基于TRIZ理論的對輥式對蝦分級機改進設計

楊淑華，張秀花，弋景剛，李珊珊，袁永偉，李昕

（河北農業大學機電工程學院，河北保定071001）

基于TRIZ理論的對輥式對蝦分級機改進設計

楊淑華，張秀花*，弋景剛，李珊珊，袁永偉，李昕

（河北農業大學機電工程學院，河北保定071001）

TRIZ理論是一種解決創新問題的理論，它利用發明原理解決設計中技術沖突問題。采用TRIZ理論中的技術沖突解決方法設計一種帶有分散定向裝置的新型對蝦分級機，該分級機解決了原有對蝦分級機占地面積大，使用場地受限制的問題。改進后對蝦分級機占地減小1/3左右。經對比試驗，分級精度較原有機型略有提高，破損率有所降低。結構簡單，易于原有機型的改進實施，具有一定的推廣意義。

對蝦分級；TRIZ理論；技術沖突；分散定向裝置

Abstract：TRIZ theory is a way to solve the problem of innovation，it is used to solve the conflict problem of technology in the design by innovation.The article which adopts contradictions in the technical theory of TRIZ designs a new shrimp roll grading machine with the dispersive and directional device.This machine solves the problem of the original shrimp grading machine，which covers a large area and is used to a restricted field.The improved shrimp grading machine cuts down area of about 1/3 than the original.Through contrast test，classification accuracy is slightly increased and damage rate is slightly reduced than the original machine.The structure is simple and improved easily on the original machine，it has a certain promoting significance.

Key words：shrimp grading；theory of inventive problem solving （TRIZ）；technical conflict；dispersive and directional device

隨著經濟發展和人們生活質量提高，肉質細膩、味道鮮美、營養豐富的對蝦成為深受人們喜愛的低脂高蛋白食品。為滿足消費者日趨增長的消費需求，對蝦養殖面積正在逐年增大，對蝦產量逐年增加。2011年我國的對蝦產量達到了156萬噸。2012年，我國對蝦產量158萬噸。2014年，中國對蝦產量153萬噸，較2013年增加20萬噸。2015年，我國對蝦產量比2014年略有增加[1-2]。對蝦貿易在水產貿易中高居首位[1-2]。對蝦分級可提高對蝦產品的質量等級化、包裝規格化程度，增加對蝦產品的附加值且可為對蝦的去頭、開背、剝殼等后續工藝提供必要準備工作。

國外關于對蝦等水產品分級的研究已達到較高的水平，在制定標準、研制設備方面在一定程度上領先于國內。國內關于相應的對蝦分級機械研究起步較晚，市場上出售的設備多依靠成套引進研究，通過大量的引進學習也有了迅速的發展。對蝦分級機根據其分級機理的不同，主要有質量式分級機、外形尺寸式分級機、光電式分級機等[3-13]。目前，國內使用的尺寸分級機多為輥帶式分級機或雙輥式分級機[10，13-14]，統稱為輥式分級機，這種分級機根據其分級輥不同又可分為變直徑與等直徑兩種形式[10，13-14]。河北農業大學國家海洋公益項目組李影欣等[14]對對蝦的生物特性進行了研究，提出對蝦體厚和質量兩物理參數之間呈一定的函數關系，通過理論分析和試驗研究相結合的方法，確定了對蝦分級輥、分級床等關鍵結構參數和工藝參數，研制了以對蝦體厚為分級指標進行對蝦分級的對輥式分級機。

現有對輥式對蝦分級機一般由兩級輸送帶和一組分級輥組成，存在體積較為龐大、對蝦堆積、蝦須纏繞等問題，影響分級效率和分級精度。本文采用創新研究方法TRIZ理論對現有對輥式對蝦分級機使用過程中的問題進行了分析，尋找有效方法，并設計一種體積小、結構緊湊、分級精度高、分級效率高的對蝦分級機。

