基于TRIZ與可拓學的膜過濾裝置優(yōu)化設(shè)計

向 宇，仲梁維，袁坤坤，喬秋飛，邵 煉

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引 言

膜分離技術(shù)被認為是21世紀最有前途、最有發(fā)展前景的重大高新技術(shù)之一，它在工業(yè)技術(shù)改造中起著戰(zhàn)略性作用［1］。然而，膜污染問題是目前影響膜應(yīng)用規(guī)模擴大的關(guān)鍵問題之一。它會導致膜通量持續(xù)降低，同時影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、能耗、膜的使用壽命和更換頻率，直接關(guān)系到膜過濾應(yīng)用工藝的經(jīng)濟性。國內(nèi)外膜技術(shù)研究學者也為此一直在尋找好的解決方案，比如錯流過濾、加強橫向流速、增加氣體反沖、加入阻垢劑、設(shè)置湍流器等，這些手段雖然在一定程度上降低了膜污染，提高了過濾效果，但還是沒從根本上解決問題，并且上述諸多方法中很少有通過對膜過濾裝置的創(chuàng)新設(shè)計來達到降低膜污染。

而近年來，產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計方法與理論研究得到快速發(fā)展，尤其是TRIZ理論與其它方法的集成，成為許多學者研究的重點［2］，并因此解決了許多技術(shù)問題。為此本文將TRIZ與可拓學相結(jié)合，提出了基于TRIZ與可拓學的產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計方法，并將其運用到傳統(tǒng)膜過濾裝置的創(chuàng)新優(yōu)化中，取得了不俗的效果。

1 基于TRIZ與可拓學相結(jié)合的產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計方法

1.1 TRIZ理論

TRIZ［3－4］是以前蘇聯(lián) G.S.Altshuller及其領(lǐng)導的一批研究人員在分析世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，提出的一種發(fā)明問題解決理論，它是一種創(chuàng)新型解決問題的理論。其主要目的是研究人類在進行發(fā)明創(chuàng)造和解決技術(shù)難題的過程中所遵循的科學原理和法則［5］。通過已有的矛盾矩陣、76個標準解、40個發(fā)明專利和ARIZ等來處理工程技術(shù)中的矛盾問題，其優(yōu)點就是TRIZ幾乎涉及所有的技術(shù)領(lǐng)域。近年來，很多世界級的大公司如波音、西門子、三星、福特、索尼、摩托羅拉、LG、惠普等利用TRIZ來進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，并取得巨大效益［6］。

1.2 可拓學

可拓學是由中國學者蔡文于1983年提出的一門原創(chuàng)性橫斷學科，它以形式化的模型，探討事物拓展的可能性以及開拓出新的規(guī)律與方法，并用于解決矛盾問題［7］?？赏貙W的基本理論是可拓論，它包括基元理論、可拓集合理論和可拓邏輯三個組成部分?？赏貙W以基元（包括物元、事元和關(guān)系元）為邏輯細胞，以可拓工程方法為研究手段［8］。

可拓學研究的目標是通過探討以形式化模型處理矛盾問題的規(guī)律，研究用計算機處理矛盾問題的基本理論與方法，以及計算機智能操作的推理技術(shù)，研制相應(yīng)的智能系統(tǒng)，解決多個領(lǐng)域中的矛盾問題。在創(chuàng)新應(yīng)用中主要通過以下4個步驟獲得創(chuàng)意，即可拓思維模型、拓展發(fā)散、可拓變換和優(yōu)度評價［9］。目前，可拓學已進入管理、控制、計算機、機械產(chǎn)品創(chuàng)新以及其他領(lǐng)域的研究應(yīng)用，并取得一系列的成果［10－11］。

1.3 基于可拓學與TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計方法

TRIZ關(guān)于矛盾的分類是具體的，對產(chǎn)品設(shè)計過程中技術(shù)與物理矛盾解決具有很強的現(xiàn)實指導意義和可操作性；而可拓學關(guān)于矛盾的分類是抽象的，可拓學具有更為寬廣和系統(tǒng)化的理論基礎(chǔ)。同時，創(chuàng)新原理與可拓推理在解決矛盾問題的方式上都有異曲同工之妙［12］?？梢姡琓RIZ與可拓學之間既存在差異，也具有內(nèi)在聯(lián)系。

因此將TRIZ與可拓學進行有機結(jié)合，歸納總結(jié)，取長補短，并提煉形成新的產(chǎn)品創(chuàng)新方法，其全過程具體步驟如下［13－14］：

（1）分析待創(chuàng)新的產(chǎn)品，找出阻礙產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新的技術(shù)矛盾或物理矛盾或主客觀矛盾；

