基于TRIZ 的生物質成型機創新設計

劉威

(新疆維吾爾自治區工業經濟和信息化研究院，新疆 烏魯木齊830000)

“綠水青山就是金山銀山”是新時期建設“資源節約型，環境友好型”社會的重要途徑。生物質能源是一種可再生能源，同時也是唯一一種可再生的碳源。生物質成型機是一種將粉碎狀生物質原料，經過壓縮成型，制成顆粒或棒狀、塊狀燃料，可以做為燃爐、鍋爐、發電爐的燃料等用途的設備。

目前市場上的生物質成型機多采用環模壓輥式結構，存在著可靠性差、輥模磨損嚴重、原料適應能力差、模孔易堵塞等問題，成為制約生物質成型燃料規模化和產業化發展的瓶頸。

1 問題分析

系統組成：現有環模壓輥式成型機主要組成有：模孔、壓輥、環模盤、電機、主軸等。

系統功能：壓縮秸稈的體積。

環模壓輥式成型機工作原理如圖1 所示：

圖1 環模壓輥式生物質成型機工作原理示意圖

由電動機通過聯軸器帶動主軸旋轉，主軸通過壓輥連接板帶動壓輥公轉，壓輥同時還繞壓輥軸自轉，由于摩擦和擠壓，秸稈粉碎物的存放空間不斷縮小，從而進入并通過成型模孔。已經成型的壓塊燃料從環模孔中不斷被擠出，在自身重力作用下，折成一定長度的成型塊料，從環模孔出口處落下。設備工作期間，經常發生悶車現象，需停機維修，影響生產率；需要經常檢修、清理、更換設備的主要零部件壓輥和環模盤，因為其磨損嚴重；秸稈粉碎物容易滯留在成型模孔中，導致成型模孔堵塞，使設備運行強制中斷，從而不能進行正常生產，降低了設備生產率，影響了秸稈壓塊的品質，降低了環模盤的使用壽命，增加了設備的維修成本。

2 S- 曲線分析

圖2 系統的生命曲線圖

如圖所示，為秸稈壓塊成型機的S 形進化曲線。經查閱相關資料可知秸稈壓塊成型機的相關專利集中在發明專利上，性能參數較好，但對于某些裝置還需要進一步的優化。綜上，我們判斷秸稈壓塊成型機處于成長期。

針對成長期的戰略如下：（1）實現最優化是發展工程系統的主要方法；（2）不斷把系統應用到新的領域；（3）盡可能找到折中和降低劣勢的解決方案。

3 系統分析- 九屏圖

九屏圖不僅僅要考慮到當前系統，也要以空間為軸考慮到它的子系統和超系統。從子系統的將來獲取資源，采用智能傳料與精準壓縮系統，利用智能方式實現生物質燃料的壓塊成型（如圖3）。

4 金魚法

利用金魚法，將環模盤分割成由多個環模塊組成，物料由一個環模孔進，以增加環模孔的進料量，由兩個環模孔出，來滿足生物質燃料的形狀要求，在兩個環模孔中間隔板端部倒角，減小進料阻力（表1）。

5 技術矛盾分析

5.1 提取技術矛盾及原問題技術矛盾的表述（如圖4）

表1 金魚法應用流程表

圖3 環模壓塊機系統的九屏圖

圖4

確定要解決的技術矛盾為TC-（1），它發生在（秸稈）與（壓輥）之間，發生在（秸稈擠壓成型）的時候。

5.2 問題模型——對應的39 個通用工程參數

表2 矛盾矩陣表

5.3 解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為：19、30、35、2，提出技術方案：

由NO2 抽取原理啟發得到：將壓輥和環模盤改為行星輪式的具有咬合功能的輥模，減小和秸稈散粒的摩擦面積，同時增大對秸稈散粒的擠壓壓強。如圖5 所示。

圖5 壓輥結構示意圖

由N35 物理或化學參數改變原理啟發得到：壓輥表層采用耐磨材料制造（芯部保持韌性，提高表面硬度和耐磨性），并進行熱處理。

6 技術系統進化法則

6.1 系統完備性進化法則

通過完備性法則得出，將集中控制箱更換為可調節式遠程指令操作，將增加整機的智能化，較少人為操作問題的發生。

6.2 系統動態性進化法則（圖6）

技術系統的動態性應該沿著增加結構柔性，可移動性，可控性的方向進化，以適應環境狀況或執行方式的變化。秸稈壓塊成型方式向增加自由度進化：得出在成型室增加增壓裝置，產生足夠的壓強，利用壓強實現對進孔碾壓料的推送作用。

圖6 生物質成型機系統完備性圖

圖7 嚙合式生物質壓塊成型機

6.3 提高理想度法則

系統的理想度定義為所有的有用功能與有害功能和成本之和的比值，技術系統改進的一般方向是最大化理想度的比值，努力提升其理想度水平。均料裝置提高理想度：引入靜電場。使秸稈顆粒吸附在環模孔表面，形成顆粒層。

7 最終實施方案

綜合方案后確定最終實施方案，如圖7 所示，設計出嚙合式生物質燃料成型機。工作時啟動機架下方的電機，電機通過聯軸器帶動主軸轉動，主軸轉動帶動壓輥連接板旋轉，壓輥連接板轉動帶動壓輥軸旋轉；壓輥在壓輥軸上繞主軸轉動，同時在原料摩擦力的作用下，壓輥同時分別以和主軸相反的方向自轉；在壓輥公轉和自轉的同時作用下，生物質粉碎物的空間不斷被壓縮，在物料、環模、壓輥三者的摩擦作用下，生物質成型壓塊就會從模孔中不斷被擠壓出來；被擠壓出來的生物質成型壓塊由料斗處滑落、收集，最終獲得成品。

8 結論

針對現有環模壓輥式生物質成型機可靠性差、輥模磨損嚴重、原料適應能力差等問題，基于TRIZ 理論創新設計了一種嚙合式生物質壓塊成型機。采用環模盤與壓輥咬合式相互配合，壓輥與入料凹槽形成嵌入式結構，實現進一步壓縮，提高了生產效率和原料適用性；采用組合可拆卸式環模盤，便于拆卸與維修。