CC BY
4дои
ШИ Сеоа (SHI Xiaohua), ДОНГ Йехи (DONG Yuehu), ХАН Бинг (HAN Bing),
ЛИ Мингянг (LI Mingyang)
Применение ТРИЗ для решения проблемы неполной очистки подрамников
Аннотация. В процессе очистки подрамника после обработки из-за его сложной внутренней конструкции такие загрязнения, как алюминиевая стружка и масло, не удается убрать из полостей. В настоящее время подрамник очищают жидкостью. При этом возникают две проблемы: неполная очистка в моющей машине и неполная сушка в сушильной камере. Капли жидкости остаются в полостях и глухих отверстиях подрамника. В настоящей работе для анализа и решения проблемы применены такие инструменты, как функциональный анализ и модель веполя ТРИЗ, а также усовершенствовано существующее оборудование для очистки и сушки. Таким образом обеспечена очистка подрамника от алюминиевых опилок и масляных пятен, а также окончательная сушка внутренней и внешней поверхности подрамника. Ключевые слова: ТРИЗ, подрамник из алюминиевого сплава, тщательная очистка, сушка.
1. ВВЕДЕНИЕ
Подрамник из алюминиевого сплава - узел автомобильного шасси, к которому крепится подвеска передней и задней осей. Подрамник снижает вибрацию и шум, создавая более комфортные условия для водителя и пассажиров.
Подрамники изготавливают предприятия автомобильной промышленности. В последние годы подрамники из лёгких сплавов становятся все более популярными благодаря меньшей массе при достаточной прочности [1-4]. Процесс изготовления подрамника включает в себя литье, сверление и очистку. В связи с выполнением большого количества крепежных отверстий на подрамнике [5-8] последующий процесс очистки имеет большое значение. Основные цели очистки:
(1) удаление СОЖ и масла с наружных поверхностей и из внутренних полостей подрамника;
(2) удаление песка и алюминиевых опилок из полостей подрамника.
Большинство современных моечных машин автоматизированы и выполняют все этапы очистки без вмешательства оператора. Один из вариантов конструкции современной моечной машины для очистки и сушки подрамников показан на следующем рисунке [9]. В машине применяется несколько специализированных манипуляторов, выполняющих транспортировку, очистку и сушку подрамников.
Рис. 1. Схема машины для очистки и сушки подрамников
Подъемный манипулятор в зоне очистки передает подрамник на вращающийся манипулятор с захватом. Подрамник на столе погружается в емкость и вращается. В емкости также имеется мешалка, вращающаяся в направлении, противоположном направлению вращения подрамника. В зоне сушки подаваемый компрессором сжатый воздух обдувает подрамник для просушки. Там же установлен нагреватель, который нагревает радиатор, что ускоряет сушку подрамника.
Такие моечные машины практически полностью удаляют алюминиевые опилки и масло с подрамника. Однако при их применении возникают две проблемы:
(1) неполная очистка: алюминиевый подрамник имеет сложную внутреннюю конструкцию, и полости нелегко очистить;
(2) неполная сушка: на этапе сушки из-за сложной конструкции подрамника в полостях и глухих отверстиях остаются капли жидкости.
Вторая проблема (неполная сушка), в сущности, является производной от выбранного способа очистки подрамника. В таблице 1 представлен анализ целесообразности применения различных существующих методов удаления таких загрязнений, как алюминиевая стружка.
Таблица 1. Способы удаления загрязнений
Принцип действия Решения
Продувание Поток газа высокого давления выдувает алюминиевую стружку из полостей подрамника в определенном направлении.
Гель Желеобразный материал используется для удаления алюминиевой стружки из полостей.
Ультразвук Звуковая волна заставляет алюминиевую стружку отделяться от стенок полостей в подрамнике.
Электрическое поле Под действием электрического поля алюминиевая стружка удаляется из полостей.
Хотя эти способы не приводят к возникновению производной проблемы с остатками жидкости, они создают другие сложные проблемы при удаления алюминиевой стружки. При продувании сложно контролировать направление потока газа. Поэтому не удается удалить алюминиевые опилки полностью. При использовании геля липкий желеобразный материал, остается в подрамнике, и его очень трудно удалить. Очистка ультразвуком создает очень сильный шум. Очистка электрическим полем трудновыполнима. Электрическое поле к тому же будет воздействовать и на детали и узлы самой системы очистки. Поэтому эти способы в дальнейшем не рассматриваются. Общепринятым стандартом является очистка погружением в жидкость.
Многие универсальные методы сталкиваются с трудностями при решении определенных задач. Мы применили ТРИЗ для анализа и решения двух проблем, а также усовершенствования конструкции моечной машины.
2. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ
2.1 Краткое введение в ТРИЗ
ТРИЗ - это формализованный метод создания инноваций, созданный советским изобретателем Генрихом Сауловичем Альтшуллером на основе изучения большого количества па-
тентов. После почти ста лет развития теория ТРИЗ превратилась в самостоятельную дисциплину. В ТРИЗ имеются строгие инструменты для создания базы знаний, выявления проблем, их анализа, решения, оценки и последующего совершенствования. ТРИЗ помогает избежать принятия компромиссного решения в условиях ограниченных знаний [10]. По сравнению с другими методами, ТРИЗ предлагает больше инновационных решений практических задач.
2.2 Функциональный анализ
Сначала проведем функциональный анализ. В процессе очистки подрамник рассматривается как сверхсистема, загрязнения (например, алюминиевые отходы) считаются продуктами, а механический манипулятор, мешалка и моющая жидкость - элементами конструкции. Соответствующая функциональная модель показана на рис. 2. Подъемный манипулятор приводит в движение вращающийся манипулятор и погружает подрамник из алюминиевого сплава в моющий раствор. В емкости также расположена мешалка. Она перемешивает чистящий раствор, который и уносит алюминиевую стружку от подрамника.
Анализ схемы процесса очистки подрамника выявил следующие основные проблемы: 1) раствор недостаточно эффективно перемещает алюминиевую стружку; 2) эффективность жидкостной очистки подрамника преувеличена.
Первая проблема приводит к неполной очистке. Конкретные причины этого - мешалка не обеспечивает эффективное движение чистящего раствора, а алюминиевые опилки остаются в растворе и снова попадают на подрамник. Вторая проблема - производная от первой. Само применение мойки неизбежно приводит к неполному высыханию подрамника. В дальнейшем мы будем рассматривать и решать именно эти две проблемы.
Рис. 2. Функциональная модель
3. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ
3.1 Основная проблема - неполная очистка (1) Вынесение
Исходя из вышеприведенного анализа, чистящий раствор не удается перемешивать достаточно интенсивно мешалкой, чтобы выполнять функцию очистки. Таким образом, функция мешалки недостаточна. Это базовая проблема, требующая решения. Для решения этой проблемы применим принцип вынесения. Как известно, объект можно удалить, если его полезную функцию выполняет другой элемент. В нашем случае элемент «мешалка» можно удалить. Полученная модель показана на рис. 3.
Рис. 3. Функциональная модель после удаления элемента
В такой модели четко видны недостатки отдельных функций. Для их устранения функция очистки передается форсунке высокого давления. Форсунка высокого давления установлена на загрузочном манипуляторе. Таким образом чистящий раствор подается в любое место подрамника. Процесс очистки становится более эффективным. Кроме того, добавлен опорный стол для установки и перемещения подрамника из зоны очистки в зону сушки.
(2) База данных эффектов
Вышеописанный процесс очистки позволяет удалять больше алюминиевых опилок. Однако если чистящий раствор в емкости смешается с алюминиевой стружкой, стружка снова прилипнет к подрамнику. Для решения этой проблемы можно использовать список принципов устранения технических противоречий. Были найдены два варианта «центробежная сила» и «фильтр», которые показаны на рис. 4.
1) Центробежная сила
Под действием создаваемой мешалкой центробежной силы алюминиевая стружка попадает на периферию бака для чистящего раствора.
2) Фильтр
Добавление сетчатого фильтра в выпускной трубопровод очищающего раствора позволяет отфильтровать алюминиевую стружку и отделить ее от раствора.
Рис. 4. Применение принципов «центробежная сила» и «фильтр»
Сравнивая способы реализации два метода «центробежной силы» и «фильтра», было установлено, что вторая схема относительно проста и экономически эффективна, поскольку достаточно добавить только фильтр. Кроме того, устраняется влияние центробежной силы. Фильтрация всего чистящего раствора позволяет удалить из него алюминиевую стружку и другие загрязнения. В выпускном трубопроводе устанавливается сетчатый фильтр, улавливающий алюминиевую стружку.
3.2 Производная задача - неполная сушка
Сначала проанализируем функциональная модель системы с сушкой. Модель показана на рис. 5. Подъемный манипулятор устанавливает подрамник на вращающийся манипулятор с захватом в сушильной камере. В камере имеются воздушный компрессор, источник тепла и радиатор для рассеивания тепла. Сжатый воздух от компрессора выдувает остатки чистящего раствора из внутренних полостей подрамника. Источник тепла и радиатор нагревают подрамник и сжатый воздух с целью испарения капель чистящего раствора.
Рис. 5. Функциональная модель системы сушки
Анализируя функциональную схему модели, можно выявить основную проблему. Мощность источника тепла и радиатора устройства недостаточна для нагрева и подрамника, и сжатого воздуха.
