TRIZ應(yīng)用實(shí)例--新型建筑用電線的研制開發(fā)

TRIZ應(yīng)用實(shí)例

—新型建筑用電線的研制開發(fā)應(yīng)用背景當(dāng)前有色金屬價(jià)格暴漲，銅價(jià)格近年來上漲了三倍多，價(jià)格居高不下，銅導(dǎo)體本錢占電纜原材料總本錢的90%以上。造成了建筑用線價(jià)格增漲了三倍多，建筑用電線本錢明顯增高。如何既能保證滿足電纜銅導(dǎo)體的技術(shù)指標(biāo)，又可以大幅度降低電纜本錢，是當(dāng)前電纜電線行業(yè)急需解決的難題。問題描述建筑用線主要用于電源進(jìn)戶線、室內(nèi)照明回路、電源插坐回路、家用電器、日用電器、電氣開關(guān)等用電回路，隨著人們生活水平的提高，人均用電量明顯提高，為確保住宅的電氣平安水平，為滿足住宅的實(shí)際用電量急劇增長的需求，確保用電平安，選用電線寧大毋小，超前考慮，以免后患。建筑用線顯著增加，建筑用線的本錢占整體建筑物本錢的比例明顯增高。問題1：我國是銅資源匱乏國家，五六十年代我國提倡以鋁代銅，建筑用線多采用鋁導(dǎo)體作為導(dǎo)體材料,該材料價(jià)格低，比重輕等優(yōu)點(diǎn)；但因?yàn)殇X導(dǎo)體使用過程中因腐蝕、碰傷或因緊壓不良且無法錫焊連接引起導(dǎo)體與接線端子接觸不良、發(fā)熱導(dǎo)致電纜端部燒毀的隱患，引發(fā)火災(zāi)事故，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)在建設(shè)部明確規(guī)定，建筑用線全部采用銅作為問題1：我國是銅資源匱乏國家，五六十年代我國提倡以鋁代銅，建筑用線多采用鋁導(dǎo)體作為導(dǎo)體材料,該材料價(jià)格低，比重輕等優(yōu)點(diǎn)；但因?yàn)殇X導(dǎo)體使用過程中因腐蝕、碰傷或因緊壓不良且無法錫焊連接引起導(dǎo)體與接線端子接觸不良、發(fā)熱導(dǎo)致電纜端部燒毀的隱患，引發(fā)火災(zāi)事故，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)在建設(shè)部明確規(guī)定，建筑用線全部采用銅作為問題2：目前市場上常用的耐溫等級70℃銅芯聚氯乙烯絕緣電線。隨著用電量的增加，絕緣材料的耐溫只有70℃,承載能力有限，目前只有增加導(dǎo)體材料的用量，進(jìn)一步增加了建筑用電線的總體本錢。

矛盾分析系統(tǒng)要素有導(dǎo)體和絕緣材料；系統(tǒng)存在的物理矛盾有：對銅和鋁導(dǎo)體材料的選擇，PVC絕緣材料與新型絕緣材料的選擇的矛盾。矛盾分析1：目前市場上銅導(dǎo)體價(jià)格過高造成建筑用線價(jià)格提高三倍以上，如果采用鋁導(dǎo)體產(chǎn)品價(jià)格可明顯降低，但鋁導(dǎo)體的各項(xiàng)性能指標(biāo)和使用性能達(dá)不到要求。矛盾分析2：人均用電量增加，需要增加建筑用線的載流量〔I〕，現(xiàn)有聚氯乙烯絕緣材料的耐溫等級一般為70℃，如果電線輸送電流過大，產(chǎn)生的熱量使絕緣材料的溫度長期超過70℃時(shí)，聚氯乙烯材料會分解產(chǎn)生氣孔，失去絕緣性能，電線擊穿，引起漏電等。

電線輸送電流的過程同時(shí)產(chǎn)生熱量Q=I2·R,載流量〔I〕增加，需提高絕緣材料的耐溫等級和降低導(dǎo)體材料的電阻〔R〕,降低導(dǎo)體電阻需要增加銅導(dǎo)體的用量，存在提高電能的輸送量和建筑用線的本錢提高的矛盾。解決思路和關(guān)鍵步驟本例可以使用TRIZ矛盾矩陣和原理來分析和解決問題。1、使系統(tǒng)性能提高的技術(shù)特性是：1〕靜止物體的重量2#〔導(dǎo)體重量〕2〕溫度17#〔絕緣材料的耐溫等級〕2、使系統(tǒng)性能降低的技術(shù)特性是：1〕可靠性27#2〕可靠性27#

3、二組技術(shù)矛盾：

對這二組技術(shù)矛盾分別運(yùn)用技術(shù)矛盾解決矩陣的方法，得到2個(gè)創(chuàng)新原理提示以開拓思路：

1〕降低導(dǎo)體材料本錢，銅導(dǎo)體材料采用鋁導(dǎo)體等價(jià)格低的金屬材料取代〔靜物的重量〕，電線的平安性降低〔可靠性〕。由技術(shù)矛盾矩陣[靜物的重量/可靠性]得到3#局部質(zhì)量改善法、8#功提重物法、10#預(yù)先作用法、28#系統(tǒng)替代法。創(chuàng)新原理提示：采用3#局部質(zhì)量改善法

