基于TRIZ的錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機概念設計

付敏，李萌，郝鎰林，李榮峰，周柯成，谷志新

（東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

微粉碎是指粉碎成品粒度為10～100μm的粉碎技術[1]。秸稈微粉碎后可以作為木塑復合材料、絕緣材料等多種產(chǎn)品的基質(zhì)原料，也可以提取木質(zhì)素、纖維素等營養(yǎng)成分，從而實現(xiàn)高品質(zhì)精細化利用，使其不再局限于供熱、飼料等低附加值領域，最終達到節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的[2]，[3]。

相關學者針對秸稈粉碎技術和設備展開了研究。褚斌[4]研發(fā)了適用于藤莖類秸稈的大型立式粉碎機，該粉碎機采用雙級串聯(lián)錘片粉碎方式，出料粒度低于2 cm。祝志芳[5]設計的新型斬切式稻桿粉碎機，采用斬刀初切結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)刀輥和粉碎腔壁揉搓、撞擊的粉碎方式，可將秸稈粉碎至1 cm以下。Phani Adapa[6]先采用蒸汽爆破預處理改善生物質(zhì)原料的粉碎性能，再結(jié)合沖擊式粉碎的方式，使出料粒度為1.6 mm。賀強[7]研發(fā)的農(nóng)作物秸稈超細顆粒制備裝置，采用先經(jīng)過動刀和定刀鍘切粗粉碎，后經(jīng)過錘片和齒板搓擦、擊打粉碎的組合式粉碎方式，使出料粒度為74μm。鐘聲標[8]設計的玉米秸稈超微粉碎機采用螺旋齒刀剪切、偏心擠壓及撞擊的粉碎方式，可將入料粒徑小于10目的秸稈粉碎至400目。

市場上現(xiàn)有的規(guī)模化秸稈粉碎設備多為秸稈還田粉碎機、飼料產(chǎn)業(yè)的粉碎揉搓機等粗粉碎設備，存在粉碎粒度大、刀具磨損快、能耗高和產(chǎn)量低的問題。目前，有關秸稈微粉碎機的研究較少，且現(xiàn)有的秸稈微粉碎機不能兼顧細粉碎粒度和高生產(chǎn)率的要求，難以滿足規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的需求。針對上述問題，本文基于TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論指導秸稈微粉碎機的概念設計，基于功能需求分析和科學效應確定秸稈微粉碎方法；應用TRIZ工具對粉碎機構(gòu)、分級機構(gòu)、入料機構(gòu)進行設計，創(chuàng)新設計了一種錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機。

1 TRIZ簡介

TRIZ是一種系統(tǒng)化的、結(jié)構(gòu)化的解決發(fā)明問題的創(chuàng)新方法學，TRIZ的解題流程（圖1）可分為4大部分[9]，[10]。第一部分為問題描述，即明確系統(tǒng)的功能、組成結(jié)構(gòu)、相關技術參數(shù)，闡明存在的問題及問題解決目標。第二部分為分析問題，可選擇的TRIZ工具有因果鏈分析、系統(tǒng)功能分析、理想解IFR（Ideal Final Result）、九屏幕法和資源分析。第三部分為應用解題工具求解新方案，可選擇的TRIZ工具有矛盾分析、物場分析、小人法、科學效應庫和技術系統(tǒng)進化法則[11]。第四部分為方案評價，即對所有概念方案從經(jīng)濟性、可實施性和先進性等多方面進行評價，篩選最終實施方案。

圖1 TRIZ的解題流程Fig.1 Problem solving process of TRIZ

2 秸稈微粉碎機功能需求分析及微粉碎方法確定

2.1 秸稈微粉碎機功能需求分析

秸稈微粉碎機的主要功能為粉碎秸稈，輔助功能為分離秸稈微粉料、輸送秸稈混料進入微粉碎室等。本文應用TRIZ工具確定秸稈微粉碎方法，并針對粉碎機構(gòu)、分級機構(gòu)和入料機構(gòu)進行創(chuàng)新設計。

