基于TRIZ理論的細粉料垂直螺旋全自動包裝機組

王金福

(哈爾濱博實自動化股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150010)

一、項目情況介紹

細粉料是指顆粒大小在100-600目之間的粉體物料，如淀粉、糊狀樹脂、賴氨酸等。此類物料以其熱熔性良好、溶解速度快等優點在化工、食品等行業廣泛應用。

現有的包裝形式為手工重力式投料包裝或閥口袋包裝，包裝時均會產生大量的粉塵泄露，造成大量的經濟損失。也對企業安全生產、環境及人身安全保護產生巨大危害。

細粉料垂直螺旋包裝機組是博實公司針對國內目前細粉料包裝生產過程中的高成本、低效率、粉塵危害等問題進行技術攻關。以“降低生產企業包裝成本、減少產品浪費、保護人身安全”為新思路和新生產模式，將自動供袋機、垂直螺旋輸送機、包裝封口機等組成一個高效、聯動的生產線，即“細粉料垂直螺旋全自動包裝機組”， 實現設備利用率最大化、采購成本最小化的生產工藝布局。該機組改變原有細粉料包裝領域粉塵污染嚴重、物料損失多、耗材成本高等缺點，采用垂直螺旋精準供料、伺服控制袋底給料、動態與靜態稱重結合等技術，實現了細粉料包裝的無塵化、自動化、智能化包裝。為各生產企業技術升級、節能減排、安全生產、員工健康作出巨大貢獻。

該機組的成功研發，已為全國近50家企業提供了優良的細粉料包裝解決方案，實現銷售額1.6億。并大力推動細粉料包裝行業技術進步。

二、項目來源及問題分析求解

(一)問題描述

細粉料是指顆粒大小在100—600目之間的粉體物料，此類物料以其熱熔性良好、溶解速度快等優點在化工、食品等行業廣泛應用，各生產企業細粉料制備量也逐漸擴大。但細粉由于粒徑過小使其極易漂浮、易混氣、流動性差、摩擦力大，成為包裝后處理行業內的難題。

傳統的細粉料包裝工藝為重力式投料包裝方式，細粉投放時會混有投料通道中的大量空氣，且會對下方包裝袋產生空氣壓力，而包裝袋的袋口夾持處很難對其控制，這樣就導致混有空氣的粉塵從袋口夾持處噴出，造成環境污染及物料損失，威脅人身健康。

目前，國內外針對超細粉料20kg以上包裝生產技術有以下幾種形式：重力給料開口袋包裝、閥口袋包裝等。國內細粉料大袋包裝主要以重力給料半自動包裝技術為主流，該項技術工藝簡單，便于操作和維護，單個料袋成本低，但包裝效率低，車間揚塵現象嚴重且污染環境；國外超細粉料大袋包裝以閥口袋包裝技術為代表，閥口袋包裝由于供料常為風送或螺旋給料，細粉料中混入空氣，雖然會緩慢排出，但也會造成粉塵污染，且閥口袋成本較高(常規6—8元/個)，包裝效率低(通常為100包/小時)。

(二)問題初步分析

1.初始問題分析

系統功能：實現細粉料的給料、定量稱重、包裝。

系統組成：(1)螺旋給料裝置；(2)電子秤；(3)過渡斗；(4)放料閥；(5)出料管；(6)密封膠圈；(7)細粉料；(8)料袋。

當前系統工作原理：細粉料經螺旋輸送至稱重箱進行定量稱重，稱重結束后重力作用下通過2—3米的過渡料斗裝填進料袋中。

圖1 細粉料傳統包裝工藝圖

存在的主要問題：(1)裝袋時混有空氣，導致細粉泄露量大；(2)混氣細粉料沉淀時間長，包裝效率極低。

技術參數：(1)投料高度：2—3米；(2)投料時間：30秒；(3)稱重重量：20—50kg；(4)物料粒度：150—600目；(5)物料密度：500—700 kg/m3。

問題解決目標：減小粉塵、提高包裝速度及稱重精度。

2.系統分析

(1)因果鏈分析

首先從系統存在的問題入手，層層分析形成此問題的原因，直到分析到不可分解為止，找到根本原因，確定解決問題的關鍵點。

圖2 因果鏈分析圖

由因果鏈原因分析確定系統存在問題關鍵點有：1.1.1.2密封結構差、2.1.2.1瞬間壓差大、2.2.1.1投料距離長、2.2.2.1出料口距離袋過遠等跟原因。形成方案如表1。