2〕提高載流量，絕緣材料外表溫度提高〔溫度〕，但電線工作的可靠性降低〔可靠性〕。

由技術(shù)矛盾矩陣[物質(zhì)的量/可靠性]得到19#離散法、35#性能轉(zhuǎn)化法、3#局部質(zhì)量改善法、10#預(yù)先作用法。創(chuàng)新原理提示：采用35#性能轉(zhuǎn)化法

最終結(jié)果：在創(chuàng)新過程中應(yīng)用了3#，35#創(chuàng)新原理。

A應(yīng)用3#創(chuàng)新原理—局部質(zhì)量改善法〔使物體的不同的局部應(yīng)起的作用不同〕。

解決方案：導(dǎo)體材料采用鋁包銅結(jié)構(gòu)。

B應(yīng)用35#創(chuàng)新原理—性能轉(zhuǎn)化法〔改變溫度〕

解決方案：采用耐溫等級高的材料，由于耐溫等級提高，導(dǎo)體截面不變的情況下，可增加載流量，。結(jié)論采用銅包鋁導(dǎo)體耐溫等級90℃的交聯(lián)聚乙烯材料絕緣制造新型建筑用線，保證滿足電纜銅導(dǎo)體的技術(shù)指標(biāo)，又可以大幅度降低電纜本錢，具有較大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益：1.直流電阻率：銅包鋁線的電阻率比純銅線大，約為純銅線的1.5倍，在阻值相同時(shí)，銅包鋁線重量約為純銅線的1/2。根據(jù)集膚效應(yīng)計(jì)算，在5MHz以上高頻時(shí)，與相同截面的銅導(dǎo)體相比，其電阻率相等。在50Hz頻率的電力電纜的使用中，其銅導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)隨著電纜截面的增大就逐漸顯得突出，同時(shí)由于科學(xué)技術(shù)的不斷開展，產(chǎn)生高次諧波電流和能源會注入到供電系統(tǒng)中，在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生出相應(yīng)頻率的高次諧波電壓，致使電壓的波形發(fā)生畸變，增加供電系統(tǒng)的損耗，使導(dǎo)體發(fā)熱增加；此外，電纜使諧波放大，在接頭處產(chǎn)生過電壓而損壞電纜頭。采用銅包鋁導(dǎo)體會起到降低高次諧波產(chǎn)生的交流阻抗〔電阻〕的作用。在其他使用場合，通過采取提高銅包鋁單絲中銅的體積和相應(yīng)的工藝措施，使銅包鋁/銅復(fù)合導(dǎo)體在現(xiàn)有同規(guī)格導(dǎo)體的外徑尺寸上限內(nèi)，滿足導(dǎo)體直流電阻要求。2.降低交流電阻：2.1交流電阻是電流載流量的主要依據(jù)，根據(jù)集膚效應(yīng)的原理，單根導(dǎo)線的外表，其單位面積通過的電流比導(dǎo)線的圓心單位面積通過的電流要大，也就是說，大截面導(dǎo)體的圓心在相同導(dǎo)體相成的圓面積內(nèi)，圓心比圓周通過的電流要小，所以把圓心導(dǎo)體與圓周導(dǎo)體用不同的金屬組成是最合理、最經(jīng)濟(jì)的。2.2影響交流電阻指標(biāo)除直流電阻、集膚效應(yīng)外，還有鄰近效應(yīng)，與相同直流電阻的銅導(dǎo)體相比，采用銅復(fù)合導(dǎo)體后，單根導(dǎo)體內(nèi)，鋁在園心，銅在外緣；在絞合導(dǎo)體內(nèi)，內(nèi)層是銅包鋁，外層是純銅，而鋁對集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都沒有銅敏感，同時(shí)銅復(fù)合導(dǎo)體會使導(dǎo)體總截面增加一部份，因此也增加了導(dǎo)體的外表積，改善了電纜的散熱條件，增加了散熱面積，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)與銅相近，在同等的材料本錢條件下，交流電阻的指標(biāo)要經(jīng)濟(jì)得多。

3.具有良好的耐腐蝕性：鋁比銅易腐蝕，但由于銅包鋁材料已經(jīng)完全冶金化，鋁完全被銅所覆，不會被水、空氣接觸，完全到達(dá)與銅一樣的性能。銅包鋁/銅復(fù)合導(dǎo)體還更有利于防止電纜在長期使用過程中由于腐蝕、碰傷或因緊壓、錫焊接不好使導(dǎo)體與接線端子接觸不良、發(fā)熱引起銅層脫落和銅鋁兩種金屬之間形成電勢差，加速電化腐蝕，造成電纜端部燒毀的隱患。對于鋁導(dǎo)體，特別是在沿海地區(qū)，大氣中鹽霧所含有的氯離子會凝聚在鋁的外表，易在外表的雜質(zhì)和缺陷周圍引起局部腐蝕，形成孔洞、裂紋和微電池，加劇鋁導(dǎo)體的腐蝕。

4.采用銅包鋁導(dǎo)體可滿足目前待續(xù)多年的電線電纜在產(chǎn)品選型、設(shè)計(jì)、使用、安裝等方面的習(xí)慣，還對電纜的接線端子緊壓、錫焊接有利。

5.本錢低重量輕：與相同技術(shù)指標(biāo)的銅芯電纜相比，銅包鋁導(dǎo)體電纜可節(jié)約本錢20%以上，銅包鋁/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜可節(jié)約本錢5%以上。銅包鋁線的比重僅為純銅線的37%-