4)最终理想解:系统自身实现管材连接。

5)障碍是什么?冲突的实质是什么?什么妨碍获取最终理想解?障碍原因是两管端头对口处形成非等圆的闭合曲线状,难以实现密封连接。

6)阻碍应用科学或技术的具体原因是什么?(为什么阻碍)管壁呈螺旋波纹结构。

7)在任何条件下障碍消失?可以看出,如果引入X物资,那么障碍就能消失。产生需要引入X物资的新问题,但怎么实现呢?

   5 借助ARIZ扩展螺旋波纹钢管连接方法的途径

    5.1问题分析

螺旋波纹钢管在管沟中铺设时,两管端头对口处形成非等圆的闭合曲线,连接时难以密封管内的污水形成渗漏;通常的做法是将管端头螺旋状波纹在专门的设备上二次辊轧为环状波纹,使两管端头对口处形成等圆的闭合曲线,容易密封管内的污水杜绝渗漏,但管端头二次辊轧伤害了镀锌层,致使管的耐腐蚀性能降低,影响使用寿命。

    5.2寻找发明算法的解决方法

借助ARIZ扩展问题解决方案的寻找,初步分析问题表明,由于管的螺旋波纹结构,难于密封;寻找在不改变管端头螺旋波纹结构状态下实现管的密封连接途径。

    5.2.1分析问题

1)记录问题最小化条件和技术矛盾

管材连接的技术系统包括待连接的两根管、用于连接的组件。技术系统初步分析表明,管材用于连接的部分是管端头,管端头波纹形状的存在影响连接功能的完成,所以管端头波纹形状也是技术系统的组成部分。技术系统准确组成部分应该是管、管端头波纹形状和连接组件。

根据系统完备性法则分析系统元件,矛盾通常发生在工具元件对产品元件的作用过程中,需要重点分析工具元件的有用和有害作用。

表述制品与工具的冲突。产品:污水;工具:连接组件。

技术矛盾1:如果为环状波纹的连接组件,那么组件连接不漏污水,但管端头二次辊压会破坏防腐层。

技术矛盾2:如果为螺旋状波纹的连接组件,那么组件连接会渗漏污水,但管端头不增加二次辊压不会破坏防腐层。

2)组建冲突流程图

冲突流程图的典型方案:如图4所示。

3)通过指出元件极限状态来强化冲突

我们考虑在技术矛盾2中,用“无波纹”代替“螺旋波纹”。

强化冲突示意图,如图5所示。


4)记录带有强化冲突、指出冲突并引入X元素的问题模型

给定无波纹的连接组件、管道中的污水。

带有无波纹的连接组件对管端头无破坏性,但连接时不保护污水密封性能差。必须找到对管端头无破坏性的同时消除密封性能差的可能性的X-元素。

    5.2.2分析问题模型

1)确定操作区间

操作区间是问题模型中所表述冲突的产生区域。因此,我们可以通过改变系统的物理-化学参数来应用满足矛盾要求的方法。

典型方案:我们分析其中一个方法(36.相变法)

“相变法”运用物态转换(如改变体积、释放或吸收热量等)。

这种方法使我们产生思路:连接组件的阻水防渗漏性能应该是具有相变的X-元素。

解决方案:具有带X-元素的连接组件,X-元素是发泡混凝土,将发泡混凝土注入由钢带护罩和管外壁形成的环状封闭腔室内,发泡混凝土填满管端头的螺旋波纹空间,随时间和温度变化逐渐转为固体状态,达到阻水防渗漏功能,实现管的密封连接。如图6所示。

解决方案没有完全解决所提出的问题,密封性能得到解决,但连接的牢固性稍差,况且连接工序复杂。我们继续寻找解决的方案。

2)确定操作时间

操作时间是对操作区间问题模型所表述矛盾要求的时间间隔。因而我们可以依靠向超系统或子系统的转变来应用消除矛盾法。假设这一步骤没有找到解决方案。

3)确定物-场资源

1)连接工具的物-场资源:

管箍套材料;

形状;

聚乙烯发泡板。

2)制品的物-场资源:

污水;

污水的压力;

污水的化学性质。

3)连接系统的物-场资源:

待连接的管;

连接组件。

4)连接系统外的物-场资源:

