基于TRIZ創(chuàng)新原理的炭化裝備設(shè)計(jì)

王 勇

（泰安市人才交流服務(wù)中心，山東泰安 271000）

1 研究背景

羊毛纖維中一般帶有草葉等植物性雜質(zhì)。這些植物性雜質(zhì)會(huì)給紡織后整理過程帶來較大困難并影響到產(chǎn)品的最終質(zhì)量。目前，除雜方式主要有人工除雜和化學(xué)除雜兩種不同的方式。人工除雜既浪費(fèi)時(shí)間，又不易除凈，除雜質(zhì)量得不到保障?；瘜W(xué)除雜效果較好，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但需要控制好化學(xué)品的用量和反應(yīng)時(shí)間?；瘜W(xué)反應(yīng)時(shí)間過長，化學(xué)品用量過高，容易損傷織物纖維結(jié)構(gòu)［1］。

炭化是把含有植物性雜質(zhì)的羊毛織物浸于硫酸液中，經(jīng)充分的反應(yīng)及軋酸、高溫烘烤后，使植物性雜質(zhì)得到去除的工藝。市場上較為常見的是散毛炭化工藝及毛條炭化工藝，這兩種工藝主要是針對羊毛原料進(jìn)行炭化處理。本研究的主要對象為匹布炭化（簡稱“匹炭化”）工藝及裝備。由于毛紡廠應(yīng)用較少，設(shè)備廠家對此沒有過多的研究，在文獻(xiàn)中亦沒有過多的報(bào)道。網(wǎng)站上零星報(bào)道20 世紀(jì)80 年代北京呢絨廠對羊毛炭化機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，主要是采用花崗巖代替不銹鋼酸槽，以提高耐腐蝕性。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，不銹鋼的耐腐蝕性得到很大提升，且焊接性好，更能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)。

根據(jù)不同的工藝路線，匹炭化分為縮前炭化、染前炭化和染后炭化。織物匹炭化主要由以下5 個(gè)工序組成：（1）浸酸。酸液的濃度與浸酸時(shí)間應(yīng)根據(jù)植物性雜質(zhì)的大小、數(shù)量和織物的單位面積質(zhì)量而定。加入耐酸的滲透劑可使織物浸酸均勻，加快酸液的滲透速率。（2）軋酸。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，本裝備采用軋輥脫酸工藝。軋酸主要控制含酸均勻性及帶液量。（3）烘焙?？椢锖姹河袃蓚€(gè)作用，即烘干織物和使草質(zhì)炭化。通常含濕大、溫度高的條件對羊毛損傷大，因此烘焙一般先進(jìn)入溫度較低的烘房，將織物干燥，然后再高溫短時(shí)間烘焙，使草質(zhì)炭化。（4）軋?zhí)?。烘焙后的織物?yīng)及時(shí)進(jìn)行軋?zhí)浚匀コ惶炕牟葙|(zhì)。（5）中和。織物經(jīng)軋?zhí)亢?，投入洗呢機(jī)或匹布染色機(jī)中，以中和余酸。

2 創(chuàng)新原理的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地及設(shè)備投入在企業(yè)生產(chǎn)過程中的成本占比越來越高。炭化工序由于硫酸蒸汽的存在，一般會(huì)在單獨(dú)的房間內(nèi)進(jìn)行，面積較小。故不能單純靠增加設(shè)備數(shù)量來滿足產(chǎn)能?？椢镌诹蛩嶂械幕瘜W(xué)反應(yīng)時(shí)間不能太短，否則會(huì)造成炭化效果不佳；同樣，織物在硫酸中的浸漬時(shí)間也不能太長，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)率過低。

