借助IWB创新软件解决立式砂磨机发热问题 (上)
ITRIZS 2020-03-26
颜惠庚 博士
法思诺创新学院 首席创新顾问师
国际TRIZS 学会四级
前言
对于TRIZ初学者来说，由于对TRIZ理论掌握的程度不同，我们在创新过程中，在老师讲的时候可以听得比较明白，但是自己动手解决实际问题时往往不知从何处下手。IWB就是一个使用方便，只要具备一定TRIZ基础的人就可以进行创新实践的创新辅助软件。借助这个软件，我们可以在实践中，不断加深对TRIZ理论中各个工具的掌握和理解，进而提高自己的创新理论和创新实践的水平。
一、IWB软件概述
IWB是Innovation
WorkBench®的缩写，该软件于1992年由俄罗斯TRIZ科学家研发，是应用TRIZ工具帮助工程师解决具有挑战性的技术问题的专家系统，特别适用于具备TRIZ基础知识的各行业工程技术人员用来解决所面临的技术问题。
IWB把解决问题的过程分成创新现状问卷调查（Innovation Situation Questionnaire）、问题建模和头脑风暴（Problem Formulation And
Brainstorming ）、产生解题概念（Develop Concepts）和评估解决方案（Evaluate
Results）四个阶段。通过解析和知识库的应用，IWB把前人的成功技术用来启发和引导我们来产生解决复杂问题的思考方向，最后得到特定的解决方案，以满足企业所面对的挑战。从某种意义上来说，使用IWB软件就如同一位相当有经验的发明家在提示你从各个方向进行思考。在打开IWB软件后，会看到一系列可以进入超链接的下划线文字，只要根据提示内容，点击感兴趣相应的内容，软件就会引导我们一步步找到创新导引（Innovation
directions）或者操作符（Operator），进而直接引导到实际应用的成功案例。
软件菜单还有一个创新工具箱（Tools），点击可以开启Tools and
Application界面，软件为我们提供了很多可以选用的TRIZ工具。实际上，IWB软件是ARIZ85的简化版本，在TRIZ体系中，ARIZ是一个比较复杂的过程，实际应用也比较复杂，使很多TRIZ爱好者望而却步，不便于推广应用。IWB把ARIZ进行了简化，利用强大的数据库和解题逻辑，把很多工具串联在一起，使用非常方便。
值得指出的是，IWB把经典的TRIZ功能模型分析方法扩展为图解法（Diagram），使得功能模型图的图框中不再是组件，而是采用自然语言，变成对某个组件的功能、状态、条件、转化、事件、过程、活动的简单描述，然后利用逻辑关系对这些图框进行关联，并可以利用软件，转换成文本格式的创新导引（Directions
for
Innovation），使用者只要根据这些创新导引进行思考，就可以产生点子（Ideas），并可以在软件界面内的相应位置记录下点子。当我们按照软件引导，完成了四个阶段的工作后，可以转换成一个完整的创新报告。
二、IWB软件解题过程
企业面临问题简介：
在高级涂料生产过程中，需要在可挥发液相物料中添加粉末颗粒，这些粉末颗粒的作用是在涂料使用后，在被涂表面形成固相膜，以使表面达到预期的效果，比如使表面更美观、抗腐蚀，甚至可以具有吸收特定波长的无线电的特性。为了达到预期效果，在生产过程中，需要使这些粉末颗粒尺寸变小，并均匀地弥散于液相物料中。
立式砂磨机是涂料行业中，对涂料进行研磨的设备。砂磨机的研磨筒内设有搅拌桨、筛篮，筛篮内放置很多锆珠（ZrO2）。如图1所示。在搅拌桨强力搅动下，研磨筒内的涂料强烈流动，带动筛篮内的锆珠之间相互碰撞摩擦，使粉末颗粒尺寸不断变小，直到达到要求为止。锆珠之间的碰撞进行研磨既可磨细固体颗粒，又可增加粉末的分散度。但是强烈碰撞摩擦，会产生大量的热量，会导致物料温度上升。而温度过高会使液相中易挥发物溢出，影响产品质量，同时挥发物又会影响环境，危害健康；为了防止温度上升，只有限制研磨速度和减少投料量，限制了产量的提高，这种情况在夏季尤为突出。
图1 砂磨机及锆珠
某涂料生产企业为了防止生产过程中涂料研磨时过热，防止产品品质降低、树脂分解、污染环境，当物料温度超过50℃后，就要采取降低产量的方法来保证涂料品质。
以下我们介绍应用Ideation Workbench(IWB)软件对某企业的涂料生产过热问题进行分析求解过程。部分界面取自于实际软件操作的实际截图。