（2）若阻礙產(chǎn)品創(chuàng)新的矛盾為物理矛盾或技術(shù)矛盾，進入步驟（3），若該矛盾為主客觀矛盾，直接進入步驟（4）；

（3）使用TRIZ矛盾矩陣表（標準矛盾矩陣表、期望參數(shù)改善的矛盾求解表、避免參數(shù)惡化的矛盾求解表、單一參數(shù)矛盾求解表）解決阻礙待創(chuàng)新產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)矛盾或物理矛盾，得到初步創(chuàng)新方案；

（4）進入可拓學菱形思維模型的發(fā)散過程，采用發(fā)散樹方法，分析由步驟（3）得到的初步創(chuàng)新方案，根據(jù)物元的發(fā)散性，進行可拓物元發(fā)散，得到發(fā)散方案集：方案1，方案2，……，方案n；

（5）進入可拓學菱形思維模型收斂過程，采用優(yōu)度評級法，對由步驟4得到的發(fā)散方案集進行可拓學優(yōu)度評價，并進行定性和定量分析，最后得到一個關(guān)于各發(fā)散方案的優(yōu)度序列，優(yōu)度較高的發(fā)散方案可以進行決策和實施階段，選取優(yōu)度最高的方案作為最佳首選方案；

（6）對由步驟（5）得到的最佳方案進行分析，若該方案不存在阻礙其創(chuàng)新的技術(shù)矛盾或物理矛盾，則其即為最終創(chuàng)新方案；若該方案仍存在阻礙其創(chuàng)新的技術(shù)矛盾或物理矛盾，則重復步驟（1），所得到的創(chuàng)新方案為最終創(chuàng)新方案。

對以上各步驟進行分析知TRIZ與可拓學相結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新評價方法的流程圖如圖1所示。

圖1 TRIZ與可拓學相結(jié)合的創(chuàng)新方法流程

2 基于TRIZ與可拓學的膜過濾裝置的創(chuàng)新與優(yōu)化

2.1 找出阻礙該產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)矛盾或物理矛盾

傳統(tǒng)膜分離技術(shù)的瓶頸問題－膜堵塞，不但會降低濾液的生產(chǎn)效率，同時造成膜污染，大大降低膜的使用壽命。因此，可以確定阻礙膜分離產(chǎn)品創(chuàng)新的矛盾是一對技術(shù)矛盾。TRIZ理論提出用39個通用工程參數(shù)對矛盾進行描述，從39個工程參數(shù)中選擇兩個進行表示。（1）希望改善的工程參數(shù)：生產(chǎn)率（NO.39）；（2）避免惡化的工程參數(shù)：物體產(chǎn)生的有害因素（NO.31）。至此，我們已把實際阻礙產(chǎn)品創(chuàng)新的矛盾轉(zhuǎn)化為標準的技術(shù)矛盾，為此后使用TRIZ矛盾矩陣解決產(chǎn)品創(chuàng)新問題奠定了基礎(chǔ)。

2.2 使用TRIZ方法獲得解決方案

使用TRIZ矛盾矩陣表得到所推薦的發(fā)明原理：35# 參數(shù)變化；22# 變有害為有益；18# 振動；39#惰性環(huán)境。經(jīng)過分析，我們選擇18#振動這一發(fā)明原理作為產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化的指導，通過添加振動的方式解決阻礙膜分離產(chǎn)品創(chuàng)新的矛盾。

2.3 TRIZ方法對膜過濾裝置的創(chuàng)新與優(yōu)化

通過18#發(fā)明原理指導即添加振動的方式，解決了膜分離技術(shù)的瓶頸問題－膜堵塞，實現(xiàn)了膜分離技術(shù)的創(chuàng)新。

創(chuàng)新型膜過濾裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由扭力桿及其上部圓柱形的過濾元件集合體及下部的振動器組成。在振動器上安裝有偏心塊，因而當驅(qū)動電機的動力經(jīng)傳動軸傳至振動器上時，偏心塊使重心偏離電機軸中心位置，形成偏心運動，該力使振動器在水平方向回轉(zhuǎn)，由于振動器的加重，造成了慣性矩。變頻電動機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，帶動底座的擺動，轉(zhuǎn)動的能量再通過中心主軸傳遞到裝置上部的膜組件使之擺動。這種擺動會使組件中的膜的振動產(chǎn)生剪切波，使需處理的液體中的雜質(zhì)處于懸浮狀態(tài)而從雜質(zhì)出口處排出，不會沉淀到膜表面上，也就消除了膜污染的問題［15］。

傳統(tǒng)過濾方式的特點是需要過濾的液體在膜面上流動，而濾膜是固定靜止不動的，這樣就極易造成膜污染，如圖3所示。而創(chuàng)新型膜過濾裝置中的膜組件是動態(tài)的，它能夠產(chǎn)生150 000 s－1的剪切力，比傳統(tǒng)的錯流式系統(tǒng)的剪切力大10倍，使需要處理的液體中的雜質(zhì)處于懸浮狀態(tài)而從雜質(zhì)出口處排出，不會沉淀到膜表面上，也就消除了膜污染的問題，如圖4所示。

