TRIZ案例-运用提高理想度法则创新塑钢复合排水管材7

运用提高理想度法则创新塑钢复合排水管材

1.前言TRIZ的一个基本观点是“系统是朝着不断增加的理想状态进化的”。技术系统理想状态包括3个方面内容：一是系统的主要目的，是提供一定的功能；二是任何系统都是朝着理想化方向发展的，也就是向着更可靠、简单有效的方向发展；三是理想化意味着系统或子系统中现有资源的最优利用。对于理想化，TRIZ理论还认为，发明创造是有级别的。高级别产品的发明不仅需要设计人员自身的素质，更需要行业以外或全人类的已有研究成果，企业要不断地吸收不同行业的知识创新成果，并在自己的产品中应用，以永远保持优质企业的市场竞争力。发明创造的理想状态是理想解的实现，尽可能使企业的产品接近于理想解是产品创新的指导思想。2.问题描述随着国家环境保护力度的加大，传统的水泥管正在逐步退出市场，上世纪90年代后期，新型替代产品--各类环保排水管材开始在工程上应用。在排污管道领域，应用较多是塑料管，如PVC双壁波纹管、PE双壁波纹管、HDPE缠绕结构壁管。近几年，采用欧州瑞士与美国技术制做的镀锌螺旋钢管开始进入国内市场，广泛应用于通风，雨水管道系统中，由于受防腐性能限制，还没有大量进入污水管道工程。分析以上两类管材的性能差别，主要是由于材质不同，所以两类管材性能上具有的优势不同，镀锌螺旋钢管优点是环刚度较大，耗材较少，不足是防腐性能一般，并且不耐磨损；塑料管优点是耐腐蚀、耐磨损，但环刚度提高受限，耗材较多。3.提高理想度3.1“理想机器”米哈伊尔.奥尔洛夫教授在《发明问题解决基础》“发明战略”篇中说：制造人工（技术）系统、子系统、组件、零件、元件和材料都是为了完成有效（积极）功能（PF-positivefunction）。其中的一个功能可能称作主要功能（MPF-mainpositivefunction），它决定整个系统（子系统、组件、零件、元件、材料）的任务。其它有效功能属于补充或辅助功能。系统中有不良（消极）功能（NF-negativefunction），相应的还有主要消极功能（MNF-mainnegativefunction），这是系统发展途中的主要障碍。消极功能NF会降低系统完成有效功能的程度，或者出现其它不良效应，比如，对于环境系统来说。技术系统发展中的一个主要指标是系统尺寸大小的变化情况。这种发展可能朝向两个方向：增加的方向和减少的方向。例如，对于许多交通和加工机械，最典型的就是增加尺寸（步进式挖掘机、油船-干货船或石油运输工具、民航飞机或货运飞机等）。检测测量仪器、通信工具、电脑等则相反，它们具有最小化的趋势。这种现象在TRIZ理论中也指出并分析过，并引导出一个极具建设性的概念“理想机器”。“理想机器”（IM-idealmachine）这个概念在TRIZ理论中是一个有效比喻，如同“理想功能模式”和“最终理想结果”概念一样，似乎它将后者具体化。然而，这个比喻拥有非常基础性的依据，该依据首次在TRIZ理论中明确形成并得到建设性的应用。用最敏锐及比喻的方式，对定义表述如下：理想机器是这样一种解决方式：当达到理想结果时，机器本身并不存在。或者：理想机器是这样一种解决方式：当主要有效功能达到时，花费为零。

这里指的是：机器应当为零重量，零尺寸、零价值、能量的零需求、零排废等等。当然，TRIZ理论中的最终理想结果并不是什么随意的魔幻结果，它是一种完全明确而坚决的要求，即在不用毫无根据地使用附加资源、贵重资源或很难得到的资源的前提下得到需要的有效功能模式。这里应当指出，效率概念本身就不庸俗。而且效率是一个复杂的概念进化系统。但是，尽管效率评价方法不同，技术系统的“理想化”增长是朝着下列战略方向发展的：1.系统完成的功能数量增加。2.完成功能的质量提高，通党表现为主要“参数”的增长，例如：速度、功率、生产率等。3.降低生产和使用系统、使用期结束时（即在技术系统生命周期内）消除系统方面所有形式的开销。4.减少对环境系统和环境的消极作用。现在我们来研究一下技术系统中和TRIZ理论中采用的效率评价公式：

E=

积极效应总和/

消极效应总和

对系统生命周期内系统目的、用途的任何评价都属于积极效应（因素）。取得积极效应所用开支，以及环境或其它系统受到损害都属于消极效应（因素）。效应E-评价结果的能用办法。

如果达到目的的开支很大，那么这种解决办法是低效方法。目的达到且开支可以接受的解决方法，属于有效或至少是过得去的方法。如果在达到目的的同时，又得到了额外的、之前未预料到的好处，这种解决方法被认为是高效方法。额外的好处在TRIZ理论中被称作“超效”正是这种解决方法被称之为发明方法。也正是这样的解决方法首先引起了我们的兴趣。3.2提高理想度污水管道系统要求管材具有较高的可靠性，由于管材要承受静荷载、动荷载，所以要求管材要具有较高的环刚度；由于污水具有一定的酸碱度并拌有沙土等，所以要求管材既要耐腐蚀，又要耐磨损。从刚度角度讲，使用钢管有优势，但要耐腐蚀，必须增加管壁厚度，刚度与耗材料矛盾突出；从耐腐蚀耐磨损角度讲，使用塑料管有优势，但当口径超大到一定值时，刚度与耗材矛盾突出。

