丁志康 金琳 周錕鵬 肖穎

一、前言

為推動(dòng)我國印刷行業(yè)生態(tài)文明建設(shè)，加快實(shí)施綠色印刷戰(zhàn)略，促進(jìn)我國印刷產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)“印刷強(qiáng)國”目標(biāo)，新聞出版總署與環(huán)境保護(hù)部在2010年9月簽署了《實(shí)施綠色印刷戰(zhàn)略合作協(xié)議》，綠色印刷成為當(dāng)前印刷行業(yè)發(fā)展的主題[1]。

實(shí)施綠色印刷不僅要從新材料、新工藝等方向入手，還應(yīng)重點(diǎn)研究印刷裝備的節(jié)能降耗。凹印機(jī)是耗能較大的印刷設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國蒸汽加熱凹印機(jī)單色實(shí)地印刷平均消耗電能和熱能約為0.96克標(biāo)準(zhǔn)煤每平方米印品，其中干燥部分消耗的能源占總能源的60%～90%[2]。因此，研究干燥系統(tǒng)關(guān)鍵部件的傳熱性能，對(duì)降低凹印機(jī)的能源消耗和提升凹印機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度具有非常重要的意義。

干燥箱是凹印機(jī)干燥系統(tǒng)的重要組成部件。對(duì)干燥箱部件進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)，能大大提高凹印機(jī)的能源利用率。目前，凹印機(jī)干燥箱主要采用熱風(fēng)加紅外的干燥模式。本文運(yùn)用ARIZ理論，通過對(duì)干燥箱部件的節(jié)能研究，提出凹印機(jī)干燥箱節(jié)能的改進(jìn)方案。

二、ARIZ概述

TRIZ理論起源于蘇聯(lián)，即“發(fā)明問題解決理論”，是指導(dǎo)創(chuàng)新的重要理論之一。TRIZ理論認(rèn)為，一個(gè)問題解決的困難程度，取決于對(duì)該問題的描述或程式化方法，描述得越清楚，問題的解就越容易找到。

ARIZ是TRIZ理論的主要內(nèi)容之一，即“發(fā)明問題解決算法”。“ARIZ”是俄文轉(zhuǎn)化為拉丁文的詞頭縮寫。

ARIZ是一套基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則的系統(tǒng)性解決算法和邏輯結(jié)構(gòu)化解題流程，是TRIZ理論中最強(qiáng)有力的解決發(fā)明問題工具，集成了TRIZ理論的主要觀點(diǎn)。它主要針對(duì)問題情境復(fù)雜、產(chǎn)生矛盾的相關(guān)部件不明確的技術(shù)系統(tǒng)，用于將復(fù)雜、困難的問題逐步細(xì)化至可確定的物理沖突，直至消除沖突、解決問題，具有很強(qiáng)的操作性、系統(tǒng)性、實(shí)用性以及易流程化等特性。ARIZ的目標(biāo)是獲得最終理想解。最終理想解是一個(gè)發(fā)明問題最優(yōu)解的模型，可以在系統(tǒng)最小改變，即沒有系統(tǒng)參數(shù)變化的情況下消除問題[3]。ARIZ的工作流程圖如圖1所示。

圖1 ARIZ的工作流程圖

三、凹印機(jī)干燥箱工作原理

1.凹印機(jī)干燥箱干燥機(jī)理

凹印機(jī)的干燥方式主要為揮發(fā)干燥，即油墨與熱風(fēng)進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)耦合的過程。傳熱過程，即熱風(fēng)以對(duì)流的方式將熱量傳遞到印刷品表面的油墨，然后印刷品表面油墨以熱傳導(dǎo)的方式向內(nèi)部傳遞。傳質(zhì)耦合過程，即油墨中的溶劑在分子作用力和高濃度差的作用下由內(nèi)部向表面擴(kuò)散，印刷品表面的溶劑分子吸收熱量汽化，并向熱風(fēng)中移動(dòng)的氣相傳質(zhì)[4]。

2.凹印機(jī)干燥箱結(jié)構(gòu)分析

凹印機(jī)干燥箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5,6]如圖2所示，主要包括進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)腔、風(fēng)嘴、回風(fēng)管、回風(fēng)腔、出風(fēng)口等。熱交換器產(chǎn)生的熱風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥箱進(jìn)風(fēng)腔，再由進(jìn)風(fēng)腔中的風(fēng)嘴噴射到承印物表面，干燥表面油墨。干燥油墨后的熱風(fēng)和產(chǎn)生的溶劑氣體經(jīng)回風(fēng)管進(jìn)入回風(fēng)腔，并由出風(fēng)口排出。