◆ 钢材

◆ 管沟环境

    5.2.3确定最终理想解和物理矛盾

1)最终理想解1

X-元素在不会引起有害现象(操作区间及操作时间内密封的同时不允许破坏防腐层)的同时,绝对不能使系统复杂化。

2)利用物-场资源来强化表述最终理想解1

应用ARIZ解决问题时,应表述并记录最终理想解1的全部强化表述。指出一类资源即可记录一种表述,所以表述的数量与所揭示的物-场资源数量相等。

1)应用系统的物-场资源

◆ 在操作时间和操作区间内,用管自身做连接组件材料。

解决方案:螺旋波纹管箍。将同口径的螺旋波纹钢管截断成连接长度,延轴向分割成两片或三片,焊接紧固件制做成螺旋状波纹管箍,加密封垫板紧固后实现连接。如图7所示。

2)应用连接工具的物-场资源

在操作区间操作时间内,用聚乙烯发泡板实现连接和密封。

解决方案:聚乙烯热收缩带。将聚乙烯发泡板改为聚乙烯带,密封同时增加了固定功能,实现管的连接。应用技术为聚乙烯带内面涂胶使之与管热熔粘合实现密封,在内嵌入增强玻璃纤维长丝和聚乙烯丝,辐射后制作成聚乙烯热收缩带,包覆加热后,恢复原长度,实现抱紧和密封。如图8所示。

在操作区间操作时间内,用抱箍套自身连接并密封。

解决的方案:电热熔套管。具有热收缩功能的“抱箍套”——电热熔套管。应用技术为电热熔套管内嵌有加热电阻丝和内层热熔胶,包覆紧固后通电加热,冷却后实现管的密封连接。如图9所示。



管与连接组件较好地连接和密封,但是解决方案未完全解决所提出的问题,我们继续寻找解决方案。

5.2.3开发和应用物-场资源

应用资源物质的混合物解决问题的可能性,资源物质的混合物:

◆  钢材

螺旋波纹钢管

抱箍套

密封板

1)解决方案:法兰连接。X-元素是资源物资的混合物不等边角钢,用不等边角钢制做法兰替代抱箍套焊接在螺旋波纹钢管端头,连接时加聚乙烯发泡板用螺丝紧固,实现连接和密封。如图10所示。

2)解决方案:对口压封连接。X-元素是资源物质的混合物抱箍环,将抱箍套分割为两个抱箍环,连接时在管对口处加“工”字形胶圈后锁紧拉杆螺栓,实现连接和密封。如图11所示。

    5.2.4 宏观物理矛盾

最终理想解1是不应该有抱箍套,要知道抱箍套是不能完成密封的;但又应该有抱箍套,未完成自身功能,只是这个功能与“常规抱箍套”的功能相反。

    5.2.5 微观物理矛盾

为了密封管端头结构不应该是螺旋波纹,为了实现自身连接管端头结构又应该是螺旋波纹。

答案出现,应该有这样一种抱箍套,它应该是利用管端头的螺旋波纹结构以实现自身旋紧的螺纹抱箍套。

    5.2.6最终理想解——管(螺旋波纹结构)自身实现连接

最终理想解1X-元素在不会引起有害现象(操作区间及操作时间内密封的同时不允许破坏防腐层)的同时,绝对不能使系统复杂化。

管材在管沟中铺设,在没有连接时,系统组成只有待连接的管、周围环境(管沟、土)。

解决方案:管端头螺旋波纹自身旋紧连接。系统物资螺旋波纹钢管,应用技术为管的一端进行扩口作为螺母,管另一端作螺栓;也可以在管的一端预先焊接一截大径管作为螺母,管另一端作螺栓;利用管自身的螺旋波纹,以螺纹方式旋入,旋紧后实现密封连接。X-元素为螺旋波纹间包覆的密封膜。如图12所示。

    6 结论

根据在螺旋波纹钢管连接工作中所揭示的缺点,完善螺旋波纹钢管连接的问题表述为:由于管壁呈螺旋波纹结构,管连接对口处形成非等圆闭合曲线状,连接时阻水防渗漏性能差,该怎样密封与连接?

借助ARIZ分析这个问题后,给出了增加螺旋波纹钢管连接方法的7个途径,其中螺旋波纹管箍、热收缩带、电热熔带、法兰4个作为实例给出,利用分离法--对口压封连接、利用相变法发泡混凝土连接(已获得授权证书)的解决途径达到了方案目标,管端头螺旋波纹自身旋紧连接方法的解决途径已超出方案目标的要求。

参考文献:

[1]维克多·德米特里耶维奇·贝尔多诺索夫,多洛托夫·鲍里斯·伊万诺维奇.TRIZ培训教材之三——实践篇[M].黑河.黑龙江省科学技术厅,黑河市科学技术局,编译.2010111-185.

[2]创新方法研究会,中国21世纪议程管理中心.创新方法教程(高级)[M].北京:高等教育出版社,2012111-134.





作者简介:苏有林(1949—),男,黑龙江集贤人,机械专业研究员级高工、国家注册咨询工程师、管理咨询师、国际TRIZ协会二级会员,大学本科,从事机械制造与投资分析及企业管理。

 

 

TRIZ专家团队
王妍玮
赵存有