基于TRIZ的沖擊剪切式秸稈微粉機概念設計

付 敏，周柯成，李榮峰，李 萌，郝鎰林

（東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

生物質秸稈是一種以纖維素、半纖維素和木質素為主要成分的清潔型可再生能源[1]。秸稈高值化利用的前提是進行粉碎處理，秸稈微粉碎后可作為木塑復合材料、絕緣材料等產品的基質原料。木粉和秸稈粉均可作為復合材料的填充物，相較于木粉，秸稈粉價格低廉且資源豐富，在填充物市場上占據著越來越重要的地位[2]，[3]。

國內外學者針對生物質原料粉碎技術展開了一系列研究。褚斌[4]設計了一種針對藤莖類秸稈的立式粉碎機，該粉碎機采用了雙級錘片串聯粉碎的原理，可使藤莖類秸稈的粉碎粒度小于20 mm。鮑振博[5]設計的組合式生物質秸稈粉碎機可使秸稈在動、定刀的切削以及齒板與錘片的碰撞、磨搓作用下被粉碎，還可根據所需粒度更換篩網規格。趙越[6]研發的超細木粉粉碎設備可使物料在刀具的切削和磨削作用下被粉碎，然后通過旋風分離器分選出400目（0.037mm）以上的物料。鐘聲標[7]設計的秸稈超微粉碎機的定子上設置有切齒和錘片，可使秸稈在定子與螺旋轉刀的剪切、偏心擠壓及撞擊作用下被粉碎至400目以上。Luigi Pari[8]設計的生物質粉碎機的粉碎機構由雙螺旋轉子組成，可針對不同物料更換不同類型轉子，使出料粒度達3mm以下。Tavares Luís Marcelo[9]設計的間歇式振動球磨機以擠壓和摩擦為主要粉碎方式，可使亞麻纖維的粉碎粒度達0.091mm以下。

上述研究為秸稈微粉碎技術的發展提供了有益啟示。因此，本文應用TRIZ指導秸稈微粉機的概念設計，提出了一種多層動定刀沖擊、剪切、摩擦的粉碎方式，并應用TRIZ工具對粉碎機構、喂入機構、分離收集機構進行設計，研究成果為提高秸稈微粉碎效率和降低粉碎粒度提供了參考。

1 TRIZ解題流程

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒 （G S Altshuller）創立的一種系統化發明問題解決理論[10]。在產品概念設計過程中，TRIZ可輔助設計人員從不同維度觸發靈感，從而在更廣闊的領域尋找解決方案，提高設計質量和效率[11]。TRIZ解決問題的流程可分為問題描述、分析問題、確定解題方向、解決問題和方案評價。

①問題描述：描述系統的功能、功能實現原理、存在的問題以及問題解決目標和限制條件等。

②分析問題：采用功能分析、因果分析、資源分析等分析問題工具，探尋問題產生的根本原因，發現多個解決問題的切入點，明晰解決問題可利用的資源。

③確 定 解 題 方 向：應 用IFR（Ideal Final Result）、金魚法、進化法則和九屏圖等方法確定問題的解決方向。

④解決問題：應用技術矛盾、物理矛盾、物場模型、STC算子 （Size-Time-Cost）、聰明小人法SLP（Smart Little People）、效 應 庫、資 源 分 析 和 功能導向搜索等工具進行方案求解。

⑤方案評價：從經濟性、可實施性、先進性等多方面對所有概念方案進行評價，篩選出最終實施方案及專利預案。

2 秸稈微粉機功能需求及工藝流程確定

2.1 秸稈微粉機功能需求

總功能：減小物料尺寸。

子功能：喂入物料、粉碎、分離、收集秸稈微粉料。

生 產 能 力：1000kg/h。

粉碎粒度：180目。

2.2 秸稈微粉碎工藝流程

根據功能需求，確定秸稈微粉碎作業的工藝流程如圖1所示。首先將秸稈物料投放至喂入機構，物料進入到粉碎機構后完成粉碎作業，之后秸稈混料進入分離機構進行篩分，未達到粒度要求的粗料重新進入粉碎機構進行粉碎，收集符合粒度要求的微粉料。本文應用TRIZ工具輔助喂入機構、粉碎機構以及分離收集機構的創新設計。