表1 因果鏈分析得出方案

(2)功能分析

對系統進行功能分析，確定密封膠圈對料袋的擠壓為不足，料袋內空氣及料管內空氣對細粉料作用為有害。

圖3 細粉料包裝系統功能模型圖

得出方案如表2。

表2 功能分析得出方案

(三)問題解決工具的選取與分析

主要采用發明問題解決算法ARIZ進行解題：

圖4 ARIZ-85C 解題流程圖

1.現有問題分析

(1)描述最小問題

·系統的名稱：超輕細粉料裝袋系統

·系統的功能：密封并移動粉料

·系統的組件：細粉料、水平螺旋、電子秤、出料管、放料閥、料袋、密封膠圈

(2)找出產生技術矛盾的組件

產品：細粉工具：料袋

(3)畫出技術矛盾TC-1和TC-2的示意模型圖

技術矛盾TC-1：如果密封料袋出口，那么裝袋過程中漏粉少，但取下袋時漏粉多。

圖5 TC-1技術矛盾示意模型圖

技術矛盾TC-2：如果敞開料袋出口，那么取下袋時漏粉少，但裝袋過程中漏粉多。

圖6 TC-2技術矛盾示意模型圖

(4)選取主要技術矛盾

選取與技術系統的主要功能有密切的技術矛盾進行解決，主要功能為密封并移送物料，因此選擇：TC-1。

(5)加大矛盾沖突

強化TC-1：如果密封料袋出口，那么裝袋過程中漏粉少，但取下袋時漏粉多。

定義出極限狀態：在料袋出口密封很嚴，裝袋過程中及取下袋時一點不漏粉。

(6)通過引入一個X單元，建立問題模型

X的功能：在裝袋過程中密封粉料，在取下料袋時又能阻止粉料漏出。

要求X：在裝袋過程中密封粉料，在取下料袋時又能阻止粉料漏出。

(7)嘗試應用標準解解決問題

模型：料袋對細粉阻擋作用不足。

標準解法：S2.1.2雙物—場模型。

方案15：在粉料中加入電荷，增加物料間的吸附力，增強料袋對細粉的阻擋。

標準解法：S1.1.2內部合成物場模型。

方案16：具有過濾功能的新型料袋。

圖7 料袋—細粉物場模型

2.問題模型分析

(1)確定操作區域

料袋夾持出料管及投料至袋低區域

(2)確定操作時間

開始投料到投料截止取出料袋的時間

(3)確定物質—場資源：如前物場資源

表3 查明資源

3.描述問題的最終理想解(IFR)和物理矛盾

(1)描述最終理想結果IFR-1

X元素的引入不會使系統復雜，也不會產生任何有害的效應，會消除物料投放時造成的壓力失衡，不會產生粉塵泄露。

(2)強化最終理想解IFR-1

加入X元素，由電子秤、出料管、放料閥組成，不會使粉料投放時產生壓力失衡，不會產生粉塵泄露。

(3)從宏觀上描述物理矛盾

料管與料袋距離應該足夠大，滿足裝料需求，料管與料袋距離應該足夠小，才能不揚塵。

(4)從微觀上描述物理矛盾

為了縮短操作時間，快速投放物料，物料粒子投放時應該與空氣粒子接觸，而為了降低粉塵及泄露，物料粒子應不與空氣粒子接觸。

(5)描述最終理想解IFR-2

投料距離可以自己調整，滿足定量稱重裝填物料的需要。

(6)運用標準解

標準解法：S.1.2.1 引入S1及S2的變形。

得到方案17：改變粉料的性質，改變其與空氣結合程度，縮短投料時間及減少氣體膨脹。

得到方案18：改變空氣的溫度、濕度，減少物料和空氣的結合。

標準解法：S.1.2.4 引入F2抵消有害作用

得到方案19：增加振動裝置，對物料進行振動，排除料內空氣。

圖8 空氣—細粉物場模型

物理矛盾分析

物理矛盾1：出料管與料袋距離既要求大，又要求小時間分離：什么時候可以間距??！什么時候間距大？

得出方案20：敞開袋、從底部裝料，開始裝袋時，微開放料閥，當粉料封住出料管口時，再開大放料閥。

