基于TRIZ的粉末型腔填充裝置創新設計

唐紹禹，吳杰，黃禹銘，鄧兵兵，張輝

基于TRIZ的粉末型腔填充裝置創新設計

唐紹禹，吳杰*，黃禹銘，鄧兵兵，張輝

（西華大學 機械工程學院，四川 成都 610039）

根據對現有粉末型腔填充相關專利的分析，目前粉末型腔填充裝置存在粉末跟隨填充時間短、工作效率低、粉末阻塞的問題，運用因果分析法分析當前粉末型腔填充裝置存在的不足之處，采用最終理想解（IFR）獲取解決問題的理論模型，同時對模型的技術矛盾采用TRIZ理論的39個通用工程參數與40個發明原理進行分析，最終創新提出一種粉末型腔填充裝置的設計方案，該設計可以增加粉末型腔填充裝置的填充時間，提高其工作效率。

粉末型腔填充；TRIZ；填充時間

粉末型腔填充裝置，是指將物料填充于某一個形狀固定的內部，物料主要分為粉末、顆粒等，填料方式分為散裝填料和規整填料，填料裝置的性能主要取決于填料存在的較大空隙和較大表面積、填料層中氣流的均勻分布、填料表層存在的良好均勻分布性。

對目前國內填充裝置專利進行分析得知，大多數都會存在跟隨時間較短、物料填充精度不高、容易造成物料堵塞、成本高等問題。于是就此問題設計了相關裝置，如：伏國旺[1]設計了利用振動棒對儲存倉進行振動防止粉末堵塞送料管；牛澤志[2]發明了一種利用氣缸的伸縮推動拉料杯，設置手輪螺桿的旋轉控制料杯高度從而實現計量準確，提高效率降低成本；李國英等[3]設計了利用彈簧將底板固定在傳送帶上進行灌粉，可防止粉末從高處下落而造成沖擊力太大現象；以上裝置分別解決在原有設備所出現的問題，但在工作效率上還是存在著比較大的問題。為此，本文利用TRIZ創新理論，重點解決粉末型腔填充裝置存在粉末跟隨填充時間短、工作效率低、粉末阻塞的問題。

1 TRIZ理論及IFR分析

TRIZ理論成功揭示了創造發明的原理和內在規律，它選擇直接面對矛盾，從而去解決問題而不是去妥協[4-6]，圖1為TRIZ理論步驟。

圖1 TRIZ理論步驟

開始解決問題時，通過理想化來定義方向和位置，以保證問題在解決過程中沿著目標前進，從而得到最終理想解（Idea Final Result，IFR）。根據IFR的步驟進行分析：

（1）對現有的問題進行描述：需要將粉末進行填充，要求精度高，工作效率快。

（2）問題解決的IFR描述：要求設備簡單，方便施工人員進行操作。

（3）分析現有的可利用的資源：驅動裝置、傳動裝置、傳送帶。

（4）得到接近IFR的技術方案：首先通過驅動裝置振動使粉末掉入型腔，其次傳動裝置帶動傳送帶運輸粉末，最后填充至指定位置中。

該方法是系統在原有的設施中通過最小程度的改變能夠實現最大程度的服務，最終得到接近的IFR的技術方案。

2 問題剖析

2.1 選擇對象

選取“粉末and灌裝and傳送帶”為關鍵詞進行專利檢索[7]，得到與本文匹配度較高的二項專利：《一種聚合氯化鋁粉末輸送裝置》（申請號：201721725336.X）[8]和《一種新型粉末灌裝機》（申請號：201520229275.2）[3]。通過對權利要求書與發明內容的對比，發現其共有的特點與差異如下：此二種裝置結構類似，都有運輸裝置和進料裝置，其中前者還具有變頻驅動裝置；二者都存在跟隨時間短、工作效率低的問題。但前者具有更好的驅動裝置，因此本文選取《一種聚合氯化鋁粉末輸送裝置》作為研究對象。

2.2 問題闡述

對所選對象進行分析[9]，可將其分為驅動裝置、傳動裝置、進料裝置三部分。其工作方式為：通過變頻驅動裝置驅動傳送帶運輸粉末，物料在自身重力的作用下進行填料，封裝部分設有壓力傳感器對粉末及時準確地定量并將信號傳輸給成品傳感器，從而自動輸送產品。該裝置雖然提高了裝粉的精度，但是仍然存在跟隨時間較短、工位較少的問題。為了進一步使粉末可以持續有效地進行填充，充分保證穩定的工作速度和填充效果，本文對該設備進行詳細分析并進行改進。

2.3 因果分析

對于待解決問題的原因首先需要分清因果地位，其次注重因果對應，結果是由某個原因引起的，某個原因產生了某個結果[10-11]。它們是相互一一對應的，不能混淆，最后學會循因導果、執果索因，利用不同的思維方式從不同的方向進行因果分析，有利于對技術進行第二次開發。因此本文可以根據原因和結果關系導出造成裝置工作效率低下的魚骨圖，如圖2所示，根據對魚骨圖的分析，可以更加直觀的找出問題的原因，使其進一步完善該產品設計的功能完整性與設計合理性。圖2反映出該產品結構靈活性不高、周期時間較長等問題從而降低該裝置的整體工作效率。

圖2 魚骨圖分析

3 基于TRIZ理論的創新設計

3.1 矛盾解決原理分析

通過對所存在的現象總結為[12-13]：力（驅動裝置對料槽產生振動）與適應性及多樣性（運輸裝置的匹配性）、運動物體的長度（物料填充的量）與物質損失（溢出的物料）、運動物體作用時間（物料填充的時間）與生產率（單位時間的工作量）、可靠性（物料準確填充至指定位置）與可操作性（出現誤差及時調整）之間的矛盾。通過阿奇舒勒矛盾矩陣表，可形成本問題的子矩陣，如表1所示。