圖1 秸稈微粉碎工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of straw pulverization

3 TRIZ輔助秸稈微粉機概念設計

3.1 原型系統工作原理及存在的問題

經市場調研和文獻檢索發現，銷棒沖擊式粉碎機適用于中藥材、塑料、化工原材料等行業物料的微粉碎加工[12]，其結構如圖2所示。物料送入粉碎室后，在高速旋轉的轉子的作用下，物料受到沖擊力且加速運動，同時在離心力作用下向外圓周方向運動，在此過程中，物料與轉子銷棒和定子銷棒發生沖擊碰撞被進一步粉碎。但是，銷棒沖擊式粉碎機在粉碎秸稈原料時，難以滿足微粉碎粒度和產量的要求，所以本文擬以銷棒沖擊式粉碎機為原型進行改進創新。

圖2 銷棒沖擊式粉碎機結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of pin-type impact mill structure

3.2 粉碎機構設計

粉碎機構的主要作用是將秸稈粗料粉碎至目標粒度，原型系統采用的銷棒沖擊式粉碎適用于具有一定硬度的物料，將其用于粉碎富含纖維且有一定韌性的秸稈時，存在粉碎粒度大以及粉碎效率低等問題。本文應用TRIZ中的系統功能分析、物場分析、技術矛盾和物理矛盾方法對粉碎機構進行設計。

3.2.1應用TRIZ的系統功能分析

技術系統名稱：粉碎機構。

系統功能：減小秸稈物料尺寸。

系統作用對象：秸稈混料。

系統組件：定子銷棒、轉子銷棒、定子、轉子、轉動軸、動定間隙和機殼。

超系統組件：機架。

分析功能對象、系統組件、超系統組件間的作用關系，建立粉碎機構的功能模型圖（圖3）。由圖3可知，粉碎機構存在粉碎作用不足和易磨損的問題，后續應用TRIZ解題工具對存在的問題進行求解。

圖3 粉碎機構功能模型Fig.3 Function model of the crushing mechanism

3.2.2應用TRIZ的物場分析

（1）構建問題物場模型

由圖3可構建如圖4所示的問題物場模型。

圖4 問題物場模型Fig.4 Substance-field model of the problem

（2）求解問題物場模型

針對圖4（a）中轉子、定子銷棒對秸稈混料的沖擊作用不足，應用TRIZ標準解S2.2.2-增加物質的分割程度，提出概念方案1：將定子、轉子銷棒設計為具有雙剪切刃的動、定刀具，對秸稈物料產生剪切、沖擊作用。

針 對 圖4（b），（c）中 秸 稈 混 料 對 定 子 及 轉 子的有害摩擦作用，應用TRIZ標準解S1.2.2-引入S1或S2的變形來消除有害作用，提出概念方案2：在定子和轉子盤表面設置凸齒，以減少秸稈物料對其表面的磨損，同時增強沖擊粉碎作用。

3.2.3應用TRIZ的技術矛盾和物理矛盾

（1）應用技術矛盾求解

由圖3確定技術矛盾發生在增大粉碎秸稈混料的作用力和降低秸稈混料的流動性之間。查找發生技術矛盾的參數：改善的參數為NO.10-力；惡化的參數為NO.9-速度。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創新原理有NO.09-預先反作用原理、NO.13-反向作用原理、NO.15-動態特性原理和NO.28-機械系統替代原理。

