基于TRIZ 的托盤式茶葉烘箱結構優化設計

文/何 濤陳強曼 王成軍 許 博黃 森

(1.美亞高新材料股份有限公司；2.安徽理工大學機械工程學院)

安徽省是我國優質的茶葉產區之一，中國十大名茶之中，出自安徽的就占了三個。烘箱是茶葉加工過程中烘干、提香的核心裝備[1]，制茶工藝及技術的發展對傳統托盤式茶葉烘箱的性能有了更高要求。傳統茶葉烘箱托盤多為獨立設置，在烘箱內自上而下呈層狀疊加，熱風口靠近底層，底層茶葉烘制完成后，需要將上層托盤逐層向下轉移，過程復雜、效率低下；茶葉加工多在夜間，換盤頻繁、時間控制不精確，且熱風口單一，導致茶葉受熱不一致，影響色澤、口感及香度。

TRIZ 理論涵蓋了發現問題、分析問題、解決問題的一整套流程，借助其可得到解決技術系統問題的創新想法，TRIZ 理論在各領域均得到了廣泛應用[2-3]。張穎穎等[4]結合創新理論與矛盾沖突找出了溫室吊蔓器制作裝備的設計方案；李祥松[5]運用TRIZ 理論研發了新截割頭，提高掘進機的截割性能、降低截齒的磨損損耗；桓源等[6]運用40 個發明原理和矛盾矩陣分析提出了一種蘋果分揀套袋裝置；梁富文等[7]應用TRIZ 理論提出了一種電筒筒身壓線機構的改良設計。本文基于TRIZ 理論，針對傳統托盤式茶葉烘箱存在的不足，借助功能模型和因果分析找出問題的本源，并依據技術矛盾、物理矛盾以及物- 場模型方法提出了新的解決方案。

一、應用TRIZ 的問題分析

1.問題分析

傳統茶葉烘箱結構如圖1 所示，主要由支架、風機、托盤、燃燒室等部分組成，風機將燃燒室內高溫氣體輸送至烘箱內底部風口，然后熱風自下而上移動，由上風口排出。這種結構熱風不能循環利用，人工調盤控制不精確，費時費力，且茶葉受熱程度不一致。

圖1 傳統烘箱結構原理

2.功能組件分析

針對上述問題選擇烘箱為技術系統，確定托盤、空氣、風機、風口、加熱板等為系統組件，人、柴火、茶葉和環境等為超系統組件，得到組件功能模型如圖2所示。其中的有害作用包括人移動托盤，費時費力，控制難；風口位置單一，烘干效果差；柴火加熱，供熱不足，溫控精度低。

圖2 組件功能模型

3.因果分析

組件功能分析已經初步分析出影響茶葉品質的組件，但未找到根本原因，需要進一步開展因果分析。因果分析圖如圖3 所示，分析結果顯示，茶葉品質欠佳的原因為：（1）風機轉速不可調，導致空氣溫度調節不便；（2）人工移動托盤，致使茶葉烘干時間不一致；（3）風口設計不足，造成底層和上層茶葉受熱不一致；（4）柴火供熱不足，導致溫控精度低，影響品質。

圖3 因果分析圖

二、應用TRIZ 的問題解決

1.技術矛盾法

技術矛盾法主要解決烘箱底層和上層茶葉受熱不一致問題。現有的人工更換托盤位置調整茶葉受熱時間和溫度的方法效率低、工人勞動強度大、熱量損耗大。根據阿奇舒勒矛盾矩陣，確定技術矛盾（改善茶葉烘干時間和溫度；提高效率，降低加工能耗）、惡化參數（39 生產率；22 能量損失）及改進參數（15 運動物體作用時間，即移動托盤控制茶葉烘烤時間；17 溫度，即茶葉烘烤溫度）。

結合40 條發明原理給出的啟示，確定有效原理14、15、17、19、21、28、35、38，提出如下創新方案。14 曲面化原理：平面托盤改為可彎曲的曲面帶式托盤；15動態化原理：靜止托盤改為可運動托盤；17 空間維數變化：單層剛性托盤改為多層柔性托盤；19 周期性作用：連續多次調整托盤改為間歇周期性調整；21 減少有害作用：正常烘干改為高溫真空快速脫水；28 機械系統替代：機械安裝托盤改為磁懸浮托盤；35 物理或化學參數改變原理：高溫烘干改為低溫烘干/速凍真空脫水；38 強氧化劑原理：綠茶屬未發酵茶，不可取。舍棄不現實方案，最終可采用鏈板循環支撐方案，一次性調整12 層托盤，如圖4 所示。

圖4 技術矛盾法的解決方案

2.物理矛盾法

用物理矛盾法解決技術矛盾法未能解決的風口設計不足造成底層和上層茶葉受熱不一致的問題。

首先找出物理矛盾參數，為進風口風速及風量。一方面要求風速快、風量大、提高烘干效率，另一方面希望速度慢、風量小、充分烘干、節約能耗。

然后應用空間分離原理解決物理矛盾。空間1 為頂層附近托盤（7 到12 層），理條后鮮茶葉含水量高，需大量快速熱風將水分帶走；空間2 為底層附近托盤（1 到6 層），半干茶葉含水量低，需慢熱風充分干燥，節約能耗。空間1 和空間2 不存在交叉。

經上述分析，結合空間分離原理，得出物理矛盾解決方案如圖5 所示，即針對烘箱上部托盤，在烘箱中間位置設置兩個開度較大的可調風口2，在烘箱下部托盤設置兩個開度較小的可調風口1。

圖5 物理矛盾法的解決方案

3.物-場模型法

技術矛盾和物理矛盾法均不能解決的技術問題采用物- 場模型法解決。

問題一是柴火供熱不足導致溫控精度低、響應速度慢、污染環境嚴重。

解法一如圖6(a)所示，增加新的物質和場，增強原來的效應。采用木柴+電熱器（S3）組合加熱，正常情況下用電，山區斷電情況下用柴，以提高可靠性。

解法二如圖6(b)所示，增加干燥器（場F3），吸收濕熱空氣中水分，調節濕度，增加干燥效率，實現熱風循環利用。

問題二是風機轉速不可控，溫度調節不便。

解法如圖6(c)所示，通過構造場，采用動態場替代靜態場。原來的恒轉速風機增加電子調速器，以實現實時調節風機轉速的功能。

圖6 物-場模型法的解決方案

三、優化結果

結合以上TRIZ 理論設計出的最終方案如圖7 所示。增加了電加熱方式及風速調節，采用多風口分區供熱，在烘箱頂部增加干燥裝置，實現熱風循環，并針對托盤換位問題采用循環鏈板結構。通過改進，有效解決了傳統托盤烘箱存在的系列技術難題，茶葉初烘良品率由80%提高至95%，并節約了能耗，提高了效率，降低了工人操作強度，取得了較好的應用效果，獲得一項發明專利授權。

圖7 最終優化方案

四、結語

基于TRIZ 方法對托盤式茶葉烘箱結構進行創新優化，借助組件功能和因果分析明確了茶葉受熱不均的根本原因，并結合技術矛盾法找到了循環鏈板支撐及調位的解決方案；借助物理矛盾法，采用空間分離，增設了中間出風口的解決方案；最后根據物- 場模型法，增設了一個吸附干燥場和電加熱器，實現熱風循環利用。最終確定的綜合解決方案，降低了勞動強度，提高了效率，節約了能耗，保證了茶葉烘干提香質量。研究可為托盤式茶葉烘箱結構優化設計提供新思路，進而為機電工程領域的設計人員使用TRIZ 方法開展結構優化提供參考。