TRIZ案例-運用提高理想度法則創(chuàng)新塑鋼復合排水管材7

運用提高理想度法則創(chuàng)新塑鋼復合排水管材

1.前言TRIZ的一個基本觀點是“系統(tǒng)是朝著不斷增加的理想狀態(tài)進化的”。技術系統(tǒng)理想狀態(tài)包括3個方面內(nèi)容：一是系統(tǒng)的主要目的，是提供一定的功能；二是任何系統(tǒng)都是朝著理想化方向發(fā)展的，也就是向著更可靠、簡單有效的方向發(fā)展；三是理想化意味著系統(tǒng)或子系統(tǒng)中現(xiàn)有資源的最優(yōu)利用。對于理想化，TRIZ理論還認為，發(fā)明創(chuàng)造是有級別的。高級別產(chǎn)品的發(fā)明不僅需要設計人員自身的素質(zhì)，更需要行業(yè)以外或全人類的已有研究成果，企業(yè)要不斷地吸收不同行業(yè)的知識創(chuàng)新成果，并在自己的產(chǎn)品中應用，以永遠保持優(yōu)質(zhì)企業(yè)的市場競爭力。發(fā)明創(chuàng)造的理想狀態(tài)是理想解的實現(xiàn)，盡可能使企業(yè)的產(chǎn)品接近于理想解是產(chǎn)品創(chuàng)新的指導思想。2.問題描述隨著國家環(huán)境保護力度的加大，傳統(tǒng)的水泥管正在逐步退出市場，上世紀90年代后期，新型替代產(chǎn)品--各類環(huán)保排水管材開始在工程上應用。在排污管道領域，應用較多是塑料管，如PVC雙壁波紋管、PE雙壁波紋管、HDPE纏繞結構壁管。近幾年，采用歐州瑞士與美國技術制做的鍍鋅螺旋鋼管開始進入國內(nèi)市場，廣泛應用于通風，雨水管道系統(tǒng)中，由于受防腐性能限制，還沒有大量進入污水管道工程。分析以上兩類管材的性能差別，主要是由于材質(zhì)不同，所以兩類管材性能上具有的優(yōu)勢不同，鍍鋅螺旋鋼管優(yōu)點是環(huán)剛度較大，耗材較少，不足是防腐性能一般，并且不耐磨損；塑料管優(yōu)點是耐腐蝕、耐磨損，但環(huán)剛度提高受限，耗材較多。3.提高理想度3.1“理想機器”米哈伊爾.奧爾洛夫教授在《發(fā)明問題解決基礎》“發(fā)明戰(zhàn)略”篇中說：制造人工（技術）系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件、零件、元件和材料都是為了完成有效（積極）功能（PF-positivefunction）。其中的一個功能可能稱作主要功能（MPF-mainpositivefunction），它決定整個系統(tǒng)（子系統(tǒng)、組件、零件、元件、材料）的任務。其它有效功能屬于補充或輔助功能。系統(tǒng)中有不良（消極）功能（NF-negativefunction），相應的還有主要消極功能（MNF-mainnegativefunction），這是系統(tǒng)發(fā)展途中的主要障礙。消極功能NF會降低系統(tǒng)完成有效功能的程度，或者出現(xiàn)其它不良效應，比如，對于環(huán)境系統(tǒng)來說。技術系統(tǒng)發(fā)展中的一個主要指標是系統(tǒng)尺寸大小的變化情況。這種發(fā)展可能朝向兩個方向：增加的方向和減少的方向。例如，對于許多交通和加工機械，最典型的就是增加尺寸（步進式挖掘機、油船-干貨船或石油運輸工具、民航飛機或貨運飛機等）。檢測測量儀器、通信工具、電腦等則相反，它們具有最小化的趨勢。這種現(xiàn)象在TRIZ理論中也指出并分析過，并引導出一個極具建設性的概念“理想機器”?！袄硐霗C器”（IM-idealmachine）這個概念在TRIZ理論中是一個有效比喻，如同“理想功能模式”和“最終理想結果”概念一樣，似乎它將后者具體化。然而，這個比喻擁有非常基礎性的依據(jù)，該依據(jù)首次在TRIZ理論中明確形成并得到建設性的應用。用最敏銳及比喻的方式，對定義表述如下：理想機器是這樣一種解決方式：當達到理想結果時，機器本身并不存在?；蛘撸豪硐霗C器是這樣一種解決方式：當主要有效功能達到時，花費為零。