應用NO.15-動態特性原理，提出概念方案3：增加動、定刀具數目，以提高粉碎作用力。

應用NO.28-機械系統替代原理，提出概念方案4：利用噴嘴噴射高速氣流使秸稈混料相互碰撞，增大對秸稈混料的作用力。

（2）應用物理矛盾求解

確定物理矛盾：動、定刀具的間隙既應該大，以滿足秸稈混料流動性強的要求，又應該小，以滿足定子、轉子銷棒對秸稈混料作用力大的要求。

應用空間分離原理提出概念方案5：同一刀盤上不同層級刀具交錯排布，保證多把刀具均參與粉碎，防止出現空轉現象，同時還可避免物料未經充分粉碎而被甩出粉碎區域。

3.2.4刀具數量及排布確定

針對概念方案3，5，需確定動、定刀具數目以及排布方式，以兼顧粉碎粒度和低能耗的要求。

（1）粉碎功耗計算

每塊秸稈粉碎到給定粒度時的理論有效功耗Wi的 計 算 式[13]為

式中：Kh，Kz分別為橫向、縱向單位面積上的有效功 耗，J/mm2；Di為 秸 稈 原 料 直 徑，mm；Li為 秸 稈 原料長度，mm；d為粉碎后的秸稈粒徑，mm。

生產單位質量目標秸稈粉料的理論有效功耗Wef的計算式為

式中：mi為單位質量秸稈的塊數，個。

本文中秸稈微粉碎機的設計要求為粉碎粒度為180目（0.08mm），產 量 為1000kg/h，刀 具 轉 速為2400r/min。已知玉米秸稈的剪切破壞力為680.38～1613.75N，堆 積 密 度 為30～50kg/m3[14]，為簡化計算，將玉米秸稈的剪切破壞力近似為1500 N，堆積密度近似為40kg/m3，秸稈原料簡化為長20mm，直徑為35mm的圓柱體。將上述數據代入式（1），（2）中，可 得 生 產1000kg目 標 粉 料 的 理 論有效功耗約為7.0×106kJ。在物理計算過程中，理論功耗定為實際功耗的75%～80%[15]，則實際功耗約 為9.3×106kJ。

（2）動刀排布方式及數目的確定

動刀排布方式見圖5。由圖5可以看出，沿動刀盤徑向設有4層刀具，其距回轉中心的距離依次 為150，220，280，330mm，動 刀 數 量 由 內 向 外 依次 為4，8，16，16個。每 層 刀 具 沿 圓 周 均 布，使 得 刀盤受力分布均勻；相鄰層的刀具采用交錯排列，以利于物料受到充分粉碎。

圖5 動刀排布示意圖Fig.5 Schematic diagram of moving blade distribution

刀具切削做功W的計算式為

式中：F為刀具運動過程中所受到的切向沖擊力，N。

假定刀具工作過程中恒定與秸稈混料碰撞，且所受切向沖擊力為1000N[15]，則由式（3）可計算出由內至外每層刀具的每個動刀每小時的做功分 別 約 為1.3×105，1.9×105，2.5×105，2.9×105kJ。再根據每層刀具的數量，可以計算出四層粉碎動刀的總體做功約為1.1×107kJ，大于設計需求功耗9.3×106kJ，因 此，刀 具 數 目 設 定 合 理。

（3）定刀排布方式及數目確定

參考動刀排布方式，定刀也采用對稱交錯排布。沿定刀盤徑向設置3層刀具，其距回轉中心的距離依次為165，250，305mm，定刀與定刀盤固定連接在機架上，不參與做功。考慮到定刀與動刀配合沖擊、剪切秸稈混料的次數和刀具間隔，定刀數量由內向外層依次為6，12，12個。

3.2.5粉碎機構組成及工作原理

圖6為粉碎機構的結構示意圖。秸稈物料由入料口進入粉碎機構，受到動、定刀具的沖擊和剪切作用，以及動、定刀盤上凸齒的摩擦作用；動、定刀間隙沿徑向由內向外逐層減小，秸稈混料在經過四層動刀、三層定刀與凸齒的多次復合粉碎作用后，被離心力拋出粉碎區域，經管道輸送至分離機構進行分級。相較于原型系統，本文設計的粉碎機構采用了動、定剪切刀具和刀盤凸齒相配合進行剪切、沖擊、摩擦的復合粉碎方式，使物料受到多重粉碎作用；刀具對稱交錯排布，避免了物料未充分粉碎而被甩出粉碎區；動、定刀間隙由內向外逐層減小，以滿足粉碎粒度的要求。