2.2 基于科學效應的秸稈微粉碎方法確定

①泛化功能:減小物料尺寸。

②效應查找和篩選:在文獻[12]的科學效應總庫中尋找能減小物料尺寸的效應并進行適用性評價（表1）。

表1 科學效應Table 1 Scientific effect

③微粉碎方法的確定:基于化學效應和生物效應的粉碎方法存在效率低，粉碎粒度不可控的問題。基于物理效應的粉碎方法具有操作簡單、反應速度快、不產(chǎn)生污染性物質(zhì)和化學垃圾的優(yōu)點。在物理效應中，攪拌不適用于質(zhì)量輕，韌性大的秸稈物料；研磨的效率較低，不適宜規(guī)模化生產(chǎn)；超聲波用于秸稈粉碎，成本過高。綜上，確定秸稈微粉碎方法為沖擊式。

3 基于TRIZ的秸稈微粉碎機概念設計

3.1 原型系統(tǒng)工作原理及存在的問題

經(jīng)過文獻檢索和市場調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)沖擊式微粉機的粉碎盤轉(zhuǎn)速高、入風量大，適用于加工化工原料、橡膠、中藥、飼料等熱敏性物料和纖維性物料[13]。但是，將其應用于纖維狀秸稈時，存在原料適應性差、粉碎效率低的問題，所以本文擬以沖擊式微粉機為原型進行改進創(chuàng)新。

沖擊式微粉機的工作原理如圖2所示。物料經(jīng)過螺旋進料器進入機架與導流環(huán)之間的粉碎室，在粉碎室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)錘盤的沖擊下，撞擊定子內(nèi)圈而被粉碎，粉碎后的物料在氣流的吸力作用下，符合粒度要求的物料克服粉粒自重越過導流環(huán)進入分級室；當吸力大于離心力和重力時，微粉粒從分級葉輪的葉片間隙通過，并被收集；其余物料沿導流環(huán)落在粉碎室被重復粉碎[13]。

圖2 沖擊式微粉機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the micro-grinder with impacting

3.2 粉碎機構(gòu)設計

粉碎機構(gòu)的作用是將秸稈混料的尺寸減小到300目以上。針對沖擊式微粉機粉碎粒度大的問題，應用TRIZ工具中的因果鏈分析、九屏幕法和IFR對粉碎機構(gòu)進行設計。

3.2.1 因果鏈分析

通過粉碎機構(gòu)因果鏈分析（圖3），得到8個導致沖擊式微粉機粉碎效率低的原因節(jié)點，為粉碎機構(gòu)的設計和求解提供了方向。

圖3 粉碎機構(gòu)因果鏈分析Fig.3 Cause-effect chains analysis of the crushing mechanism

3.2.2 九屏幕法求解

TRIZ中的九屏幕法從時間和系統(tǒng)兩個維度對問題系統(tǒng)的現(xiàn)狀、過去和未來進行分析，以此突破對問題系統(tǒng)的認知局限，尋找更多的解題資源。通過對沖擊式微粉機的九屏幕分析（圖4），提出2個概念方案。

圖4 沖擊式微粉機九屏圖Fig.4 9 screen approach of the micro-grinder with impacting

由子系統(tǒng)未來資源提出概念方案1（圖5）:在錘盤內(nèi)圈添加剪切刀具，使物料受到?jīng)_擊和剪切復合粉碎作用。

圖5 動刀盤示意圖Fig.5 Schematic diagram of the moving cutterhead

由子系統(tǒng)的未來資源提出概念方案2（圖6）:添加帶有切削刀具的定刀盤，增強對物料的剪切粉碎作用。

圖6 定刀盤示意圖Fig.6 Schematic diagram of the fixed cutterhead

3.2.3 IFR求解

IFR是一種突破固有思維慣性的解決問題工具。應用IFR的解題流程如下所示。

①設計的最終目標是什么?秸稈粉碎至300目以上且生產(chǎn)率達600 kg/h。

②最終理想解是什么?秸稈原料自己減少尺寸到需要的粒度。

③達到理想解的障礙是什么?秸稈沒有動力系統(tǒng)，不能產(chǎn)生剪切、摩擦和沖擊作用。

④出現(xiàn)這種障礙的原因是什么?秸稈顆粒自身特性；沒有額外的動力系統(tǒng)。

⑤不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么?改變秸稈特性；使用機械結(jié)構(gòu)給秸稈顆粒施加作用力。