物理矛盾2：細粉應該與空氣接觸，又不能與空氣接觸

空間分離：利用細粉將出料管與袋內空氣分離。

條件分離：料面低于管口時粉料可以與空氣接觸，當料面高于管口時，新增粉料與空氣分離。

方案21：敞開袋從底部裝料，開始裝袋時，緩慢投料，當粉料封住出料管口時，快速投料。

4.調動和使用物質—場資源

(1)小人法

第一，應用“小人法”構建矛盾的示意圖。

第二，更改模型中小人的位置，以期讓矛盾消失，解決最小問題。通常構建的是引入的“X單元”的模型。

第三，考慮系統中所有可用的資源。

第四，得出技術方案的示意圖。

圖9 問題小人模型

(2)問題描述

第一，黑色小人(料斗)距離藍色小人(袋子)底部太遠，綠色小人(粉料)個頭比較大，在向下走進入藍色小人(袋子)內部時，走的距離太長，會被紅色小人(空氣)大量填充間隙。

第二，黃色小人(密封膠圈)不能完全夾緊藍色小人(袋子)。

第三，當紅色小人反向移動時，紅色的小人(空氣)會領著綠色的小人(粉料)跑到袋子外部。

(3)建立目標模型

X資源能夠保證綠人不跑出去。只要X能破除四個原因之一即可：

第一，黑色小人(空氣)距離底部藍色小人(袋子)很近，紅色小人(空氣)進不來。

第二，紅色小人(空氣)被排除在藍色小人(料袋)外面。

第三，黑色小人(出料管)與藍色小人(出料管)被黃色小人(密封膠圈)夾持很緊，綠色小人(粉料)跑不出去。

第四，設計一組灰色小人(蓋子)組成一排人墻阻擋綠色小人(粉料)從間隙處跑出，但灰色小人(蓋子)可以識別紅色小人(粉料)，讓紅色小人(空氣)從額外出氣口走出。

圖10 方案小人模型

提出方案22：在出料管旁設計兩個過濾抽氣管路，過濾抽離多余氣體，使袋子體積達到最小，卸袋后再二次封袋完全密封。

5.運用TRIZ知識庫

查詢現有專利數量及水平，確定系統位于成長期。

圖11 技術系統S曲線

從提高理想度法則得出方案：

方案23：投料過程若在真空環境中進行，則可解決揚塵問題，或將下落高度變為0。

方案24：采用機器人進行包裝物料，取代人工。

從動態性法則得出方案：

方案25：靜態稱重改為動態稱重，邊投料邊稱重。

方案26：動態改變出料口間距，控制物料流速。

從子系統不均衡得出方案：

方案27：電子秤完成稱量物料功能的同時，實現料袋的夾持功能。

方案28：夾持密封機構改進為錐閥精密封結構。

方案29：放料管處增加振動錘，促進物料流動。

利用效應庫E75熱膨脹：

方案30：降低物料溫度，減小細粉料分子運動動能，降低與空氣分子結合量。

利用效應庫E52混合物分離：

方案31：物料投放時，引入超聲波，通過聲波震蕩，促進物料與氣體分離。

利用效應庫E15磁力：方案32：夾持密封改為電磁驅動，增強密封性。

(四)技術方法及評價

表4 方案統計表

(五)確定最終方案

采用垂直螺旋結構輸送物料，將料筒深入袋子底部后進行投料，并且隨著料袋中料面的上升緩慢下降料袋，使料面始終緊貼在放料閥門下方，最大限度地減少物料與空氣接觸，避免發生揚塵現象，保護包裝環境，同時避免細粉料中混入空氣，提高包裝效率。

圖12 垂直螺旋投料原理圖

垂直螺旋包裝技術以垂直螺旋輸送機為主體配合動態電子定量秤完成物料供給和裝袋，結合其他輔助設備實現細粉料全自動包裝過程，具體過程包括自動供袋、套袋、裝袋、稱重、排氣、封口。垂直螺旋輸送機為自動給料機構，電子定量秤含有可升降的夾袋器、除塵裝置和稱重傳感器，具有動態稱重功能和除塵功能。