1 TRIZ主要理論及設計方法簡介

TRIZ是由前蘇聯發明家根里奇阿奇舒勒（G.S.Altshuller），在研究和整理世界各國著名發明專利過程中，提出的一種發明問題解決理論[15-18]。TRIZ是一種創新體系，其主要研究的對象是分析并解決發明中的技術沖突和物理沖突。其中技術沖突是指在發明創新中某兩個相互制約的參數存在矛盾，當一個參數得到改善時，另一個參數就隨之惡化。為了方便的解決創新中遇到的技術沖突，TRIZ提供了40條發明原理以及39個技術參數構成的沖突矩陣表，通過查閱相應的參數及原理，可以直面發明創新中的問題，快速的尋找解決方案。解決物理沖突，可采用分離原理尋找解決方案。解決技術沖突，運用沖突矩陣表分析并解決設計中存在的技術矛盾和物理矛盾，能夠加快設計者的創新過程，明確創新目標，得到高質量的設計作品。本文主要采用分析技術沖突的方法對設計方案進行創新和改進。

2 對輥式對蝦分級機工作原理

對輥式對蝦分級機[19]由儲料池1、一級輸送裝置2、皮帶刮板3、送料池4、二級輸送裝置5、導料板6、分級裝置7、分級后對蝦輸送裝置8及機架9等部分組成見圖1。

圖1 對蝦分級機結構Fig.1 Structure of shrimp grading machine

分級時在儲料池中加入清水和碎冰塊，保持水溫低于3℃，分級過程中調整進水和出水的流量，保證冰水混合物的總量和濁度；一級輸送裝置2、3由輸送帶、輸送輥及電機組成，分別兩個電機直接為主傳送輸送輪提供動力，帶動輸送帶運動，通過二級輸送帶將對蝦均勻輸送至分級床上方，在輸送帶表面布置一定高度的擋板可防止大傾角傳送造成的對蝦在輸送帶表面滑落；二級輸送帶的運動速度大于一級輸送帶，將落入送料池4中的對蝦迅速帶走一部分，防止對蝦堆疊和蝦須纏繞。皮帶刮板3將粘連在輸送帶邊緣的對蝦強制落下。分級裝置5主要包括五對分級輥及間隙調節裝置、傾角調節裝置，傳動裝置及電機等組成。分級輥分為固定輥和活動輥兩種，兩種輥交替布置，通過鏈輪、鏈條的傳動實現反向對轉，分級輥呈階梯狀，直徑由上到下依次變小，對蝦沿導向板6落入分級床7的分級輥上，在重力和反向轉動的輥軸推力作用下沿傾斜的分級輥下滑，下滑到合適間隙處落至相應級別的分級輸送帶上，完成分級。分級后對蝦輸送裝置8由五條輸送帶、傳動裝置及電機等組成，五條輸送帶為篩網帶，可淋去分級后的對蝦大量水分，將對蝦按規格輸送至所需位置，等待后續處理。

3 基于TRIZ的對蝦分級機改進設計

3.1 占地面積與生產率的技術沖突分析

對蝦分級機需在二級輸送帶兩者輸送速度配合下，才可克服對蝦堆積問題，將對蝦均勻輸送到分級裝置，導致分級機占地面積大，使用中受到場地面積的限制。但如果減少為一級輸送，不能保證對蝦均勻輸送，會導致對蝦在輸送帶和分級輥上的堆積問題，堆積還會帶來蝦須纏繞問題，使分級精度和生產效率不能達到用戶要求，影響分級機的生產性能，如圖2。

圖2 TRIZ解決沖突流程Fig.2 Flow chart of TRIZ conflict resolution

占地面積大和保障分級機分級精度和生產率問題之間出現了技術沖突，在這對技術沖突中，占地面積為需要改善的技術特性參數，生產率為惡化的技術特性參數。根據沖突矩陣表[15]可查到的發明原理分別是：

（7）嵌套原則——一個物體通過另一個物體的空腔。

（10）預先作用原則——預置必要的動作、功能；把物體預先放置在一個合適的位置以讓其能及時地發揮作用而不浪費時間。

（17）向另一維度過渡的原則——利用多層結構替代單層結構。

（35）改變參數原則——改變物體的物理狀態、濃度、黏度、柔性；改變物體的溫度或體積等參數。

根據發明原理，減小對蝦輸送裝置為一級輸送，可減小整機占地面積1/3左右，采用發明原理（10），在輸送裝置和分級裝置之間預置一個具有分散和定向功能的裝置，使它在對蝦落下時及時使對蝦產生分流，對蝦經由3條路線分別進入分級輥如圖3。