圖2 干燥箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

干燥箱中風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)干燥過程影響較大，常見的風(fēng)嘴有扁平狹口型風(fēng)嘴和網(wǎng)孔板型風(fēng)嘴，如圖3所示。扁平狹口型風(fēng)嘴產(chǎn)生的風(fēng)速比網(wǎng)孔板型風(fēng)嘴產(chǎn)生的高，但加熱面積相對(duì)較?。痪W(wǎng)孔板型風(fēng)嘴產(chǎn)生的風(fēng)速比扁平狹口型風(fēng)嘴產(chǎn)生的低，但傳遞的風(fēng)量較大，因而傳遞的熱量也相對(duì)較多。

圖3 扁平狹口型風(fēng)嘴和網(wǎng)孔板型風(fēng)嘴示意圖

四、ARIZ在干燥箱節(jié)能創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

干燥箱主要功能為干燥油墨，干燥過程可簡(jiǎn)化為“干燥油墨工程系統(tǒng)”，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。熱風(fēng)由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥箱進(jìn)風(fēng)腔，并經(jīng)風(fēng)嘴高速射流噴出，與承印物表面的油墨進(jìn)行對(duì)流傳熱，干燥油墨后的熱風(fēng)和產(chǎn)生的溶劑氣體混合到一起形成廢氣，由出風(fēng)管進(jìn)入回風(fēng)腔，最后由回風(fēng)腔經(jīng)出風(fēng)口向外界排放[7]。

圖4 “干燥油墨工程系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)示意圖

1.“干燥油墨工程系統(tǒng)”功能分析

（1）首先分析系統(tǒng)組件。組成系統(tǒng)的主要元件構(gòu)成系統(tǒng)組件，與系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)外元件為超系統(tǒng)組件。“干燥油墨工程系統(tǒng)”的組件分析如表1所示。

表1 “干燥油墨工程系統(tǒng)”組件分析

（2）繪制系統(tǒng)作用矩陣。作用矩陣是指系統(tǒng)中各功能組件之間是否有相互能量關(guān)系的矩陣圖，“干燥油墨工程系統(tǒng)”作用矩陣如表2所示，表中“＋”表示功能組件之間有相互能量關(guān)系，“－”表示功能組件之間沒有相互能量關(guān)系。

表2 “干燥油墨工程系統(tǒng)”作用矩陣

（3）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析。根據(jù)作用矩陣，結(jié)合干燥箱工作原理，對(duì)“干燥油墨工程系統(tǒng)”進(jìn)行功能分析，分析結(jié)果如表3所示。表中B代表基本功能，H代表有害功能。

表3 “干燥油墨工程系統(tǒng)”功能分析表

（4）根據(jù)“表3 ‘干燥油墨工程系統(tǒng)’功能分析表”繪制“‘干燥油墨工程系統(tǒng)’功能模型”，如圖5所示。圖中虛線表示不足，雙點(diǎn)畫線表示有害，實(shí)線表示正常。由功能模型可知，系統(tǒng)中功能不足的部分有：熱風(fēng)對(duì)油墨的干燥不足，風(fēng)嘴噴射熱風(fēng)的不足，進(jìn)風(fēng)腔和環(huán)境形成的正壓不足，回風(fēng)腔和環(huán)境形成的負(fù)壓不足；有害的部分有：承印物吸收熱風(fēng)的熱量，箱體向外界環(huán)境散熱等。

2.“干燥油墨工程系統(tǒng)”因果鏈分析

因果鏈分析是ARIZ陳述問題的一種方法，可以對(duì)問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行多層次分析，并形成因果鏈，從因果鏈中找到需要解決的初始問題或矛盾。

對(duì)“干燥油墨工程系統(tǒng)”功能模型中功能不足的部分進(jìn)行歸納，得出系統(tǒng)功能主要不足為：油墨吸收的熱風(fēng)熱能少，大部分被承印物吸收或者被排放至外界。

將上述不足歸納為系統(tǒng)的初始問題：?jiǎn)挝幻娣e油墨吸收的熱能少。結(jié)合表3的系統(tǒng)功能分析、圖5的系統(tǒng)功能模型和干燥系統(tǒng)工作原理，對(duì)系統(tǒng)初始問題進(jìn)行因果鏈分析，分析過程如圖6所示。圖中“OR”表明兩個(gè)或幾個(gè)事件中只要有一個(gè)發(fā)生就可以導(dǎo)致結(jié)果的產(chǎn)生。