进入IWB软件后，需要根据项目具体情况，按照软件的提示，进行思考，并记录下思考结果，使我们摆脱思维惯性的约束。
首先需要描述项目基本情况：
Project Initiation
项目名称：降低涂料生产过程中物料的温度
1. Project objectives
工厂现状：夏天物料出口温度>55℃，一般季节为50℃，超温现象限制了产量，恶化了操作环境，挥发物还污染环境。本项目温度控制范围的目标为：
上限 50℃ 下限40℃
以目前温度为50℃，最好能降温到最佳点40℃，根据SMART原则，以改善70%为本项目目标，因此本项目目标设定为43℃。
2. Importance of the Situation
涂料研磨过程温度过高，会造成物料组分挥发，这样产品成分就不稳定。温度升高既影响环境，又因难以提高转速，而影响生产率和产品质量。
以下进入实际解题的第一步，发明情景问卷（ISQ）:
Innovation Situation Questionnaire
1. Brief description of the situation
本系统是为了防止生产过程中涂料研磨时过热，防止树脂分解污染环境。
亟待解决的问题是改善冷却效果、降低温度，使温度控制在40-50℃之间。
问题由涂料生产企业提出。主要是由于在涂料生产时，需要添加一些固态粉末。为了提高产品质量，这些粉末需要很均匀地分散在液相中，研磨既可磨细固体颗粒，又可增加粉末的分散度。但是研磨又会产生大量的热量，会导致物料温度上升。而温度过高会使液相中易挥发物溢出，影响产品质量，同时挥发物又会影响环境，危害健康；为了防止温度上升，只有限制研磨速度和减少投料量，限制了产量的提高。
点击 Brief description of the situation，即可进入屏幕右侧建议界面：
以下逐个点击感兴趣的选项，试图从中找到启发：
在激发产生点子之处，记录下每一个产生的点子：
Idea #1
固体粉末加入涂料前，先采用以上原理进行蓬松。
采用类似的方法，可以通过点击Concentrate energy,Introduce an aditional field,Reduce overheating，draw off
an undesired action等选项，得到以下创意：
Idea #2
研磨时采用超声波强化粉末的破碎
Idea #3
将IDEA#2的超声波采用聚焦的方法对某一区域集中能量，利用液体的流动来移走和更新物料
Idea #4
增加磁性材料，增加磁场提高研磨效果
Idea #5
在研磨时给发热的固定、移动的分散盘加装冷却结构
Idea #6
改变夹套结构，使得夹套低于涂料液面，可以进一步降低冷却水温度，避免冷凝水混入物料。
由此，我们在问题简单描述阶段就得到了6个创意了。
2. Detailed description of the situation
此处开始，采用类似于经典TRIZ的九屏幕分析，但是IWB软件中，针对系统中存在的问题，除了保留九屏幕中的时间轴和空间轴外，增加了因果关系轴和输入输出轴，因为用图来表示外形像蜘蛛，我们称之为动态蜘蛛。可以看出，IWB软件中的动态蜘蛛分析比九屏幕的视角更宽。
图2 动态蜘蛛
2.1. Supersystem - System - Subsystems
2.1.1. System name
砂磨机过热问题
2.1.2. System structure
研磨机主要有机身、罐体、搅拌桨、固定棒（固定在中心筛篮上）、转动棒（固定在转动轴上）、冷却系统、控制系统组成。
2.1.3. Supersystems and environment
车间环境温度、空气、生产任务、操作工艺参数（速度、投料量、操作工艺），操作人员。
2.1.4. Systems with similar problems
2.2. Input - Process - Output
2.2.1. Functioning of the system
分散固体粉料
2.2.2. System inputs
冷却水、液态组分、粉体填料
2.2.3. System outputs
热量、挥发物、研磨后的产品
2.3. Cause - Problem - Effect
2.3.1. Problem to be resolved
降低物料温度
