基于ARIZ的凹印机干燥箱节能创新设计研究*

丁志康 金琳 周锟鹏 肖颖

一、前言

为推动我国印刷行业生态文明建设，加快实施绿色印刷战略，促进我国印刷产业发展方式转变，实现“印刷强国”目标，新闻出版总署与环境保护部在2010年9月签署了《实施绿色印刷战略合作协议》，绿色印刷成为当前印刷行业发展的主题[1]。

实施绿色印刷不仅要从新材料、新工艺等方向入手，还应重点研究印刷装备的节能降耗。凹印机是耗能较大的印刷设备。据统计，我国蒸汽加热凹印机单色实地印刷平均消耗电能和热能约为0.96克标准煤每平方米印品，其中干燥部分消耗的能源占总能源的60%～90%[2]。因此，研究干燥系统关键部件的传热性能，对降低凹印机的能源消耗和提升凹印机运转速度具有非常重要的意义。

干燥箱是凹印机干燥系统的重要组成部件。对干燥箱部件进行节能改进，能大大提高凹印机的能源利用率。目前，凹印机干燥箱主要采用热风加红外的干燥模式。本文运用ARIZ理论，通过对干燥箱部件的节能研究，提出凹印机干燥箱节能的改进方案。

二、ARIZ概述

TRIZ理论起源于苏联，即“发明问题解决理论”，是指导创新的重要理论之一。TRIZ理论认为，一个问题解决的困难程度，取决于对该问题的描述或程式化方法，描述得越清楚，问题的解就越容易找到。

ARIZ是TRIZ理论的主要内容之一，即“发明问题解决算法”。“ARIZ”是俄文转化为拉丁文的词头缩写。

ARIZ是一套基于技术系统进化法则的系统性解决算法和逻辑结构化解题流程，是TRIZ理论中最强有力的解决发明问题工具，集成了TRIZ理论的主要观点。它主要针对问题情境复杂、产生矛盾的相关部件不明确的技术系统，用于将复杂、困难的问题逐步细化至可确定的物理冲突，直至消除冲突、解决问题，具有很强的操作性、系统性、实用性以及易流程化等特性。ARIZ的目标是获得最终理想解。最终理想解是一个发明问题最优解的模型，可以在系统最小改变，即没有系统参数变化的情况下消除问题[3]。ARIZ的工作流程图如图1所示。

图1 ARIZ的工作流程图

三、凹印机干燥箱工作原理

1.凹印机干燥箱干燥机理

凹印机的干燥方式主要为挥发干燥，即油墨与热风进行传热和传质耦合的过程。传热过程，即热风以对流的方式将热量传递到印刷品表面的油墨，然后印刷品表面油墨以热传导的方式向内部传递。传质耦合过程，即油墨中的溶剂在分子作用力和高浓度差的作用下由内部向表面扩散，印刷品表面的溶剂分子吸收热量汽化，并向热风中移动的气相传质[4]。

2.凹印机干燥箱结构分析

凹印机干燥箱的内部结构[5,6]如图2所示，主要包括进风口、进风腔、风嘴、回风管、回风腔、出风口等。热交换器产生的热风从进风口进入干燥箱进风腔，再由进风腔中的风嘴喷射到承印物表面，干燥表面油墨。干燥油墨后的热风和产生的溶剂气体经回风管进入回风腔，并由出风口排出。

图2 干燥箱内部结构示意图

干燥箱中风嘴的结构对整个干燥过程影响较大，常见的风嘴有扁平狭口型风嘴和网孔板型风嘴，如图3所示。扁平狭口型风嘴产生的风速比网孔板型风嘴产生的高，但加热面积相对较小；网孔板型风嘴产生的风速比扁平狭口型风嘴产生的低，但传递的风量较大，因而传递的热量也相对较多。

图3 扁平狭口型风嘴和网孔板型风嘴示意图

四、ARIZ在干燥箱节能创新设计中的应用

干燥箱主要功能为干燥油墨，干燥过程可简化为“干燥油墨工程系统”，其系统结构如图4所示。热风由进风口进入干燥箱进风腔，并经风嘴高速射流喷出，与承印物表面的油墨进行对流传热，干燥油墨后的热风和产生的溶剂气体混合到一起形成废气，由出风管进入回风腔，最后由回风腔经出风口向外界排放[7]。