這里指的是：機器應當為零重量，零尺寸、零價值、能量的零需求、零排廢等等。當然，TRIZ理論中的最終理想結果并不是什么隨意的魔幻結果，它是一種完全明確而堅決的要求，即在不用毫無根據(jù)地使用附加資源、貴重資源或很難得到的資源的前提下得到需要的有效功能模式。這里應當指出，效率概念本身就不庸俗。而且效率是一個復雜的概念進化系統(tǒng)。但是，盡管效率評價方法不同，技術系統(tǒng)的“理想化”增長是朝著下列戰(zhàn)略方向發(fā)展的：1.系統(tǒng)完成的功能數(shù)量增加。2.完成功能的質(zhì)量提高，通黨表現(xiàn)為主要“參數(shù)”的增長，例如：速度、功率、生產(chǎn)率等。3.降低生產(chǎn)和使用系統(tǒng)、使用期結束時（即在技術系統(tǒng)生命周期內(nèi)）消除系統(tǒng)方面所有形式的開銷。4.減少對環(huán)境系統(tǒng)和環(huán)境的消極作用?，F(xiàn)在我們來研究一下技術系統(tǒng)中和TRIZ理論中采用的效率評價公式：

E=

積極效應總和/

消極效應總和

對系統(tǒng)生命周期內(nèi)系統(tǒng)目的、用途的任何評價都屬于積極效應（因素）。取得積極效應所用開支，以及環(huán)境或其它系統(tǒng)受到損害都屬于消極效應（因素）。效應E-評價結果的能用辦法。

如果達到目的的開支很大，那么這種解決辦法是低效方法。目的達到且開支可以接受的解決方法，屬于有效或至少是過得去的方法。如果在達到目的的同時，又得到了額外的、之前未預料到的好處，這種解決方法被認為是高效方法。額外的好處在TRIZ理論中被稱作“超效”正是這種解決方法被稱之為發(fā)明方法。也正是這樣的解決方法首先引起了我們的興趣。3.2提高理想度污水管道系統(tǒng)要求管材具有較高的可靠性，由于管材要承受靜荷載、動荷載，所以要求管材要具有較高的環(huán)剛度；由于污水具有一定的酸堿度并拌有沙土等，所以要求管材既要耐腐蝕，又要耐磨損。從剛度角度講，使用鋼管有優(yōu)勢，但要耐腐蝕，必須增加管壁厚度，剛度與耗材料矛盾突出；從耐腐蝕耐磨損角度講，使用塑料管有優(yōu)勢，但當口徑超大到一定值時，剛度與耗材矛盾突出。

污水管材的理想度=

可靠性（剛度+耐腐蝕）/

材料消耗+磨損+有害介質(zhì)