⑥創(chuàng)造這些條件所用的資源是什么?物質(zhì)資源:秸稈原料、錘盤和定子內(nèi)圈；能量資源:風能、機械能和磁場；參數(shù)資源:形狀、濕度、溫度和速度。

由物質(zhì)資源中“錘盤”提出概念方案3:將兩個錘盤相對安裝在反向旋轉(zhuǎn)的軸上，增加對秸稈的研磨粉碎作用。

由物質(zhì)資源中“定子內(nèi)圈”提出概念方案4:將定子內(nèi)圈與秸稈混料沖擊處改為鋸齒狀結(jié)構(gòu)，增加有效撞擊面積。

由參數(shù)資源中“濕度”提出概念方案5:秸稈混料經(jīng)烘干預處理或在入料口安裝烘干裝置，使秸稈保持干燥，更容易被粉碎。

3.2.4 粉碎機構(gòu)組成及工作原理

圖7為粉碎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。粉碎機構(gòu)由沖擊錘頭、動刀盤、齒圈、剪切刀具、定刀、定刀盤和粉碎軸組成。秸稈混料由定刀盤中心進入微粉碎室，先在定刀盤內(nèi)圈的定刀和剪切刀具的作用下被剪切粉碎，之后在離心力作用下運動到定刀盤外圈，最后在沖擊錘頭和齒圈作用下被撞擊、摩擦粉碎。

圖7 粉碎機構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the crushing mechanism

3.3 分級機構(gòu)設計

分級機構(gòu)的作用是將符合粒度要求的秸稈微粉料和秸稈混料分離開，便于秸稈微粉料的收集。本文應用TRIZ工具中的系統(tǒng)功能分析和技術矛盾對分級機構(gòu)進行設計。

3.3.1 系統(tǒng)功能分析求解

技術系統(tǒng)名稱:分級機構(gòu)。

系統(tǒng)功能:分離秸稈混料和秸稈微粉料。系統(tǒng)作用對象:秸稈混料和秸稈微粉料。

系統(tǒng)組件:電機、主軸、氣流、導流環(huán)、分級葉輪、錘盤和定子內(nèi)圈。

超系統(tǒng)組件:機架和風機。

分析功能對象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件間的作用關系，建立如圖8所示的分級機構(gòu)功能模型。

圖8 分級機構(gòu)功能模型Fig.8 Function model of the screening mechanism

由系統(tǒng)功能分析提出概念方案6:將分級葉輪安裝在分級軸上，錘盤安裝在粉碎軸上，兩軸轉(zhuǎn)速不同，從而滿足粉碎和分級的不同轉(zhuǎn)速要求。

3.3.2 技術矛盾分析求解

確定待解決的技術矛盾發(fā)生在分離秸稈微粉料量增加與定子內(nèi)圈和錘盤對秸稈混料的粉碎力降低之間，發(fā)生在減小主軸轉(zhuǎn)速的時候。

查找發(fā)生技術矛盾的參數(shù):改善的參數(shù)是NO.26-物質(zhì)的量；惡化的參數(shù)是NO.10-力。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創(chuàng)新原理為NO.35-物理或化學參數(shù)改變原理、NO.14-曲面化原理和NO.03-局部質(zhì)量原理。

應用NO.35-物理或化學參數(shù)改變原理提出概念方案7:在分級軸上安裝抽吸扇葉，增大出料口的吸力，加快分離速度。

應用NO.14-曲面化原理提出概念方案8:設計曲面形狀的葉片，在分級葉輪高度一定的情況下，增加葉片有效分離長度。

3.3.3 分級機構(gòu)組成及工作原理

圖9為分級機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。分級機構(gòu)由分級室、分級軸、連接螺栓、抽吸扇葉、微粉碎室、分級葉輪、橫梁和導流環(huán)組成。粉碎之后的秸稈混料在三級抽吸扇葉和分級葉輪產(chǎn)生的吸力和離心力作用下越過導流環(huán)進入分級室，符合粒度要求的秸稈微粉料經(jīng)過分級葉輪被收集，不符合粒度要求的物料沿導流環(huán)內(nèi)壁落回微粉碎室。