2.3.2. Mechanism causing the problem
研磨机过热的原因如下：研磨时，物料和锆珠剧烈碰撞摩擦，产生大量的热量，导致物料温度升高，热量难以及时散出导致温度升高，冷却散热装置不在热量产生的位置。以下采用5why分析法来进行根因分析。
产生如下创意：
Idea #7
在研磨移动棒上加装水冷却系统
Idea #8
在转轴内加装水冷却系统
Idea #9
增加夹套散热面积
Idea #10
增大冷却水量。
Idea #11
重新设计冷却夹套结构，使得夹套低于涂料液面，可以进一步降低冷却水温度，避免冷凝水落入物料。
2.3.3. Undesirable consequences if the problem is not resolved
挥发组分丢失，产品成分不稳，难以提高产量；
2.3.4. Other problems to be solved
环境污染
2.4. Past - Present - Future
3. Resources, constraints and limitations
3.1. Available resources
1、冷却水、车间环境、空气、设备
2、超声波
3、电磁场
4、化学作用
5、机械能
6、热能
3.1. Available resources
3.2. Allowable changes to the system
1、部分改变空间结构（改变研磨罐径向尺寸和轴向尺寸）
2、可以部分改变冷却系统（增大夹套面积、增加盘管机构）
3、选择合适的材料
4、改变研磨筒设计
3.3. Constraints and limitations
1、产品性能不能改变
2、生产效率不能降低
3.4. Criteria for selecting solution concepts
1、不改变产品组分
2、温度降低明显
3、改造成本低
Problem Formulation and Brainstorming
以下进入建模分析阶段，所用工具就是问题阐述器（Problem
Formulator®），这是一个知识转化和传递的工具，它可以把用户的知识转化和传递到计算机中，通过图解模型（Diagram），按照一定的规则，用自然语言来描述系统内各元素的有用或者有用的状态、条件和功能、事件、过程、状态、动作和转换之间的因果关系。图解模型可以发现系统中存在的矛盾，可以确定需要解决的问题。
模型建好后，可以点击图解界面菜单上的Formulate Diagram 按钮，软件就会把模型转化成创新方向（Directions for
Innovation）文本，勾选选择其中准备深入思考的文本，然后点击提交（Submit），所选文本就会出现在软件文档中，逐个思考，记录下产生的创意。
3. Resolve the contradiction:
摩擦
should be provided to
produce
研磨效果
and
粉状物料
and
shouldn't be provided to avoid
磨损
and
过热 .
Idea #12
采用硬度更高的研磨珠
5. Find a way to eliminate, reduce, or prevent
环境污染
under the conditions of
物料挥发 .
Idea #13
改进搅拌筒密封结构，减少泄露。
6. Find a way to eliminate, reduce, or prevent
物料挥发
in order to avoid
环境污染
under the conditions of
过热
.
Idea #14
采用低会挥发度组分
7. Find a way to eliminate, reduce, or prevent
过热
in order to avoid
物料挥发
under the conditions of
摩擦
.
Idea #15
填料在研磨前预先膨化。
10. Find an alternative way to obtain
散热
that offers the following:
eliminates, reduces, or prevents
过热
does not require
冷却水温度低, 材料导热系数高,
散热面积大 and 内冷却结构 is not
influenced by
传热距离长
.
