文/蔣學杰 戚新波

用TRIZ解決水循環(huán)冷卻系統(tǒng)管路爆裂

文/蔣學杰 戚新波

工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于工件熱處理后，為改變其性能或提高效率，需要對熱處理后的工件進行冷卻。冷卻方式常采用自然風冷、油浸冷卻和水循環(huán)冷卻。冷卻系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，常因各車間液體循環(huán)系統(tǒng)壓力不均衡，引起爆管現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。本文以常用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)為例，分析了工業(yè)生產(chǎn)中水冷卻循環(huán)系統(tǒng)管路爆管現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，指出了現(xiàn)存系統(tǒng)中的缺點和不足，建立了基于TRIZ模型的系統(tǒng)分析，提出了合理有效的解決方案，對相關(guān)液體循環(huán)、氣體傳輸系統(tǒng)安全有一定的推廣作用。

問題描述與分析

循環(huán)水泵站給系統(tǒng)提供8Kg壓力，當某車間工件冶煉完成需用水冷卻時，打開閥門，循環(huán)水進入本車間子循環(huán)系統(tǒng)對工件進行冷卻，當檢測到工件溫度降至400°C時，閥門關(guān)閉，從而觸發(fā)機械閥關(guān)閉，阻斷水流。閥門關(guān)閉瞬間，由于管道內(nèi)流動的水不能立刻停止，管道內(nèi)的壓力瞬間上升，嚴重時會造成管路“爆裂”，其他車間水壓瞬間減小，影響冷卻效果，影響產(chǎn)品質(zhì)量且會造成安全隱患。

現(xiàn)有解決方案是在循環(huán)水管道上加裝壓力傳感器。在循環(huán)水出水口的機械閥門關(guān)閉時，管道內(nèi)的水壓升高，給主控電路提供信號，通過變頻調(diào)速改變泵房水泵轉(zhuǎn)速，從而降低循環(huán)水管道上壓力，避免爆管。但由于閥門關(guān)閉瞬間，隨壓力的急劇增大、檢測信號傳遞、直至主控電路收到信號、降低水泵轉(zhuǎn)速、到該子系統(tǒng)壓力減小，需要一定的時間，現(xiàn)有解決方案的缺點是設(shè)備的復(fù)雜程度增加，而且成本也大大提高。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 水泵工作點的確定

TRIZ模型建立與問題分析

問題提出：

在生產(chǎn)過程中，循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)常由于各車間水壓不均衡，引起爆管現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。

現(xiàn)有解決方案：

在循環(huán)水管道上加裝壓力傳感器。循環(huán)水出水口的機械閥門關(guān)閉時，管道內(nèi)的水壓升高，給主控電路提供信號，通過變頻調(diào)速改變泵房水泵轉(zhuǎn)速，從而降低循環(huán)水管道上壓力，避免爆管。

現(xiàn)有解決方案的缺點：

設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加。

定義技術(shù)沖突：

改善的參數(shù)：應(yīng)力或壓力。

惡化的參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性。

技術(shù)沖突：應(yīng)力或壓力~系統(tǒng)的復(fù)雜性

發(fā)明問題確定：

改善的參數(shù)：應(yīng)力或壓力

惡化的參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性

擬采取的TRIZ解決方案

擬采用的創(chuàng)新理論：

查找沖突矩陣，找出創(chuàng)新原理。

創(chuàng)新原理：

19、周期性動作原理

01、分割原理

15、動態(tài)特性原理

初步解決方案：

（1）方案1

利用周期性動作原理，將原來的一次性關(guān)閉機械閥門的動作改為多次操作來關(guān)閉，每次只關(guān)閉一點；這樣就可以避免壓力在瞬間達到一個很高的值，從而減少循環(huán)水對管道的壓力在瞬間變得很大。

圖4 柔性耐高壓橡膠管結(jié)構(gòu)

（2）方案2

利用分割原理，將子系統(tǒng)管道分為“兩段”。主干管采用強度大的普通鋼管，出水口閥門前4米左右采用柔性耐高壓橡膠管（管內(nèi)層和外層之間有多層帆布織成，或由鋼絲網(wǎng)編織）。

當出水口閥門關(guān)閉，管道內(nèi)部的壓力瞬時升高的時候，壓力傳感器會給主控制器發(fā)出信號，以使水泵轉(zhuǎn)速減慢管道內(nèi)的水壓迫內(nèi)層管道與外層管道之間的可壓縮物質(zhì)，從而降低管道內(nèi)部的壓力。

（3）方案3

利用動態(tài)特性原理，將冷卻系統(tǒng)主管道和子系統(tǒng)管道分級控制。

主泵房為主干管道提供8Kg壓力，當工件冷卻接近500°C時（最終為400°C），啟動主泵調(diào)速系統(tǒng)，減小主泵轉(zhuǎn)速，使壓力降保持在5Kg；當工件冷卻接近450°C時，啟動子泵調(diào)速系統(tǒng)，減小子泵轉(zhuǎn)速，使壓力降至5.5Kg，當工件冷卻接近420°C時，同時啟動主泵、子泵調(diào)速系統(tǒng)，減小主泵轉(zhuǎn)速，逐漸關(guān)閉子泵。

最終問題解決方案

采用的TRIZ創(chuàng)新理論：

01、分割原理

最終解決方案：

①主干管道和自感管道分級管理：將原來的一級變頻調(diào)速改為主次分離的二次變頻調(diào)速，保證主系統(tǒng)和子系統(tǒng)壓力獨立且均衡。

②在子管道出水口段改為耐高壓橡膠管代替原來的鋼管，利用橡膠管的彈性抵消閥門關(guān)閉瞬間管內(nèi)壓力突然增大引起的漲力，避免爆管現(xiàn)象。

本方案已經(jīng)豫北某耐火材料有限公司使用，基本上解決了其水循環(huán)系統(tǒng)水管爆裂問題，效果良好。對相關(guān)液體循環(huán)、氣體傳輸系統(tǒng)安全有一定的推廣意義。

（作者單位：河南機電高等專科學校）

圖3 水泵工作啟閉方式選擇

圖5 水泵分級管理系統(tǒng)圖