(1) Техническое противоречие
Чтобы устранить проблему, связанную с тем, что нагреватель и радиатор в существующей конструкции недостаточно повышают температуру подрамника и сжатого воздуха, рассмотрим возможность установки более мощного нагревателя или более эффективного радиатора с большей площадью рассеивания. Этот способ позволяет быстро повысить температуру
сжатого воздуха и подрамника, что усиливает испарение влаги. Но это приведет к техническому противоречию.
ЕСЛИ использовать нагреватель большей мощности
ТО: производительность будет повышена
НО: снизится энергоэффективность
Здесь можно использовать два принципа в соответствии с матрицей противоречий. Соответствующие решения приведены в таблице 2.
Таблица 1 Способы удаления загрязнений
Принцип Решения
№ 10 Принцип предварительного действия Перед сушкой подрамника его сначала вращают или встряхивают, чтобы удалить отдельные капли.
№ 21: принцип проскока Сократим продолжительность нахождения подрамника в зоне сушки с высокой мощностью нагрева.
Решение - встряхивать подрамник перед нагревом и сушкой, чтобы удалить часть жидкости.
(2) Физическое противоречие
Кроме того, в системе существует физическое противоречие относительно времени нагрева. Его можно описать так: время нагрева должно быть большим, чтобы подрамник стал полностью сухим. Однако время нагрева должно быть малым, чтобы сэкономить электроэнергию. Для решения задачи используем принцип дробления. Решение показано на рис. 6.
Вспомогательная-рама-1Ц
Зона-транспортировки
Зона-сушки-1Ц
Вспомогательная-рама-2Ц
Зона -сушки -2Ц
Рис. 6. Решение с двумя зонами сушки
Две зоны сушки размещаются друг над другом. Теперь один подрамник после промывки подается в верхнюю зону сушки 1, а другой - в нижнюю зону сушки 2. По сравнению с существующим однопоточным оборудованием общее время сушки значительно сокращается. При таком решении каждый подрамник находиться в зоне сушки в два раза дольше. Этого времени достаточно для нагрева и полной сушки.
(3) Модель веполя
На основе проведенного анализа построим схему модели веполя, показанную на рис. 7. Очищающий раствор и сжатый воздух - это вещества, а тепло - это поле. Под действием теплового поля воздействие сжатого воздуха на чистящий раствор оказывается недостаточным.
Рис. 7. Модель веполя
Противоречие в модели веполя устраняется по принципу S2.1.2. Введем новое поле -вакуумное. Под совместным воздействием двух полей - теплового и вакуумного - сжатый воздух лучше удаляет чистящий раствор. Новая модель веполя показана на рис. 8.
V
Рис. 8. Новая модель веполя
(4) Вынесение
Недостаточно эффективные нагреватель и радиатор удаляются из функциональной модели. Воздушный компрессор, нагреватель и радиатор заменяются на подвижный нагреватель сжатого воздуха. Он встраивается в манипулятор с несколькими степенями свободы и позволяет подавать горячий сжатый воздух во внутренние полости подрамника, что повышает эффективность сушки. Схема модели после применения принципа вынесения показана на рис. 9. Все конструктивные элементы внутри и снаружи подрамника обдуваются горячим воздухом под высоким давлением, который высушивает и удаляет остатки чистящего раствора. Нагреватель сжатого воздуха устанавливается непосредственно на механическом манипуляторе, благодаря чему нагрев оказывается вполне достаточным. Нагретый сжатый воздух обладает достаточной тепловой энергией, чтобы нагреть подрамник внутри и снаружи.
Рис. 9. Модель системы сушки после применения принципа вынесения 4. РЕШЕНИЯ
На основе вышеприведенного анализа было получено окончательное решение.
(1) Главная проблема - неполная очистка.
1) Для подачи чистящего раствора применяется манипулятор с несколькими степенями свободы. Такой многофункциональный манипулятор и загружает подрамники, и перемещает форсунки подачи чистящего раствора. Манипулятор не только переносит очищаемый подрамник с загрузочного стола на передаточную раму, но и перемещает форсунку, распыляя чистящий раствор в полости подрамника. Таким образом, загрязнения в подрамнике удаляются более эффективно.
2) Использование фильтра. Фильтр своевременно удаляет алюминиевую стружку, попавшую в чистящий раствор. Это устраняет проблему повторного попадания загрязнений во внутреннюю полость подрамника.
(2) Производная проблема - неполная сушка
1) Предварительно встряхивать подрамник перед сушкой. Перед сушкой капли жидкости удаляются с подрамника встряхиванием. Благодаря этому количество чистящего раствора, остающегося в подрамнике, значительно уменьшится, а эффективность сушки повысится.