圖9 分級機構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the screening mechanism

3.4 入料機構(gòu)設計

入料機構(gòu)的作用是將秸稈混料輸送至微粉碎室。本文應用TRIZ工具中的功能裁剪和資源分析對入料機構(gòu)進行設計。

3.4.1 功能裁剪求解

功能裁剪是現(xiàn)代TRIZ中分析問題和解決問題的工具之一，可以通過系統(tǒng)功能裁剪來實現(xiàn)產(chǎn)品朝著簡化的方向進化。

選擇功能裁剪組件:喂料器。

功能裁剪依據(jù):喂料器對秸稈混料的輸送能力不足。

分析其有用功能:輸送秸稈混料進入粉碎室。

應用功能裁剪規(guī)則“問題組件的功能由功能對象自己實現(xiàn)”[12]，提出概念方案9:將螺旋進料器的有用功能由風扇產(chǎn)生的氣流替代，在主軸上安裝風扇，使得秸稈混料在負壓空氣的作用下進入粉碎室。

3.4.2 資源分析求解

資源是一切可被人類開發(fā)和利用的物質(zhì)、能量和信息以及其他系統(tǒng)中能夠用來解決問題的一切事物的總稱，充分利用資源是提高系統(tǒng)理想度的重要手段之一。對沖擊式微粉機進行資源分析，結(jié)果如表2所示。

表2 資源分析Table 2 Resource analysis list

由超系統(tǒng)的能量資源“重力場”提出概念方案10:采用重力垂直下落喂料方式。

由子系統(tǒng)的能量資源“風場”提出概念方案11:在入料室安裝整流罩，增強氣流輸送效果。

由超系統(tǒng)的功能資源“斂撿功能”提出概念方案12:安裝自動喂料的機械手，提高自動化程度。

3.4.3 入料機構(gòu)組成及工作原理

圖10為入料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。入料機構(gòu)由橫梁、粉碎軸、入料室、入料口、進風口、負壓風扇和整流罩組成。秸稈原料在重力作用下豎直下落，之后在負壓風扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力作用下進入入料室，之后在整流罩的導流作用下，進入微粉碎室。

圖10 入料機構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the feeding mechanism

4 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

綜合各概念解，本文創(chuàng)新設計了一種如圖11所示的錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機[14]。入料粒度小于1 mm的秸稈原料，通過負壓風扇產(chǎn)生的負壓氣流被吸進入料室，繼而進入微粉碎室，秸稈混料經(jīng)過定刀盤內(nèi)圈時，在相對運動的剪切刀具與定刀之間被剪切、撞擊粉碎；當秸稈混料在離心力作用下運動到定刀盤外圈時，秸稈混料在高速運動的沖擊錘頭和齒圈間被沖擊、摩擦粉碎；微粉碎后的秸稈在分級葉輪和抽吸扇葉產(chǎn)生的氣流作用下越過導流環(huán)，粒度符合要求的微粉體通過分級葉輪后從出料口排出，不符合要求的粉體沿著導流環(huán)內(nèi)壁落回微粉碎室被繼續(xù)粉碎。

圖11 錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Three-dimensional structural diagram of the hammershearing compound straw micro-grinder

5 結(jié)論

秸稈微粉碎后可作為新型節(jié)能環(huán)保原料，實現(xiàn)高品質(zhì)精細化利用。本文基于TRIZ理論進行秸稈微粉機的概念設計，提出了一種定刀、動刀剪切和錘頭、齒圈沖擊復合的粉碎方式，更適于秸稈物料的微粉碎處理；采用分級葉輪結(jié)合風力抽吸的分級方式，以提高篩分效率避免出料堵塞；采用真空負壓重力喂料結(jié)合自主風力輸送的入料方法，以簡化整機結(jié)構(gòu)、降低粉碎室溫度。在產(chǎn)品概念設計階段應用TRIZ理論，可以彌補經(jīng)驗設計的不足，輔助設計人員獲得高質(zhì)量、多維度的創(chuàng)新方案。