图4 “干燥油墨工程系统”结构示意图

1.“干燥油墨工程系统”功能分析

（1）首先分析系统组件。组成系统的主要元件构成系统组件，与系统相关的系统外元件为超系统组件。“干燥油墨工程系统”的组件分析如表1所示。

表1 “干燥油墨工程系统”组件分析

（2）绘制系统作用矩阵。作用矩阵是指系统中各功能组件之间是否有相互能量关系的矩阵图，“干燥油墨工程系统”作用矩阵如表2所示，表中“＋”表示功能组件之间有相互能量关系，“－”表示功能组件之间没有相互能量关系。

表2 “干燥油墨工程系统”作用矩阵

（3）对系统进行功能分析。根据作用矩阵，结合干燥箱工作原理，对“干燥油墨工程系统”进行功能分析，分析结果如表3所示。表中B代表基本功能，H代表有害功能。

表3 “干燥油墨工程系统”功能分析表

（4）根据“表3 ‘干燥油墨工程系统’功能分析表”绘制“‘干燥油墨工程系统’功能模型”，如图5所示。图中虚线表示不足，双点画线表示有害，实线表示正常。由功能模型可知，系统中功能不足的部分有：热风对油墨的干燥不足，风嘴喷射热风的不足，进风腔和环境形成的正压不足，回风腔和环境形成的负压不足；有害的部分有：承印物吸收热风的热量，箱体向外界环境散热等。

2.“干燥油墨工程系统”因果链分析

因果链分析是ARIZ陈述问题的一种方法，可以对问题产生的原因进行多层次分析，并形成因果链，从因果链中找到需要解决的初始问题或矛盾。

对“干燥油墨工程系统”功能模型中功能不足的部分进行归纳，得出系统功能主要不足为：油墨吸收的热风热能少，大部分被承印物吸收或者被排放至外界。

将上述不足归纳为系统的初始问题：单位面积油墨吸收的热能少。结合表3的系统功能分析、图5的系统功能模型和干燥系统工作原理，对系统初始问题进行因果链分析，分析过程如图6所示。图中“OR”表明两个或几个事件中只要有一个发生就可以导致结果的产生。

图5 “干燥油墨工程系统”功能模型

图6 “干燥油墨工程系统”的因果链分析图

对图6中的初始问题进行因果分析，首先可以发现，导致单位面积油墨吸收热能少的可能原因为风嘴喷射热风不足或油墨接触热风的时间不足。接着分析又可发现，导致风嘴喷射热风不足的可能原因为出风管道中热风的流速小或者热风的传热系数小；导致油墨接触热风不足的可能原因为油墨表面溶剂气体浓度高或者热风与承印物接触时间短以及油墨层厚等。以此类推，可得到系统初始问题的多个可能的底层原因。将这些底层原因进行归纳总结便可得到“干燥油墨工程系统”的三个核心问题。

核心问题一：风嘴宽度、风嘴离承印物的高度、风嘴间距离取值不恰当，以及进风腔压强小，导致风嘴冲击射流的传热系数小。

核心问题二：出风管小和回风腔压强大，导致油墨表面溶剂气体浓度高。

核心问题三：出风管大和回风腔压强小，导致热风与承印物表面油墨接触少。

其中后两个核心问题互为矛盾对。

3.“干燥油墨工程系统”矛盾分析

将系统因果链分析中产生的两个互为矛盾对的核心问题“出风管小和回风腔压强大，导致油墨表面溶剂气体浓度高”与“出风管大和回风腔压强小，导致热风与承印物表面油墨接触少”进行矛盾对比分析，如表4所示。

表4 “干燥油墨工程系统”矛盾分析

如果增大出风管截面面积，减小回风腔压强，虽然可以降低油墨表面溶剂气体的浓度，提高单位时间的换热效率，但同时也会减少热风与承印物表面油墨换热时间，导致总的换热量变化不确定；如果减小出风管截面面积，增大回风腔压强，虽然可以延长热风与承印物表面油墨换热的时间，但同时也会提高油墨表面溶剂气体浓度，降低单位时间的换热效率，导致总的换热量变化不确定。

通过以上对“干燥油墨工程系统”的矛盾分析，可以提炼出“干燥油墨工程系统”的最小问题为：不仅降低油墨表面溶剂气体的浓度，还要延长热风与承印物表面油墨换热的时间。将最小问题进行矛盾最大化处理（激化矛盾），可得如下假设：

出风管截面与风嘴边缘相切时，出风管的截面面积最大；如果选用的排风机排风量达到最大，回风腔负压最低；假设此时出风管气体流动量最大，即油墨表面的溶剂气体浓度最低，热风与承印物表面油墨换热时间最短。