2) Две зоны сушки. В две зоны сушки подаются сразу два подрамника, что сокращает время ожидания и повышает эффективность сушки.
3) Манипулятор с несколькими степенями свободы и нагревателем сжатого воздуха. Механический манипулятор перемещает форсунку для подачи горячего сжатого воздуха и удаления остатков чистящего раствора изнутри и снаружи подрамника. Горячий сжатый воздух лучше удаляет остатки раствора. Это направленный и высокоэффективный процесс.
Согласно предлагаемым решениям, усовершенствованная машина для очистки подрамника показана на рис.10. Манипулятор с форсункой для подачи моющего раствора может ре-ализовывать функции подачи подрамникаи его направленной очистки. Устройство транспортировки перемещают два подрамника, сокращая общую продолжительность процесса. Манипулятор с несколькими степенями свободы подает горячий сжатый воздух и выполняет функции перемещения и сушки подрамника.
Multi-degree-of-freedom manipulator with compressed
air heater Манипулятор с несколькими
степенями свободы и подогревателем сжатого воздуха
Air compressor
- Воздушный
компрессор
Transport rack 2
- Транспортироеочн
ая стойка 2
Рис. 10. Улучшенная конструкция устройства для очистки подрамника
Установлено, что на очищенном подрамнике отсутствуют такие загрязнения, как алюминиевые стружки. В подрамнике отсутствуют остатки раствора. При этом общее время обработки сокращается вдвое, а эффективность повышается.
5. ВЫВОДЫ
В данной статье с помощью ТРИЗ разработано усовершенствованное устройство для очистки и сушки подрамников, которое отличается высокой эффективностью.
В будущем данный метод можно оптимизировать. Например, возможна очистка вообще без применения чистящего раствора либо чистящий раствор будет испаряться сам по себе. Тогда необходимость в сушке вообще отпадет, а конструкция оборудования упростится.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ZHAN Shicheng, YUAN Baowen, PENG Wenhuan et al. Analysis and Optimization of Durable Cracking in Front Sub-Frame for a Pure Electric Vehicle (Анализ и устранение причин растрескивания передних подрамников электромобилей). 2023 Proceedings of the Annual Conference of China Society of Automotive Engineering (на китайском), Vol. 64. 2023. pp. 1753.
2. YUN Guoli, XI Xiangjun, ZHAO Jianwen et al. Analysis and Optimization of Electric Vehicle Frame Strength Based on Simulation Analysis (Расчёт и оптимизация прочности рамы электромобиля) Mechanical Engineer (на китайском), # 8. 2023. pp. 119-122.
3. DING Fusheng, ZHANG Rui, LV Hongming et al. Strength analysis and optimization of subframe of heavy dump truck (Расчёт прочности и оптимизация подрамника тяжелого самосвала). Agricultural Equipment & Vehicle Engineering (на китайском), Vol. 61, # 8. 2023. pp. 16-19.
4. ZHANG Yanzhao, XUE Bing, TANG Xueyan. Research on strength and welding process of subframe (Исследование прочности и процесса сварки подрамника) Equipment Manufacturing Technology (на китайском), # 4. 2023. pp. 313-316.
5. ZHENG Min, ZHOU Xingxian, JIN Haiwei et al. Design of low-pressure casting die for automobile aluminum alloy hollow subframe (Проектирование формы для литья полого подрамника из автомобильного алюминиевого сплава). Die & Mould Industry (на китайском), Vol. 48,
# 12. 2022. pp. 44-46.
6. ZHANG Haili, XIE Tao. Brief Introduction of Subframe Design (Краткое введение в конструкцию подрамников) Drive System Technique (на китайском), Vol. 36, # 2. 2022. pp. 24-28.
7. LENG Hongbin, LUO Senqiao. Discussion on Design Method of Automobile Chassis Structure (Обсуждение метода проектирования автомобильного шасси) Auto Time (на китайском),
# 8. 2022. pp. 134-135.
8. GU Huapeng, YANG Ping, XU Shusheng et al. Structure design and strength analysis of aluminum alloy rear subframe (Конструкция и анализ прочности заднего подрамника из алюминиевого сплава) Internal Combustion Engine & Parts (на китайском), # 5. 2021. pp. 42-43.
9. LIU Huiying, MA Chao. A subframe cleaning and drying line (Линия очистки и сушки подрамников) Патент КНР CN201910821682.5. 2019-9-2
10. WANG Xufang, LING Shigang. Design of high-performance energy storage device based on TRIZ (Разработка высокоэффективного накопителя энергии на основе ТРИЗ) Chinese Journal of Power Sources (на китайском), Vol. 47, # 5. 2023. pp. 587-590.