從提高理想度法則出發(fā)，在提高管材可靠性的同時，應降低材料消耗，減輕介質(zhì)對管內(nèi)壁的流動磨損和減少有害介質(zhì)的濃度。從塑料材料力學理論考慮，要提高其彈性模量受限，只能另辟新徑采用增強設計，但增強設計只是一個實現(xiàn)理想化的命題，究竟應采取怎樣的設計方案并使之最接近理想解呢？3.3建立理想模型理想化是科學研究中創(chuàng)造性思維的基本方法之一。理想化方法最為關鍵的部分是思想實驗，或稱理想實驗。理想化方法的另一個關鍵部分是如何設立理想模型。理想模型建立的根本指導思想是最優(yōu)化原則，即在經(jīng)驗的基礎上設計最優(yōu)的模型結構，同時也要充分考慮到現(xiàn)實存在的各種變量的容忍程度，把理想化與現(xiàn)實性結合起來。理想中的優(yōu)化模型往往具有超前性，這是創(chuàng)新的標志。但是超前性只有在現(xiàn)實條件所容許的情況下，其模型的構造才具有可行性。建立理想模型：一種管材，既具有鋼管的高剛度性能，又具有塑料管的耐腐蝕、耐磨損性能。4.解決技術矛盾4.1以塑料管為例塑料管要提高環(huán)剛度，就要增加耗材，技術矛盾是既要提高管材強度，單位重量還要下降。以強度為改善的參數(shù)，以運動物體的重量為惡化的參數(shù)，交叉之處有4個創(chuàng)新原則--即1號、8號、15號、40號可供選擇。4.1.1創(chuàng)新原則分析與選用1號分割原則：⑴將物體分成獨立的部分。⑵使物體成為可拆卸的。⑶增加物體的分割程度。8號反重量原則：⑴將物體與具有上升力的另一物體結合以抵消基重量。⑵將物體與介質(zhì)（最好是氣動力和液動力）相互作用以抵消其重量。15號動態(tài)原則：⑴物體（或外部介質(zhì)）的特性的變化應當在每一工作階段都是最佳的。⑵將物體分成彼此相對移動的幾個部分。⑶使不動的物體成為動的。40號復合材料原則：用復合材料替代單一材料。4.1.2分析后，選擇40號創(chuàng)新原則—復合材料法。4.2以鍍鋅鋼管為例鍍鋅螺旋鋼管本身強度好，但不耐腐蝕，不耐磨損，可靠性下降，至使使用壽命降低，因此要改善耐腐蝕、耐磨損性能，即提高可靠性，就要增加鍍鋅層和鋼板厚度，使運動物體重量向惡化方向發(fā)展。技術矛盾為可靠性與運動物體重量，查技術矛盾基本特性參數(shù)表，可得出3號、8號、10號、40號創(chuàng)新原則供選擇。4.2.1創(chuàng)新原則分析與選用3號局部性質(zhì)原則:⑴從物體或外部介質(zhì)（外部作用）的一致結構過渡到不一致結構。⑵使物體的不同部分具有不同的功能。⑶物體的每部分均應具備最適于它工作的條件。8號反重量原則：⑴將物體與具有上升力的另一物體結合以抵消基重量。⑵將物體與介質(zhì)（最好是氣動力和液動力）相互作用以抵消其重量。10號預先作用原則：⑴預先完成要求的作用（整個的或部分的）。⑵預先將物體安放妥當，使它們能在現(xiàn)場和最方便地點立即完成所起的作用。40號復合材料原則：用復合材料替代單一材料。4.2.2分析后，選擇40號創(chuàng)新原則—復合材料法。5.專業(yè)技術原理分析5.1塑鋼復合理論依據(jù)高密度聚乙烯（HDPE）性狀:密度為0.941～0.970g/cm3，熔點131℃，有較好的耐磨性、耐寒性、透氣性、不HDPE具有很好的抗沖擊性、耐腐蝕性在埋地應用上倍受歡迎，然而由于它較低的彈性模量值，使其在用于大口徑管道時，遇到一個不可克服的瓶頸--管環(huán)剛度無法提升到符合要求。按照ISO的定義，環(huán)剛度由下式表述：SN=EI/D3當直徑D增加1倍，環(huán)剛度SN要降低8倍。因而做2000㎜口徑的管與做500㎜口徑的管技術上的難度不可同日而語。因為直徑D增加了4倍使得環(huán)剛度減少64倍。若要保持環(huán)剛度SN不變，必須通過增加截面慣性矩I或材料彈性模量E至相當倍數(shù)，以抵消直徑增加的影響。而單靠增加I值是不現(xiàn)實的，因為幾十倍I值的增加，意味著材料成本成數(shù)十倍的增加，同時當I值增加到一定程度時工藝技術必遭遇難以實現(xiàn)的問題。故必需同時在提升E值方面做文章，才能實現(xiàn)SN值的保持。鋼材的高彈性模量剛好使它能夠擔此重任。以下是鋼與HDPE的彈性模量比較。

鋼與HDPE的彈性模量比較表材料短期彈性模量Eb長期彈性模量EblHDPE（PE63）758MPa110Mpa鋼20700MPa20700MPa可見長期條件下，鋼的彈性模量是HDPE的近200倍。鋼的這一卓越性能是鋼塑復合的理論基礎。5.2關鍵技術實現(xiàn)依據(jù)以金屬材料與高分子材料復合理論為指導，采用二層共擠技術復合壓延工藝，制成塑料（PVC、PE、PP）膜，再與鍍鋅鋼板采用熔融粘貼的工藝制成塑鋼復合板材，再以塑鋼復合板材為原材料，在專用成管設備上制成塑鋼復合螺旋波紋管材。圖示說明：1鍍鋅鋁合金鋼板2塑料片層3黏結層6.結束語把所研究的對象理想化是自然科學的基本方法之一。理想化是對客觀世界中所存在物體的一種抽象，這種抽象客觀世界既不存在，又不能通過實驗驗證。理想化的物體是真實物體存在的一種極限狀態(tài)，對于某些研究起