TRIZ 理論是蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒發(fā)明并不斷完善的［2-3］。根據(jù)TRIZ 系統(tǒng)理論，我們可以從矛盾矩陣中找到解決問題的思路［4］。把炭化裝備看作是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，這個(gè)技術(shù)系統(tǒng)存在“生產(chǎn)率”和“可靠性”兩個(gè)工程參數(shù)。由于“生產(chǎn)率”這一參數(shù)提高后會(huì)降低“可靠性”這一參數(shù)，故認(rèn)為該系統(tǒng)存在這一對技術(shù)矛盾。矛盾矩陣中的縱列（改善的參數(shù)）第39號“生產(chǎn)率”和橫列（惡化的參數(shù)）第27 號“可靠性”相交的方格中，有4 項(xiàng)推薦的創(chuàng)新原理序號：第1 號、第10號、第35號、第38號。

第1 號創(chuàng)新原理是分割原理。根據(jù)這一原理，可以把浸酸槽當(dāng)成多個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，使浸酸單元采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝需求，使布匹依次經(jīng)過不同的浸酸槽，增加織物的容布量，達(dá)到一定的炭化效果。另外可在浸酸槽提升架的上部和下部分別排布若干導(dǎo)布輥筒，使織物在浸酸槽的穿布路徑上下依次交錯(cuò)進(jìn)行傳遞，使浸酸槽的織物容布量得到提升。

第10 號創(chuàng)新原理是預(yù)先作用原理。根據(jù)這一原理，可以在炭化時(shí)的酸液中加入表面活性劑。表面活性劑可以使酸液在織物上擴(kuò)散均勻，減少纖維損傷。

第35 號創(chuàng)新原理是改變物質(zhì)性質(zhì)原理（性能轉(zhuǎn)化法）。根據(jù)這一原理，可以考慮增加硫酸的濃度，使炭化效果增大。但增加硫酸濃度達(dá)到一定的極限后，會(huì)損壞羊毛纖維織物，故硫酸濃度不能無限增加。

第38 號創(chuàng)新原理是加速氧化原理（逐級氧化法）。從這一原理出發(fā)，沒有得出合適的技術(shù)方案。

在以上創(chuàng)新原理方案中，最終選擇并采取了增加浸漬容布量及使用表面活性劑的方案，較好地解決了“生產(chǎn)率”和“可靠性”這一對技術(shù)矛盾。

運(yùn)用TRIZ 創(chuàng)新原理，設(shè)計(jì)的匹炭化設(shè)備如圖1所示。

3 創(chuàng)新原理與具體結(jié)構(gòu)的結(jié)合

基于前述TRIZ 創(chuàng)新原理，炭化裝備在設(shè)計(jì)過程中亦有其他方面的應(yīng)用，具體如下：

3.1 抽取原理（提取法）

實(shí)例：炭化利用硫酸對植物性雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)去除。由于不銹鋼對硫酸有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，且便于加工成浸酸槽和過濾槽，故采用不銹鋼材質(zhì)制作炭化機(jī)本體。

3.2 局部性質(zhì)原理

實(shí)例：炭化機(jī)沿穿布路徑由上布單元、浸酸單元、軋酸單元、出布單元組成。上布單元主要由張力架、對中輥、過渡輥組成，起引導(dǎo)布匹進(jìn)入浸酸單元的作用。浸酸單元作為炭化機(jī)的主要功能部件，起到去除植物性雜質(zhì)的作用。軋酸單元作為出布單元的前道工序，主要是去除多余硫酸，減少硫酸的消耗，另外起到提供織物牽引力的作用。出布單元將炭化后的織物進(jìn)行出布。

3.3 非對稱原理

實(shí)例：軋酸單元由上下兩個(gè)輥組成，兩個(gè)輥的硬度有所不同，一硬一軟，否則軋酸效果不明顯。兩個(gè)輥硬度都低的話，軋酸效果差，織物含酸量高；硬度都高的話，容易損傷織物。

3.4 反質(zhì)量原理

實(shí)例：為方便穿引布，浸酸單元中的上下若干個(gè)輥筒固定在提升架上。在浸酸槽外部由設(shè)備兩側(cè)的氣缸連接提升架頂部。在頂升過程中，浸酸槽外部配置的配重可以提供部分頂升力。配置配重可減少氣缸的缸徑，降低成本。