这里引入一个未知变量X元素。它可以是某一新技术、新材料、新工艺或者新的设计方案等。因为X元素的存在，在油墨表面溶剂气体浓度较低的同时，可以延长热风与承印物表面油墨换热时间。

对X元素进行时间和空间的分离，其发生的时间域和空间域如图7所示。X元素发生的时间域和空间域分别在风嘴喷射热风之后，出风管抽离废气之前。

图7 X元素发生时间域和空间域

4.“干燥油墨工程系统”物-场资源分析

物-场资源分析，就是从物质和场的角度，对系统进行分析和构造的理论和方法学，是ARIZ的一种常用的解决问题的分析方法。

“干燥油墨工程系统”物-场资源分析可以分为操作域系统分析和操作域外部环境分析[8]，如表5、表6所示。

表5 操作域系统分析

表6 操作域外部环境分析

在因果链分析和矛盾对分析的基础上，结合物-场资源分析中物质的相关参数和场的分析，可找到解决最小问题的X元素的解。

5.“干燥油墨工程系统”最终理想解

X元素是降低油墨表面溶剂气体浓度的同时，延长热风与承印物表面油墨换热时间，且X元素发生在风嘴喷射热风之后和出风管抽离废气之前的时间域和空间域内，X元素是不增加系统复杂程度，且不产生任何有害作用的理想解。根据物-场的操作域系统分析和操作域外部环境分析，结合因果链中的问题因果分析，找到以下三种X元素的理想解。

（1）利用溶剂气体分子比空气分子质量重的原理，设计一种干燥装置，将出风管往下延伸至溶剂气体分子密集区域，并且在延伸管上开小孔，方便上面的热风和溶剂分子回收，这样不仅可以增加热风与承印物表面油墨的换热时间，降低承印物表面溶剂气体的浓度，而且不产生任何有害作用。凹印机干燥箱创新设计方案一如图8所示。

图8 凹印机干燥箱创新设计方案一

（2）通过试验设定风嘴宽度、风嘴离承印物的距离、风嘴的间距以及风嘴的倾斜角度，可以在延长热风与承印物表面油墨换热时间的同时，降低承印物表面溶剂气体的浓度，且不增加系统复杂程度，也不产生任何有害作用。凹印机干燥箱创新设计方案二如图9所示。

图9 凹印机干燥箱创新设计方案二

（3）寻找一种气体，将它与热风混合，对承印物进行干燥时，该气体能与油墨挥发的溶剂气体反应，生成其他气体，使油墨表面溶剂气体的浓度大大降低，加快溶剂的挥发，且不增加系统复杂程度，不产生任何有害作用。

五、结语

通过ARIZ算法，对凹印机干燥箱进行了功能分析、因果链分析、物理矛盾分析、时间和空间分离、物-场资源分析，得到干燥箱节能改进的三个最终理想解。根据最终理想解可得到凹印机干燥箱节能的多个改进方案。

第一，将出风管往下延伸至溶剂气体分子密集区域，并且在延伸管上开小孔，方便上面的热风和溶剂分子回收。

第二，将风嘴做成倾斜状，可延长热风与承印物表面的换热时间，同时降低承印物表面溶剂气体的浓度。

第三，寻找一种理想气体。它能与油墨挥发的溶剂气体反应，生成其他气体，从而降低油墨表面溶剂气体的浓度，加快溶剂的挥发。这个过程中产生的气体应无毒无害。

[1]陈文革，蒋文燕，黄学林，等.我国凹版印刷机的现状及发展方向[J].包装工程，2008，29(4)：169-171.

[2]金琳，李艳，王仪明，等.基于测试的凹印机能效分析[J].包装工程，2014，35 (19)：119-124.

[3]檀润华.创新设计——TRIZ：发明问题解决理论[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]黄清明，陈芳园，许鹏，等.凹版印刷机干燥系统机型结构工艺参数节能减排设计[J]. 机械工程师，2010(3)：38-42.

[5]何晓辉，岳德茂.印刷科技实用手册[M].北京：印刷工业出版社，2010.

[6]孙龙.凹版印刷机热风干燥系统的性能研究[D].西安：西安理工大学，2008.

[7]金琳.基于测试评价的凹印刷机烘干系统创新设计方法研究[D].北京：北京印刷学院, 2015.

[8]李艳，施向东.基于TRIZ理论的印刷装备创新设计案例[M].北京：文化发展出版社，2017.