圖6 粉碎機構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the crushing mechanism

3.3 喂入機構設計

喂入機構的作用是將秸稈粗料輸送至粉碎機構。在原型系統中，喂料漏斗中的物料靠自重落入粉碎室內。由于秸稈密度小，質量輕，易在入料口與粉碎室交匯處堵塞，造成入料不均勻，影響粉碎質量和效率。針對上述問題，應用TRIZ工具中的IFR和SLP法對喂入機構進行設計。

3.3.1應用TRIZ的IFR求解

IFR的解題流程如下：

①設計的最終目標是什么？將秸稈混料送入粉碎室內；

②最終理想解是什么？秸稈混料自己移動至粉碎室內；

③達到理想解的障礙是什么？秸稈自身不具備運動能力；

④出現這種障礙的原因是什么？輸送通道水平放置；

⑤不出現這種障礙的原因是什么？秸稈混料借助外力輸送至粉碎室內；

⑥創造這些條件，有哪些可利用的資源？物質資源：秸稈混料、輸送通道、料槽、轉軸、電機等；能量資源：機械場、重力場、氣動場等；空間資源：輸送機構體積、料槽長度等。

根據物質資源中的料槽和能量資源中的重力場，提出概念方案6：設置漏斗狀落料槽，物料靠自重落入粉碎室內，漏斗下方設置卸料閥來控制物料的流量。

根據物質資源中的轉軸，提出概念方案7：轉軸上設計螺旋葉片，通過減速電機控制轉軸轉速，利用螺旋葉片將物料均勻輸送至粉碎室內。

3.3.2應用TRIZ的SLP求解

當系統內某些組件不能完成其必要功能，并表現出相互矛盾的情況時，可以用一組小人來代表問題模型，通過能動的小人，實現預期的功能，然后根據小人模型對結構進行重新設計，即為聰明小人法SLP[11]。

（1）建立問題模型

用不同形狀的小人表示各系統組件，構建如圖7所示的問題模型。

圖7 問題模型Fig.7 Problem model

存在的問題描述：物料小人在輸送小人的管控下向粉碎小人跑去，物料小人達到粉碎小人處時集體向下掉落。原因1：物料小人自身不能向上移動；原因2：粉碎小人不能命令物料小人向上運動。

（2）建立目標模型

目標模型1：增加輸送小人，管控物料小人向上運動。

目標模型2：粉碎小人提高戰斗力，強行把物料小人趕上去。

（3）建立方案模型

根據目標模型2，提出如圖8所示的方案模型：增加更強壯的粉碎小人，阻止物料小人聚集和向下移動。

圖8 方案模型圖Fig.8 Conceptual plan model diagram

根據方案模型，提出概念方案8：在入料口與動刀盤中心處設置散料機構（圖9），使剛進入粉碎機構的物料受到切削作用并被打散分布至粉碎區域，避免堵塞入料口。

圖9 散料機構結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of dispersed material mechanism

3.3.3喂入機構組成及工作原理

圖10為喂入機構示意圖。相較于原型系統，本文設計的喂入機構增設了散料機構，秸稈原料通過喂料漏斗上方卸下，落至入料口處，由散料機構對物料進行初步切削粉碎，并沖擊打散物料，使得入料分布均勻，避免堵塞。

圖10 喂入機構示意圖Fig.10 Schematic diagram of feeding mechanism

3.4 排料機構設計

原型系統粉碎后的粉體直接由殼體下方的出料口排出，不同粒度的物料混合在一起，無法實現準確的分級收集。本文設計的排料機構由分離機構和收集機構組成，先由分離機構將達標的秸稈微粉料與不合格的秸稈混料分開，再由收集機構收集粒度達標的秸稈微粉料。