3.5 預(yù)先作用

實(shí)例：織物在浸酸槽穿布較復(fù)雜且硫酸環(huán)境具備一定的腐蝕危險(xiǎn)性，故采取引布進(jìn)行穿布的方式。即當(dāng)前道織物即將加工完成時(shí)，在末端用縫紉的方式把引布連接上，當(dāng)后續(xù)織物繼續(xù)生產(chǎn)時(shí)，可直接連接上該引布，避免重復(fù)勞動(dòng)。

3.6 預(yù)先應(yīng)急措施原理（預(yù)先防范法）

實(shí)例：浸酸槽與過濾槽分開獨(dú)立設(shè)計(jì)。隨著織物的不斷前進(jìn)，在軋酸單元作用下，酸液軋至過濾槽。在對浸酸槽底部硫酸進(jìn)行過濾時(shí)，需要把硫酸從浸酸槽抽取至過濾槽，使硫酸在過濾槽中得到過濾。待過濾板上的雜質(zhì)積累到一定量時(shí)，人工對雜質(zhì)進(jìn)行去除。

3.7 等勢原理

實(shí)例1：浸酸槽中配置耐腐蝕液位傳感器，當(dāng)浸酸槽的硫酸達(dá)到上液位時(shí)，由泵和管路系統(tǒng)組成的自動(dòng)加硫酸模塊功能關(guān)閉。當(dāng)浸酸槽的硫酸液位達(dá)到下液位時(shí)，自動(dòng)加硫酸功能開啟，向浸酸槽內(nèi)加硫酸，使浸酸槽的硫酸總量始終保持在一定的范圍內(nèi)。

實(shí)例2：過濾槽一般比浸酸槽高，過濾槽的液體可以在重力的作用下，經(jīng)過濾板流入浸酸槽，不用單獨(dú)配置動(dòng)力系統(tǒng)。

3.8 局部作用或過量作用原理

實(shí)例1：軋酸單元，軋輥利用一定的壓力把織物中帶出的酸軋掉。

實(shí)例2：匹檢時(shí)，人工把織物中較大的植物性雜質(zhì)去除。細(xì)小的植物性雜質(zhì)會(huì)在炭化機(jī)上去除。這樣的工作方式既可以快速、有效地去除雜質(zhì)，又可以最大限度地減少對纖維的損傷。

3.9 反饋原理

實(shí)例：浸酸槽配置硫酸濃度檢測儀。當(dāng)硫酸濃度過低時(shí)，需要自動(dòng)加高濃度硫酸與浸酸槽中的低濃度硫酸混合，達(dá)到炭化要求的硫酸濃度并穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

3.10 拋棄或修復(fù)原理（自生自棄法）

實(shí)例：浸酸槽的硫酸隨著織物炭化作用的進(jìn)行，其濃度逐漸降低。在車速保持不變的情況下，織物在硫酸中的炭化效果會(huì)逐漸變差。根據(jù)實(shí)時(shí)測量硫酸濃度的值，設(shè)計(jì)自動(dòng)補(bǔ)酸系統(tǒng)，使硫酸濃度保持在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到均勻的炭化效果。

4 結(jié)論

TRIZ 創(chuàng)新原理之間不是相互獨(dú)立，而是有一定的相關(guān)性。如結(jié)合第3.6 預(yù)先應(yīng)急措施原理和第3.7等勢原理，設(shè)計(jì)了過濾槽結(jié)構(gòu)，利用自重自流的方式，節(jié)省了泵系統(tǒng)。又如結(jié)合前述第3.9 反饋原理和3.10拋棄或修復(fù)原理，設(shè)計(jì)出適合炭化工藝的自動(dòng)加硫酸系統(tǒng)，使硫酸濃度及酸量保持在合理的范圍。

基于TRIZ 理論40 個(gè)創(chuàng)新原理的研究應(yīng)用，研制了新型炭化裝備，該裝備獲得發(fā)明專利1 項(xiàng)，實(shí)用新型專利3 項(xiàng)。經(jīng)炭化裝備處理后的織物含植物性雜質(zhì)的概率得到大幅度降低，一定程度上提升了產(chǎn)品的附加值，對提高生產(chǎn)效率有重要意義。