圖3 對蝦落下路線Fig.3 Shrimp down line

避免對蝦的堆積和蝦須的相互纏繞。第1條路線：對蝦由輸送帶頂端落入大分散定向輪，在大輪的拋送下，落點距輸送帶最遠；第2條路線：對蝦由輸送帶頂端落入小分散定向輪，在小輪的拋送下，落點距輸送帶居中；第3條路線：對蝦由輸送帶頂端落入導向板，靠自重從導向板滑落，落點距輸送帶最近。同時采用發明原理（35），增加傳動裝置的傾斜角度，讓少部分對蝦自然滑落回出料池，減少對蝦堆積的幾率。

3.2 對蝦分散與定向裝置結構設計

分散與定向裝置（如圖4）由電機1、6個大輪2、12個小輪3、V型定向板4、傳動軸5、支撐架6等組成。支撐架與分級裝置通過螺釘固定聯接在一起。

圖4 分散與定向裝置Fig.4 Structure of dispersive and directional device

工作時，由電機通過傳動軸5帶動6個大輪和12個小輪一起轉動，利用大輪和小輪的直徑差異，當對蝦通過分散輪時，與輪一起轉動，在輪的帶動下具有不同的線速度，落入V型定向槽的位置不同，從而達到了分散對蝦與定向的目的。

3.3 改進后的對蝦分級機結構

改進后的新型對蝦分級機（如圖5），由機架1、儲樣池2、輸送裝置3、分散定向裝置4、導料板5、分級裝置6、分級后對蝦輸送裝置7等部分組成。

圖5 新型對輥式對蝦分級機簡圖Fig.5 A new roller diagram of shrimp grading machine

當輸送帶將對蝦輸送至分級床上方時，由分散定向裝置4對對蝦進行分級，分散后的對蝦再進入分級輥實現分級。調整輸送裝置與分級裝置之間的傾斜角度，已獲得較高的分級精度。

制成的分散定向裝置裝在原有樣機上如圖6所示，為了防止對蝦在分散定向輪上拋送過遠，增加設計了擋蝦板4。

圖6 分散定向裝置實物圖Fig.6 Object graph of dispersive and directional device

4 對蝦分級效果對比試驗分析

試驗目的是驗證改進后的對蝦分級機效果。改進前、改進后的對蝦分級機在近乎相同試驗條件（即原有樣機二級輸送裝置轉速65 r/min，改進后樣機分散定向輪轉速為65 r/min；一級輸送裝置速度62 r/min；分級輥轉速70 r/min、傾角22°）下進行試驗。分別進行分級試驗，考察分級精度和對蝦的損傷率兩個指標，對比試驗效果。其中：

試驗材料為在水產市場上購買的南美白對蝦，每組試驗取對蝦個數為200只，每臺各做10組試驗，記錄試驗數據，制成柱狀圖，見圖7。

圖7 試驗結果對比Fig.7 Contrast of test results

從圖7可得：改進前后對蝦分級機分級精度均≥90%，損傷率均≤5%。改進后的對蝦分級機分級精度比改進前略有增加，損傷率略有下降。由此可知，此改進方案可行。

5 結論

以TRIZ創新理念為指導，能夠縮短創新發明的周期，為設計者快速指明在設計中所遇到的問題的解決方向。本文運用TRIZ的技術沖突理論設計了一種新型的對輥式對蝦分級機，解決了原有對蝦分級機占地面積大，對蝦堆積等問題，設計的分散定向裝置結構簡單可靠、制造成本低、在原有機型上改進方便，可實施性好，具有較高的推廣價值，對解決類似的技術沖突提供了可借鑒的創新設計方法和創新理念。

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Improved Design of Shrimp Roll Grading Machine Based on TRIZ

YANG Shu-hua，ZHANG Xiu-hua*，YI Jing-gang，LI Shan-shan，YUAN Yong-wei，LI Xin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China）

2017-01-05

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.048

海洋公益性行業科研專項（201205031）；河北省高等學校科學技術研究項目（ZD2016111）；河北農業大學理工基金（LG20150101；201501）；保定市科學技術研究與發展指導計劃（16ZN004）

楊淑華（1975—），女（漢），講師，碩士研究生，主要從事智能化農業裝備與技術研究。

*通信作者：張秀花（1972—），女（漢），副教授，主要從事機械設計與理論、農業機械技術裝備的研究。