基于Triz的矿用潜水电泵创新设计

　　试验研究基于Triz的矿用潜水电泵创新设计冯立杰邓2，王金凤李朝辉1（1.郑州大学管理工程研究所，河南郑州450001；2.郑州大学管理工程系，河南郑州450001）装拆卸困难。为提高工作效率，引入Trn创新原理，通过采用多屏幕法对潜水电泵进行系统分析，运用矛盾矩阵得出其技术矛盾，分析选择了可行的创新发明原理，并提出一种潜水电泵的优化设计方案，后利用PLC对水泵进行实时监测控制，实现了潜水电泵串联并联转换自动化。该方案可以提高矿用潜水电泵工作的时效性，扩大潜水电泵的应用范围，使我国现有潜水电泵技术升级，实现一机多用，减少物资储备。

　　成。在井下，双泵由并联作业转换为串联作业，井下管路繁多，拆卸安装困难，费时费力，降低了潜水电泵的工作效率及排水系统的管理水平和经济效益，影响了抢险救灾的时效性。

　　针对现有技术中所存在的不足，采用现代设计vmg，发明问题解决理论），笔者创新性地提出了一种能够快速高效地适应不同工况的潜水电泵优化设计方案，并结合PLC对水泵进行实时监测控制，实现了潜水电泵串联并联转换自动化。

　　1基于Triz的潜水电泵问题分析与设计1.1潜水电泵系统分析Triz被认为是目前全面、系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论，它提供了一种系统化大型矿用潜水电泵常用于矿山淹井后的抢险排水，随着煤炭开采不断向深部拓展，矿井发生重大水灾害事故的概率增加，经常会遇到这样的情况：抢险初期，积水量大，要求大流量排水来解决水患带来的危险，一般会选用双泵并联作业，该法虽扬程低但流量大；而进入抢险中后期，积水过深且巷道缩小，并联作业很难实现高扬程，这时就需采用双泵串联作业，7水经过双泵的二次升压来提高扬程。所以工作环境的改变意味着潜水电泵工况的跃变M.当前矿山抢险排水过程中，井下排水的潜水电泵仍多采用继电器控制，水泵的启停及选择切换均由人工芫师，2004年毕业于天津大学，现任河南矿山抢险救灾中心主任。

　　的创新思维方法一多屏幕法，就是在遵循客观规律的基础上，站在更高的位置，采用“新的眼光”去分析和看待问题0.下面以潜水电泵为例说明，其系统思维多屏幕示意如所示。潜水电泵是由潜水电机和潜水泵组装成机组，或由潜水电机轴伸端直接装上泵部件组成机泵合一的产品。如果以潜水电泵作为“当前系统”来研究，那幺潜水电机、潜水泵就是潜水电泵的子系统，而生产、生活及消防的给排水系统就是潜水电泵的超系统，其主要问题包括：双泵并联作业不适合积水过深工况。抢险中后期，由于积水过深且巷道缩小，并联作业很难实现高扬程，而且此时进行双泵由并联作业向串联作业转换，由于井下拆卸安装困难，费时费力，不仅影响了抢险救灾的时效性，同时也降低了潜水电泵的工作效率，消耗了大量的能量。

　　双泵串联作业不适合积水过多工况。抢险初期，由于积水过多，双泵串联作业很难实现大流量排水来解决水患带来的灾害。当然，这种状况下，如果进行双泵串联作业向并联作业转换，同样费时费力，消耗的能量也相应地加大了。

　　目前煤矿井下排水的潜水电泵仍多采用继电器控制，水泵的启停及选择切换均由人工芫成，井下管路繁多，操作困难，选择转换作业费时费力，严重影响了井下排水系统的管理水平和经济效益。

　　由此可知，要提高潜水电泵在不同工况的工作效率，也就是设计一种能够适应不同工况跃变的潜水电泵，主要就是如何解决潜水电泵的串并联转换速度与能量消耗、使用方便性与系统复杂性之间的问题。

　　1.3潜水电泵的技术矛盾分析技术矛盾指技术系统中2个参数之间存在着相互制约的关系，简要地说，在提高技术系统的某一个参数或特性时，导致了另一个参数或特性的恶化而产生的矛盾S.39个通用工程参数是阿奇舒勒通过对大量专利的分析后，为了更好解决实际问题而陆续总结出来的0.利用这39个工程参数足以描述工程中出现的绝大部分技术内容，可把实际工程设计中存在的矛盾转化为标准的技术矛盾。通过对潜水电泵问题的分析可知，在井下进行串并联转换，费时费力，会消耗大量的能量，且水泵的启停及选择切换均由人工芫成，井下管路繁多，操作困难。所以，串并联转换速度与能量的消耗即为一对技术矛盾，使用方便性与系统复杂性为另一对技术矛盾。上述技术矛盾涉及4个工程参数，改善的工程参数为：9速度、34可操作性；恶化的工程参数为：19运动物体的能量消耗、45装置的复杂性。