Idea #16
将物料引出冷却后再返回研磨
14. Resolve the contradiction:
冷却水温度低
should be provided to
produce
散热
and
shouldn't be provided to
avoid
冷凝水出现
.
Idea #17
把冷却水液面低于物料液面，使液面以上的筒体不过冷而使空气中水蒸气产生冷凝水
18. Find an alternative way to obtain
散热面积小
that offers the following: does not influence
散热
does not require
冷却结构空间小
.
Idea #18
在粉体研磨前，进行蓬化，使其结构蓬松，便于以后研磨
19. Resolve the contradiction:
散热面积小
shouldn't be provided to avoid counteracting
散热
.
Idea #19
shouldn't be provided to avoid counteracting
Idea #20
在容器内添加热容量大的易挥发的、无毒的、无残留的物质（干冰？）
Idea #21
粉料预先冷冻再研磨
Idea #22
使用液氮通入物料中
Idea #23
在产热区通盘管冷却
物场分析和标准解
Idea #24
在研磨设备外设置换热器，与研磨筒相连，使物料在外置换热器冷却后在引进研磨筒内
Develop Concepts
创意方案汇总
Idea汇总
| 编号 | 内容 |
| 1 | 固体粉末加入涂料前，先采用爆米花原理进行蓬松 |
| 2 | 研磨时采用超声波强化粉末的破碎 |
| 3 | 将IDEA#2的超声波采用聚焦的方法对某一区域集中能量，利用液体的流动来移走和更新物料 |
| 4 | 增加磁性材料，增加磁场提高研磨效果 |
| 5 | 在研磨时发热的固定、移动的分散盘加装冷却结构 |
| 6 | 改变夹套结构，使得夹套低于涂料液面，可以进一步降低冷却水温度，避免冷凝水混入物料。 |
| 7 | 在研磨移动棒上加装水冷却系统 |
| 8 | 在转轴内加装水冷却系统 |
| 9 | 增加夹套散热面积 |
| 10 | 增大冷却水量 |
| 11 | 重新设计冷却夹套结构，使得夹套低于涂料液面，可以进一步降低冷却水温度，避免冷凝水落入物料 |
| 12 | 采用硬度更高的研磨珠 |
| 13 | 改进搅拌筒密封结构，减少泄露 |
| 14 | 采用低会挥发度组分 |
| 15 | 填料在研磨前预先膨化 |
| 16 | 将物料引出冷却后再返回研磨 |
| 17 | 把冷却水液面低于物料液面，使液面以上的筒体不过冷而使空气中水蒸气产生冷凝水 |
| 18 | 在粉体研磨前，进行蓬化，使其结构蓬松，便于以后研磨 |
| 19 | 把部分冷却的物料与物料相混。 |
| 20 | 在容器内添加热容量大的易挥发的、无毒的、无残留的物质（干冰？） |
| 21 | 粉料预先冷冻再研磨 |
| 22 | 使用液氮通入物料中 |
| 23 | 在产热区通盘管冷却 |
| 24 | 在研磨设备外设置换热器，与研磨筒相连，使物料在外置换热器冷却后在引进研磨筒内 |
1. Categorize preliminary ideas
创意点子分类
| 类别 | 创意编号 | 创意内容 |
| a粉体预处理 | 1 | 固体粉末加入涂料前，先采用爆米花原理进行蓬松 |
| 2 | 研磨时采用超声波强化粉末的破碎 | |
| 15 | 填料在研磨前预先膨化 | |
| 18 | 在粉体研磨前，进行蓬化，使其结构蓬松，便于以后研磨 | |
| 22 | 粉料预先冷冻再研磨 | |
| b冷却夹套结构改进 | 6 | 改变夹套结构，使得夹套低于涂料液面，可以进一步降低冷却水温度，避免冷凝水混入物料 |