2.4 膜過濾裝置膜組件物元模型的建立

圖3 靜態(tài)濾膜分離示意圖

圖4 振動濾膜分離示意圖

把膜以某種形式組裝在一個基本單元設(shè)備內(nèi)，以便使用、安裝、維修。這種基本單元設(shè)備叫膜組件。在選擇膜組件的衡量條件中，價格、裝填密度、清洗容易程度、膜更換容易程度、壓力降等因素起了主要作用，因此其選擇為主觀矛盾。在可拓評價過程中，應(yīng)著重考慮這幾個因素?？蓪⑺鼈冏鳛槟そM件的特征，根據(jù)各個特征值對膜過濾裝置膜組件進行評價。膜組件用物元可以表示為：

2.5 膜組件菱形可拓思維模型建立

膜組件經(jīng)過物元分析后，建立膜組件菱形可拓思維模型。采用單級菱形思維模型，對膜組件物元模型進行分析，采用先發(fā)散后收斂的菱形可拓思維模式，對合適的評價方法進行篩選，最后得到最佳評價方案。

（1）膜組件的可拓學發(fā)散過程

由物元的發(fā)散性，基于發(fā)散樹的一般模型，得到膜組件的物元表示形式為：

由（膜組件Nx，c，c（Nx））這一物元，根據(jù)發(fā)散樹的一般模型，由此發(fā)散出板框式膜組件、螺旋卷式膜組件、管狀膜組件、中空纖維膜組件四種膜組件供篩選，得出膜組件方案集U，即U?｛R1，R2，R3，R4｝。四種膜組件比較如表1所示。

（2）膜組件的可拓收斂過程

由可拓學發(fā)散樹方法，可以得到四種不同的膜組件選擇方案。下面使用可拓學優(yōu)度評價方法作為膜組件的收斂過程，以上述四種方案為對象，對膜組件方案集U進行優(yōu)度評價，得出最佳選擇方案。

表1 四種膜組件比較表

一共有四種膜組件方案可供選擇，每種方案有5個評價指標（特征）：c1＝價格（元／m3），c2＝裝填密度（m2／m3），c3＝清洗容易程度，c4＝膜更換容易程度，c5＝壓力降。其具體評價指標量值如表2所示。

表2 四種膜組件選擇方案評價指標量值表

首先采用模糊量化的思想將定性數(shù)據(jù)量化，將評價指標c3、c4量化為9級：［最難，很難，難，較難，一般，較易，易，很 易，最 易］，分 別 對 應(yīng) ［0，0.125，0.25，0.375，0.5，0.625，0.75，0.875，1］，同樣將評價指標c5量化為9級。

為了能夠量化評價，如果出現(xiàn)定性指標，則需要先用其他方法將其數(shù)量化；對于既含有最大值最優(yōu)也有最小值最優(yōu)指標的方案，通常轉(zhuǎn)化為單方向最優(yōu)，如最大值最優(yōu)或最小值最優(yōu)，這里采用最大值最優(yōu)。提出如下數(shù)據(jù)處理方法：

式中x，y分別為處理前和處理后的數(shù)據(jù)，λ為比例因數(shù)，用于調(diào)節(jié)數(shù)值范圍。

然后用上式對數(shù)據(jù)進行處理，取λ＝0.95，處理后的4個方案所對應(yīng)的數(shù)值物元為：

最后依據(jù)可拓優(yōu)度評價方法的步驟，計算出各方案的規(guī)范合格度和優(yōu)度：Cj＝［0.38890952，0.091392055，0.54117453，0.28282997］，則各方案的相對優(yōu)先次序為：管狀膜組件＞板框式膜組件＞中空纖維膜組件＞螺旋卷式膜組件，由此得出優(yōu)度得分為0.54117453所對應(yīng)的方案：管狀膜組件為最佳可選方案。

經(jīng)上述創(chuàng)新設(shè)計方法設(shè)計出的創(chuàng)新型膜過濾裝置已經(jīng)申請國家實用新型專利，并成功獲得授權(quán)。

3 結(jié)束語

（1）提出了基于可拓學與TRIZ相結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新評價方法，并歸納出該產(chǎn)品創(chuàng)新評價方法的流程；最后將該方法引入膜過濾裝置的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計中來。按此方法所優(yōu)化設(shè)計的膜過濾裝置能夠巧妙地避免傳統(tǒng)膜過濾裝置的缺點，取得不俗的效果。

（2）膜過濾裝置的優(yōu)化設(shè)計，驗證了該方法的有效性與實用性，這將給其他產(chǎn)品的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計提供新的理論和方法。

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