圖5 “干燥油墨工程系統(tǒng)”功能模型

圖6 “干燥油墨工程系統(tǒng)”的因果鏈分析圖

對(duì)圖6中的初始問題進(jìn)行因果分析，首先可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致單位面積油墨吸收熱能少的可能原因?yàn)轱L(fēng)嘴噴射熱風(fēng)不足或油墨接觸熱風(fēng)的時(shí)間不足。接著分析又可發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致風(fēng)嘴噴射熱風(fēng)不足的可能原因?yàn)槌鲲L(fēng)管道中熱風(fēng)的流速小或者熱風(fēng)的傳熱系數(shù)?。粚?dǎo)致油墨接觸熱風(fēng)不足的可能原因?yàn)橛湍砻嫒軇怏w濃度高或者熱風(fēng)與承印物接觸時(shí)間短以及油墨層厚等。以此類推，可得到系統(tǒng)初始問題的多個(gè)可能的底層原因。將這些底層原因進(jìn)行歸納總結(jié)便可得到“干燥油墨工程系統(tǒng)”的三個(gè)核心問題。

核心問題一：風(fēng)嘴寬度、風(fēng)嘴離承印物的高度、風(fēng)嘴間距離取值不恰當(dāng)，以及進(jìn)風(fēng)腔壓強(qiáng)小，導(dǎo)致風(fēng)嘴沖擊射流的傳熱系數(shù)小。

核心問題二：出風(fēng)管小和回風(fēng)腔壓強(qiáng)大，導(dǎo)致油墨表面溶劑氣體濃度高。

核心問題三：出風(fēng)管大和回風(fēng)腔壓強(qiáng)小，導(dǎo)致熱風(fēng)與承印物表面油墨接觸少。

其中后兩個(gè)核心問題互為矛盾對(duì)。

3.“干燥油墨工程系統(tǒng)”矛盾分析

將系統(tǒng)因果鏈分析中產(chǎn)生的兩個(gè)互為矛盾對(duì)的核心問題“出風(fēng)管小和回風(fēng)腔壓強(qiáng)大，導(dǎo)致油墨表面溶劑氣體濃度高”與“出風(fēng)管大和回風(fēng)腔壓強(qiáng)小，導(dǎo)致熱風(fēng)與承印物表面油墨接觸少”進(jìn)行矛盾對(duì)比分析，如表4所示。

表4 “干燥油墨工程系統(tǒng)”矛盾分析

如果增大出風(fēng)管截面面積，減小回風(fēng)腔壓強(qiáng)，雖然可以降低油墨表面溶劑氣體的濃度，提高單位時(shí)間的換熱效率，但同時(shí)也會(huì)減少熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱時(shí)間，導(dǎo)致總的換熱量變化不確定；如果減小出風(fēng)管截面面積，增大回風(fēng)腔壓強(qiáng)，雖然可以延長(zhǎng)熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱的時(shí)間，但同時(shí)也會(huì)提高油墨表面溶劑氣體濃度，降低單位時(shí)間的換熱效率，導(dǎo)致總的換熱量變化不確定。

通過以上對(duì)“干燥油墨工程系統(tǒng)”的矛盾分析，可以提煉出“干燥油墨工程系統(tǒng)”的最小問題為：不僅降低油墨表面溶劑氣體的濃度，還要延長(zhǎng)熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱的時(shí)間。將最小問題進(jìn)行矛盾最大化處理（激化矛盾），可得如下假設(shè)：

出風(fēng)管截面與風(fēng)嘴邊緣相切時(shí)，出風(fēng)管的截面面積最大；如果選用的排風(fēng)機(jī)排風(fēng)量達(dá)到最大，回風(fēng)腔負(fù)壓最低；假設(shè)此時(shí)出風(fēng)管氣體流動(dòng)量最大，即油墨表面的溶劑氣體濃度最低，熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱時(shí)間最短。

這里引入一個(gè)未知變量X元素。它可以是某一新技術(shù)、新材料、新工藝或者新的設(shè)計(jì)方案等。因?yàn)閄元素的存在，在油墨表面溶劑氣體濃度較低的同時(shí)，可以延長(zhǎng)熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱時(shí)間。

對(duì)X元素進(jìn)行時(shí)間和空間的分離，其發(fā)生的時(shí)間域和空間域如圖7所示。X元素發(fā)生的時(shí)間域和空間域分別在風(fēng)嘴噴射熱風(fēng)之后，出風(fēng)管抽離廢氣之前。

圖7 X元素發(fā)生時(shí)間域和空間域

4.“干燥油墨工程系統(tǒng)”物-場(chǎng)資源分析

物-場(chǎng)資源分析，就是從物質(zhì)和場(chǎng)的角度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和構(gòu)造的理論和方法學(xué)，是ARIZ的一種常用的解決問題的分析方法。