| 9 | 增加夹套散热面积 | |
| 11 | 改变夹套结构，使得夹套低于涂料液面，可以进一步降低冷却水温度，避免冷凝水流入物料出现 | |
| 17 | 把冷却水液面低于物料液面，使液面以上的筒体不过冷而使空气中水蒸气产生冷凝水 | |
| c内部冷却结构改进 | 5 | 在研磨时发热的的固定、移动分散盘加装冷却结构 |
| 7 | 在研磨移动棒上加装水冷却系统 | |
| 8 | 在转轴内上加装水冷却系统 | |
| 10 | 增大冷却水量 | |
| 13 | 改进搅拌筒密封结构，减少泄露 | |
| 23 | 在产热区通盘管冷却 | |
| d利用声场或磁场 | 2 | 研磨时采用超声波强化粉末的破碎 |
| 3 | 将IDEA#2的超声波采用聚焦的方法对某一区域集中能量，利用液体的流动来移走和更新物料 | |
| 4 | 增加磁性材料，增加磁场提高研磨效果 | |
| e利用相变热 | 20 | 在容器内添加热容量大的易挥发的、无毒的、无残留的物质（干冰？） |
| 22 | 使用液氮通入物料中 | |
| f改变磨料硬度 | 12 | 采用硬度更高的研磨珠 |
| g改变物料组分 | 14 | 采用低会挥发度组分 |
| h设置外置冷却器 | 16 | 将物料引出冷却后再返回研磨 |
| 25 | 在研磨设备外设置换热器，与研磨筒相连，使物料在外置换热器冷却后在引进研磨筒内 | |
| 19 | 把部分冷却的物料与物料相混。 |
概念解
创意点子分类
| 序号 | 内容 |
| 1 | a粉体预处理 |
| 2 | b冷却夹套结构改进 |
| 3 | c内部冷却结构改进 |
| 4 | d利用声场或磁场 |
| 5 | e利用相变热 |
| 6 | f改变磨料硬度 |
| 7 | g改变物料组分 |
| 8 | h设置外置冷却器 |
Evaluate Results
评估创新结果就是根据一定的指标，来评价所得到的创新方案。以下用努力-影响矩阵，根据经济效技术难度和理想性几个指标，对以上创新方案进行评价。
1. Meet criteria for evaluating Concepts
创意概念评分表
| 序号 | 创意构想 | 经济效益 | 技术难度 | 理想性 |
| 1 | a粉体预处理 | 5 | 4 | 3 |
| 2 | b冷却夹套结构改进 | 2 | 3 | 3 |
| 3 | c内部冷却结构改进 | 3 | 7 | 4 |
| 4 | d利用声场或磁场 | 2 | 8 | 3 |
| 5 | e利用相变热 | 2 | 5 | 3 |
| 6 | f改变磨料硬度 | 4 | 9 | 2 |
| 7 | g改变物料组分 | 8 | 9 | 5 |
| 8 | h设置外置冷却器 | 8 | 2 | 7 |
概念解优选顺序：
1、 设置外置冷却器
2、 粉体预处理
3、 改变物料组分
4、 冷却夹套结构改进
第四象限的概念解暂不选用
2. Reveal and prevent potential failures
设置外置冷却器
将热的物料从研磨机内引出，冷却后再输回研磨机内研磨，可以克服研磨机内空间小，难以进行结构设计的缺点。
优点：对研磨设备本身改动小，最易实现，可行性高
缺点：需要增加附加传热装置，需要占用车间或工厂空间
本改进对原装置变动最小，符合最小问题原理。
优先选择的方案是:在研磨筒的下方开个孔，连接一个接管，将过热的物料用一个泵从研磨机中引到外置的冷却器中，充分冷却后再返回研磨机内继续研磨，直至达到所需的粒度为止。
优点：对研磨设备本身改动小，最易实现，可行性高。外置冷却器的大小不受限制，可以根据需要设计，避免了“螺蛳壳中做道场”的空间限制。
以上应用可以看出，使用IWB软件可以使我们更有效的摆脱思维惯性的制约，使我们创新更加快捷和方便。