3.4.1應用TRIZ的功能導向搜索求解

功能導向搜索的主要思想是以技術系統實現的功能為目標，借鑒其它領域功能類似系統的解決方案來解決問題[11]。功能導向搜索的解題流程如下。

①定義關鍵問題：篩分出秸稈粉料中合格的微粉料、使微粉料與氣流分離，但目前沒有合適的工具實現該功能。

②闡述改善功能：提高秸稈微粉料分離、收集效率。

③確定所需參數：微粉料生產量為1000kg/h，對于180目及以上秸稈微粉料的收集率不低于95%。

④功能規范化定義：篩分秸稈混料，收集秸稈微粉料。

⑤尋找領先領域：在工業氣體凈化領域中，凈化氣體時需執行該功能，將微小顆粒從氣流或液體中分離、收集是該領域的一個核心問題。

⑥從領先領域選擇技術：工業氣體凈化領域分離微小顆粒的方法有很多，如布袋除塵、過濾器、靜電除塵等，其中有一種粉塵分離器，利用風扇產生螺旋氣流，在離心力與重力作用下實現分離。

通過功能導向搜索，提出概念方案9：采用旋風分離結構，通過葉片帶動物料流旋轉，粒度較大的物料受到較大的離心力和重力，被甩向筒壁并向下運動，粒度較小的物料受到的負壓力大于重力，被分離吸走；改變風機轉速控制風力，可調節所需的成品粒度。

概念方案10：通過濾筒收集氣流中的秸稈微粉料，利用壓縮空氣沖擊微粉料，使其從出料口落下。

3.4.2分離機構組成及工作原理

圖11為分離機構的結構示意圖。

圖11 分離機構示意圖Fig.11 Schematic diagram of the grading mechanism

如圖11所示，秸稈混料通過進料口進入圓柱筒體，粒度大的物料會受到較大的離心力和重力，從而被甩向筒壁并向下運動，流向底部粗料出口；粒度小的物料受到的氣流負壓力大于重力，會從細料出口排出。因此，調節風機轉速可控制分離物料的粉碎粒度。

3.4.3收集機構組成及工作原理

圖12為收集機構的結構示意圖。秸稈微粉料隨氣流從進氣入口流入收集機構內，電機帶動葉輪轉動，使氣體向上流動，氣體流動過程中微粉料附著在濾筒上與氣流分開。經過一定時間間隔，開啟脈沖閥，利用氣包中的壓縮空氣將微粉料沖擊落下，從出料口排出。

圖12 收集機構示意圖Fig.12 Schematic diagram of collection mechanism

4 整機結構及工作原理

綜合上述概念解，本文創新設計了一種如圖13所示的沖擊剪切式秸稈微粉機。

圖13 秸稈微粉機的結構示意圖Fig.13 Schematic diagram of straw micro-pulverizer

入料粒度小于20mm的秸稈原料通過喂料漏斗落至入料口處，受到散料機構的初步剪切與沖擊，秸稈混料被打散分布在粉碎區域，繼而受到動、定刀具的沖擊、剪切作用，快速運動的秸稈混料撞擊到動、定刀盤的凸齒被摩擦粉碎；秸稈混料經多層動、定刀與凸齒的作用后，被離心力甩出粉碎區域。風機產生的氣流帶動秸稈粉料流入分離機構，電機帶動葉片轉動在筒體內形成螺旋氣流，不合格的粉料受到較大的重力和離心力，沿筒壁向下運動并從下端粗料口流出，后續再重新粉碎；在氣流負壓力作用下，細小的粉料從上端細料口流出，經管道輸送至收集機構；收集機構內葉輪轉動，帶動微粉料與氣體流動，流動過程中微粉料附著在濾筒上與氣流分開，氣包中的壓縮空氣沖擊濾筒，使微粉料從下端的出料口落下。

5 結論

本文應用TRIZ輔助秸稈微粉機的概念設計，提出了一種多層動、定刀沖擊、剪切、摩擦的復合粉碎方式；粉碎機構含有動刀盤和定刀盤配合形成的粉碎室，動、定刀間隙由內向外逐層減小，相鄰層刀具交錯排布以增強粉碎作用，通過功耗計算驗證了刀具數目確定的合理性；入料口處設計了散料機構，可對物料進行初步粉碎和打散，以避免堵塞；分離機構采用旋風分離方式，可通過調節風機轉速控制所需成品粒度。