污水管材的理想度=

可靠性（刚度+耐腐蚀）/

材料消耗+磨损+有害介质

从提高理想度法则出发，在提高管材可靠性的同时，应降低材料消耗，减轻介质对管内壁的流动磨损和减少有害介质的浓度。从塑料材料力学理论考虑，要提高其弹性模量受限，只能另辟新径采用增强设计，但增强设计只是一个实现理想化的命题，究竟应采取怎样的设计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学研究中创造性思维的基本方法之一。理想化方法最为关键的部分是思想实验，或称理想实验。理想化方法的另一个关键部分是如何设立理想模型。理想模型建立的根本指导思想是最优化原则，即在经验的基础上设计最优的模型结构，同时也要充分考虑到现实存在的各种变量的容忍程度，把理想化与现实性结合起来。理想中的优化模型往往具有超前性，这是创新的标志。但是超前性只有在现实条件所容许的情况下，其模型的构造才具有可行性。建立理想模型：一种管材，既具有钢管的高刚度性能，又具有塑料管的耐腐蚀、耐磨损性能。4.解决技术矛盾4.1以塑料管为例塑料管要提高环刚度，就要增加耗材，技术矛盾是既要提高管材强度，单位重量还要下降。以强度为改善的参数，以运动物体的重量为恶化的参数，交叉之处有4个创新原则--即1号、8号、15号、40号可供选择。4.1.1创新原则分析与选用1号分割原则：⑴将物体分成独立的部分。⑵使物体成为可拆卸的。⑶增加物体的分割程度。8号反重量原则：⑴将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消基重量。⑵将物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作用以抵消其重量。15号动态原则：⑴物体（或外部介质）的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的。⑵将物体分成彼此相对移动的几个部分。⑶使不动的物体成为动的。40号复合材料原则：用复合材料替代单一材料。4.1.2分析后，选择40号创新原则—复合材料法。4.2以镀锌钢管为例镀锌螺旋钢管本身强度好，但不耐腐蚀，不耐磨损，可靠性下降，至使使用寿命降低，因此要改善耐腐蚀、耐磨损性能，即提高可靠性，就要增加镀锌层和钢板厚度，使运动物体重量向恶化方向发展。技术矛盾为可靠性与运动物体重量，查技术矛盾基本特性参数表，可得出3号、8号、10号、40号创新原则供选择。4.2.1创新原则分析与选用3号局部性质原则:⑴从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构。⑵使物体的不同部分具有不同的功能。⑶物体的每部分均应具备最适于它工作的条件。8号反重量原则：⑴将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消基重量。⑵将物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作用以抵消其重量。10号预先作用原则：⑴预先完成要求的作用（整个的或部分的）。⑵预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所起的作用。40号复合材料原则：用复合材料替代单一材料。4.2.2分析后，选择40号创新原则—复合材料法。5.专业技术原理分析5.1塑钢复合理论依据高密度聚乙烯（HDPE）性状:密度为0.941～0.970g/cm3，熔点131℃，有较好的耐磨性、耐寒性、透气性、不HDPE具有很好的抗冲击性、耐腐蚀性在埋地应用上倍受欢迎，然而由于它较低的弹性模量值，使其在用于大口径管道时，遇到一个不可克服的瓶颈--管环刚度无法提升到符合要求。按照ISO的定义，环刚度由下式表述：SN=EI/D3当直径D增加1倍，环刚度SN要降低8倍。因而做2000㎜口径的管与做500㎜口径的管技术上的难度不可同日而语。因为直径D增加了4倍使得环刚度减少64倍。若要保持环刚度SN不变，必须通过增加截面惯性矩I或材料弹性模量E至相当倍数，以抵消直径增加的影响。而单靠增加I值是不现实的，因为几十倍I值的增加，意味着材料成本成数十倍的增加，同时当I值增加到一定程度时工艺技术必遭遇难以实现的问题。故必需同时在提升E值方面做文章，才能实现SN值的保持。钢材的高弹性模量刚好使它能够担此重任。以下是钢与HDPE的弹性模量比较。

钢与HDPE的弹性模量比较表材料短期弹性模量Eb长期弹性模量EblHDPE（PE63）758MPa110Mpa钢20700MPa20700MPa可见长期条件下，钢的弹性模量是HDPE的近200倍。钢的这一卓越性能是钢塑复合的理论基础。5.2关键技术实现依据以金属材料与高分子材料复合理论为指导，采用二层共挤技术复合压延工艺，制成塑料（PVC、PE、PP）膜，再与镀锌钢板采用熔融粘贴的工艺制成塑钢复合板材，再以塑钢复合板材为原材料，在专用成管设备上制成塑钢复合螺旋波纹管材。图示说明：1镀锌铝合金钢板2塑料片层3黏结层6.结束语把所研究的对象理想化是自然科学的基本方法之一。理想化是对客观世界中所存在物体的一种抽象，这种抽象客观世界既不存在，又不能通过实验验证。理想化的物体是真实物体存在的一种极限状态，对于某些研究起