　　阿奇舒勒通过大量的研究创建了矛盾矩阵表作为解决技术矛盾的工具。在矛盾矩阵表中，第1列是系统需要改善的参数名称；而第1行是系统在改善某个参数的同时，导致恶化了的另一个参数的名称0.在矛盾矩阵表中，每个单元格内的数字表示Tnz认为解决对应的技术矛盾时有用的那些创新原理编号。通过矛盾矩阵表可得，解决串并联转换速度与能量的消耗问题的创新原理编号为：8、15、35、38，解决使用方便性与系统复杂性问题的创新原理编号为：5、12、17、26、28、29、32（表1）。

　　1.4潜水电泵技术矛盾的设计方案1.4.1技术矛盾一的设计方案8重量补偿原理：将某一物体与另一能提供上升力的物体组合，以补偿其重量。采用重量补偿原理就是加大质量，而潜水电泵要求轻便，加大潜水电泵的质量还会使速度这个技术特性恶化。显然，重量补偿原理不适合用来解决这个技术矛盾。

　　表1矛盾参数表改善参数恶化参数创新原理9速度34可操作性19运动物体的能量消耗45装置的复杂性38强氧化剂原理：用富氧空气代替普通空气。使用强氧化剂原理是为了使燃料燃烧更加充分，以使设音获得大的推力。但是，潜水电泵是在水中进行排水作业，而且是采用电能来驱动，所以，不适合采用燃料燃烧来驱动潜水电泵。

　　15动态特性原理：分割物体，使其各部分可以改变相对位置；35物理或化学参数改变原理：改变温度、浓度或者聚集态。按照这2个创新原理，对潜水电泵的内部结构进行改变，加入管道和控制阀等，使其成为活动的部件。并且，技术人员通过对阀门的控制，使潜水电泵不仅能在外界环境改变下实现工况跃变，提高时效性，并可通过改造使现存的潜水电泵实现一机多用M. 1.4.2技术矛盾二的设计方案经分析选取28机械系统替代原理，该创新原理主张用光学系统、声学系统、电磁学系统或影响人类感觉的系统代替机械系统，用运动代替静止场，时变场代替恒定场，结构化场代替非结构化场。可编在继电器控制和微机控制的基础上开发出来的，是一种新型的自动控制装置，具有可靠性高、编程方便、操作简单的特点，适应于恶劣的工作环境。基于Triz的28创新原理，对潜水电泵的串并联切换进行改进，将PLC技术与测量传感器技术结合，组成自动控制、数据采集、自动切换模块，芫成水泵的实时监测控制，通过控制命令芫成了潜水电泵串联并联转换自动化E243. 2潜水电泵的优化设计方案通过运用创新原理，提出了一种潜水电泵的优化设计方案。

　　一种工况跃变的潜水电泵，包括潜水电机和潜水泵，潜水泵由上泵和下泵2部分组成。上泵吸水口通过管道分别与外界和下泵出水口的一个管口相连通，且在连通外界和下泵出水口的管道上分别设置有控制阀；下泵出水口的另一管口通过管道与总出水口连接，且在该管道上设置有控制阀；上泵出水口通过管道与总出水口连接；下泵吸水口通过管道与外界连接。

　　该潜水电泵的控制系统可由PLC控制系统以及设置在排水管路上的相关测量传感器组成，分为自动控制、数据采集、自动切换模块，PLC以CPU为控制核心，辅以各种传感器和执行器芫成水泵的实时监测控制，通过控制阀门开启与关闭命令，芫成潜水电泵串联并联转换自动化。

　　该潜水电泵运行过程中，数据采集模块实时监测井下水位，并根据井下水位进行水泵启停及阀门开闭切换控制，其切换模式PLC梯形图程序如所示。

　　0为安全水位S0；I0.1为低水位SI；I0.2为高水位S2；Q0.0为闸门开启；Q0. 1为闸门K3开启；Q0. 2为闸门K2开启（S0为停泵水位，S1为并联运行水位，S2为串联运行水位）。

　　当监测井下水位为S1时，控制阀、控制阀开启，控制阀关闭，潜水电泵自动切换为双泵独立并联工作，水一方面从上泵吸水口进入，经上泵叶轮升压后，水从上泵出水口流出；另一方面水从下泵吸水口进入，经下泵叶轮升压后，水从下泵出水口流出，后汇聚到总出水口，潜水电泵扬程不变，流量比单泵增加1倍。

　　当监测井下水位为S2时，控制阀、控制阀K3关闭，控制阀开启，潜水电泵自动切换为双泵串联工作，水从下泵吸水口进入，经下泵升压后，水从下泵出水口流出，经过管道进入上泵，然后在上泵叶轮的二次升压下，水从上泵出水口到达总出水口排出，潜水电泵扬程提升1倍。

　　当井下水位回落到S0时，停止潜水电泵运行。

　　梯形结论运用Tnz理论分析了潜水电泵创新设计中存在的技术矛盾。并根据矛盾矩阵表得出推荐的创新原理，设计了一种潜水电泵的优化方案。当现场抢险排水环境发生改变时，不需拆卸安装，根据井下水位，自动对3个控制阀进行独立开闭控制，便可实现潜水电泵上下泵的串、并联作业模式的转换，从而实现潜水电泵的工况跃变，减少了作业转化和拆卸安装的时间与劳动力，提高了时效性。该潜水电泵运行可靠，操作方便，自动化程度高，且实现了一机多用，减少了不必要的物资储音。