“干燥油墨工程系統(tǒng)”物-場(chǎng)資源分析可以分為操作域系統(tǒng)分析和操作域外部環(huán)境分析[8]，如表5、表6所示。

表5 操作域系統(tǒng)分析

表6 操作域外部環(huán)境分析

在因果鏈分析和矛盾對(duì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合物-場(chǎng)資源分析中物質(zhì)的相關(guān)參數(shù)和場(chǎng)的分析，可找到解決最小問題的X元素的解。

5.“干燥油墨工程系統(tǒng)”最終理想解

X元素是降低油墨表面溶劑氣體濃度的同時(shí)，延長(zhǎng)熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱時(shí)間，且X元素發(fā)生在風(fēng)嘴噴射熱風(fēng)之后和出風(fēng)管抽離廢氣之前的時(shí)間域和空間域內(nèi)，X元素是不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，且不產(chǎn)生任何有害作用的理想解。根據(jù)物-場(chǎng)的操作域系統(tǒng)分析和操作域外部環(huán)境分析，結(jié)合因果鏈中的問題因果分析，找到以下三種X元素的理想解。

（1）利用溶劑氣體分子比空氣分子質(zhì)量重的原理，設(shè)計(jì)一種干燥裝置，將出風(fēng)管往下延伸至溶劑氣體分子密集區(qū)域，并且在延伸管上開小孔，方便上面的熱風(fēng)和溶劑分子回收，這樣不僅可以增加熱風(fēng)與承印物表面油墨的換熱時(shí)間，降低承印物表面溶劑氣體的濃度，而且不產(chǎn)生任何有害作用。凹印機(jī)干燥箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案一如圖8所示。

圖8 凹印機(jī)干燥箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案一

（2）通過試驗(yàn)設(shè)定風(fēng)嘴寬度、風(fēng)嘴離承印物的距離、風(fēng)嘴的間距以及風(fēng)嘴的傾斜角度，可以在延長(zhǎng)熱風(fēng)與承印物表面油墨換熱時(shí)間的同時(shí)，降低承印物表面溶劑氣體的濃度，且不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，也不產(chǎn)生任何有害作用。凹印機(jī)干燥箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案二如圖9所示。

圖9 凹印機(jī)干燥箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案二

（3）尋找一種氣體，將它與熱風(fēng)混合，對(duì)承印物進(jìn)行干燥時(shí)，該氣體能與油墨揮發(fā)的溶劑氣體反應(yīng)，生成其他氣體，使油墨表面溶劑氣體的濃度大大降低，加快溶劑的揮發(fā)，且不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，不產(chǎn)生任何有害作用。

五、結(jié)語

通過ARIZ算法，對(duì)凹印機(jī)干燥箱進(jìn)行了功能分析、因果鏈分析、物理矛盾分析、時(shí)間和空間分離、物-場(chǎng)資源分析，得到干燥箱節(jié)能改進(jìn)的三個(gè)最終理想解。根據(jù)最終理想解可得到凹印機(jī)干燥箱節(jié)能的多個(gè)改進(jìn)方案。

第一，將出風(fēng)管往下延伸至溶劑氣體分子密集區(qū)域，并且在延伸管上開小孔，方便上面的熱風(fēng)和溶劑分子回收。

第二，將風(fēng)嘴做成傾斜狀，可延長(zhǎng)熱風(fēng)與承印物表面的換熱時(shí)間，同時(shí)降低承印物表面溶劑氣體的濃度。

第三，尋找一種理想氣體。它能與油墨揮發(fā)的溶劑氣體反應(yīng)，生成其他氣體，從而降低油墨表面溶劑氣體的濃度，加快溶劑的揮發(fā)。這個(gè)過程中產(chǎn)生的氣體應(yīng)無毒無害。

[1]陳文革，蔣文燕，黃學(xué)林，等.我國凹版印刷機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].包裝工程，2008，29(4)：169-171.

[2]金琳，李艷，王儀明，等.基于測(cè)試的凹印機(jī)能效分析[J].包裝工程，2014，35 (19)：119-124.

[3]檀潤(rùn)華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)——TRIZ：發(fā)明問題解決理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]黃清明，陳芳園，許鵬，等.凹版印刷機(jī)干燥系統(tǒng)機(jī)型結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)節(jié)能減排設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師，2010(3)：38-42.

[5]何曉輝，岳德茂.印刷科技實(shí)用手冊(cè)[M].北京：印刷工業(yè)出版社，2010.

[6]孫龍.凹版印刷機(jī)熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的性能研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

[7]金琳.基于測(cè)試評(píng)價(jià)的凹印刷機(jī)烘干系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：北京印刷學(xué)院, 2015.

[8]李艷，施向東.基于TRIZ理論的印刷裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例[M].北京：文化發(fā)展出版社，2017.