通過篩選表1中的發明原理，得到可利用的發明原理為：7（套裝）、11（預先應急措施）、18（振動），所以具體方式為：①采用驅動裝置只針對料箱產生振動；②傳送帶外設置密封塊防止物料泄漏；③設置傳感器，當設備填充發生錯位時應及時做出調整。

表1 矛盾沖突矩陣

3.2 粉末型腔填充裝置的結構設計

根據因果分析法、IFR法與矛盾解決原理剖析，最終得到問題的解決方案與裝置如圖3所示，提供了一種粉末型腔填充裝置，通過傳送帶運輸粉末，設置多個型腔孔使粉末持續有效地進行填充，充分保證穩定的工作速度和填充效果，解決了常規填料裝置存在諸多不足。

該粉末型腔填充裝置，包括填料裝置和運輸裝置。填料裝置包括密封塊、傳送帶、料槽、電機A和振動裝置，在密封塊的側面上設有安裝槽，安裝槽的兩個槽壁分別與密封塊的頂面和底面連通，安裝槽的槽底與密封塊的側面連通，傳送帶的外壁與安裝槽的槽壁接觸，在傳送帶的內壁兩端均設有帶輪，帶輪與傳送帶的內壁配合，在帶輪的側面上安裝有電機B，帶輪與電機B電連接，在傳送帶的外壁上設有若干個間隔均勻的型腔孔，料槽的底部與密封塊的頂部開口配合，電機A和振動裝置安裝在密封塊的頂部，振動裝置與電機A電連接。運輸裝置包括底座，底座設置在密封塊的底部，在底座的頂面上設有若干個間隔均勻并勻速移動的棒料。由于裝置在運行過程中會存在誤差，于是在密封塊的側面上安裝有傳感器?？梢员O控傳送帶上的型腔孔與兩個棒料之間的空腔是否對應，然后再決定是否控制帶輪的速度。

工作時，在裝粉階段，啟動電機B使傳送帶開始工作，然后啟動電機A使振動裝置工作，使料槽中的粉末掉入傳送帶上的型腔孔中；在運輸階段，傳送帶運動將粉末運輸到裝置下部的密封塊底部，此時裝置兩側與密封塊是緊密貼合狀態；在填料階段，此時型腔孔與每兩個棒料之間的空腔剛好對應，在自身重力的作用下型腔孔中的粉末會掉落到空腔中；達到粉末填充的目的，同時可以保證穩定的工作速度和填充效果。

經過創新設計后該裝通過設置多個型腔孔，可以使粉末持續有效地進行填充，提高了填充的跟隨時間，并且充分保證穩定的工作速度和填充效果，其次設置的傳感器可以監控傳送帶上的型腔孔與棒料之間的空腔是否對應，然后再決定是否控制帶輪的速度。

1.密封塊；2.料槽；3.振動裝置；4.電機A；5.傳送帶；6.棒料A；7.棒料B；8.底座；9.帶輪；10.傳感器；11.電機B。

4 總結

本文采用專利檢索的手段，選出與本文裝置相接近的對象，其次利用因果分析法對現有填充裝置所存在的問題進行分析，針對最終理想解（IFR）獲取問題解決模型，再根據矛盾解決原理將裝置存在的問題轉換成TRIZ標準問題，對應其中的發明創新原理，很大程度改善該類裝置存在的不足，提高該類設備的工作效率。本文基于TRIZ創新發明的粉末填充裝置的設計思路，為解決填充裝置提供了新的解決措施，對相關研究工作具有一定的參考價值。

[1]伏國旺. 一種粉末灌裝裝置：中國，CN201922094140.0[P]. 2020-11-28.

[2]牛澤志. 一種氣動量杯填料裝置：中國，CN201710206313.6[P]. 2017-03-31.

[3]李國英，楊士娟. 一種新型粉末灌裝機：中國，CN20152022 9275.2[P]. 2015-04-16.

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[5]吳杰，李華，姚進. 基于TRIZ的點接觸彈流牽引力測試儀的創新設計[J]. 潤滑與密封，2015，40（2）：80-84.

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[7]李輝，譚潤華. 專利規避設計方法[M]. 北京：高等教育出版社，2017.

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Innovative Design of Powder Cavity Filling Device Based on TRIZ

TANG Shaoyu，WU Jie，HUANG Yuming，DENG Bingbing，ZHANG Hui

(School of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu610039, China)

According to analysis of the existing patents related to powder cavity filling, the current device has the problems of insufficient powder filling time, low work efficiency and powder blocking. This paper analyzes the shortcomings of the current powder cavity filling device by using the causal analysis method, and obtains the theoretical model to solve the problem by using the IFR method. At the same time, t-test is used to analyze the technical contradictions of the model on the basis of the analysis of 39 general engineering parameters and 40 invention principles of TRIZ theory, finally a design scheme of powder cavity filling device is proposed, which can increase the filling time of powder cavity filling device and improve its work efficiency.

powder cavity filling；TRIZ；filling time

TH692.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.009

1006-0316 (2022) 10-0058-04

2021-09-09

西華大學人才引進項目（Z201017）

唐紹禹（1998－），男，湖南永州人，碩士研究生，主要研究方向為阻尼器的控制，E-mail：xh_tsy@163.com。

吳杰（1991－），男，四川巴中人，博士，副教授，主要研究方向為新型傳動技術，E-mail：jiewu09323@mail.xhu.edu.cn。