(六)技術關鍵點和主要的創新點

垂直螺旋包裝技術集成應用了多種技術，包括垂直螺旋給料技術、升降式夾袋器的動態稱重技術、包裝料袋的排氣技術、系統集成與控制技術等。

1.垂直螺旋給料技術

使用水平式螺旋輸送機輸送物料進行稱重包裝的技術已經得到廣泛應用，但采用垂直螺旋輸送機進行物料裝袋的應用卻很少見，本項目的技術創新點就是應用螺旋輸送機垂直給料裝袋，使螺旋輸送機成為自動給料裝置。如圖所示，具體關鍵技術包括同軸雙電機驅動技術、均化助流技術、錐體料門的粗精流給料技術。

圖13 螺旋輸送機結構圖

(1)除塵機構；(2)動力組件；(3)攪拌機構；(4)聯動氣缸；(5)升降料筒；(6)螺旋軸。

2.升降式夾袋器的動態稱重技術

基于TRIZ理論中的逆向思維法解決袋底投料的技術問題，分析螺旋筒與料袋之間的相對運動關系，采用固定垂直螺旋輸送機，由袋子上下升降實現袋底給料。研究了一種帶有稱重功能同時又具有升降功能的夾袋裝置，既可實現袋底給料又可實現動態稱重，升降滑軌用于夾袋器的升降，稱重傳感器用于料袋的稱量，夾袋器用于夾住袋子并且撐開袋口。物料裝袋前夾袋器上升至高位，投料開始后緩慢下降夾袋器，進行動態稱量，同時使袋內料面緊貼在螺旋出口的下方，當接近目標重量時粗給料結束夾袋器靜止,降低螺旋軸轉速進行精給料,進行靜態稱量，當達到目標重量后夾袋器繼續下降，將料袋與移動立袋輸送機進行交接，完成物料裝袋及料袋稱重。

圖14 動態稱重的電子定量秤結構圖

(1)升降滑軌；(2)稱重傳感器；(3)夾袋器；(4)除塵機構。

圖15 傳感器布局示意圖

(1)架體；(2)傳感器Ⅰ；(3)除塵罩；(4)傳感器Ⅱ；(5)夾袋器吊架；(6)傳感器Ⅲ。

3.包裝料袋的排氣技術

細粉料裝袋結束后需要對料袋進行封口，封口前需要對料袋進行排氣處理，否則封口后的料袋有可能由于含有少量氣體而出現無法碼垛的問題。滿料袋排氣分為兩個步驟，第一步是排出物料內混入的氣體，采用高頻振動的方式使物料與空氣分離開來，同時使物料之間相對運動產生縫隙，空氣從縫隙中向上排出至袋口位置；第二步是排除袋口的氣體，采用滾輪擠壓的形式將袋口內的氣體擠壓出袋口。如圖16所示，當料袋輸送至此工位時振動機構先開始工作，振動夾板夾住料袋后振動電機啟動，當振動排氣結束后，排氣壓輥閉合由上而下推壓至料面位置，排出袋口內氣體，最終完成料袋排氣任務。如有粉塵隨氣體排出料袋可以通過除塵機構收集，避免泄漏到空氣中影響包裝環境。

4.系統集成與控制技術

全自動細粉料垂直螺旋包裝碼垛生產線的運行需要控制系統來協調控制，其中集成了模擬量稱重檢測與控制技術、數字量PLC控制技術、閉環式加熱溫度控制技術、氣壓(真空)檢測與控制技術、機器人技術、計算機編程等各種工業控制技術，以西門子TIA(博途)軟件為基礎進行二次開發，自主編寫控制程序，按照設備動作關聯性和動作的連續性及周期性進行劃分進行模塊化編程，通過各個單元模塊來實現對單一動作的控制，再串聯起每一個模塊程序，形成整套控制系統的集成。

圖17包裝系統組成框架圖，以S7-1200PLC為控制核心，PLC自動循環掃描各個輸入點的當前狀態，并根據程序所確定的邏輯關系刷新輸出點的狀態，通過變頻器、接觸器和電磁閥來控制相應的電機的啟停和氣缸的動作，從而完成系統工藝流程的自動控制。

圖16 料袋排氣機構結構圖

(1)排氣壓輥；(2)振動機構；(3)除塵機構。

圖17 包裝檢測系統組成框圖

圖18 包裝機組人機交換圖

三、預期成果及應用

細粉料垂直螺旋全自動包裝機組具體性能指標如表5所示。

表5 細粉料包裝機組性能參數

(一)速度快

以糊狀樹脂為例，半自動重力式包裝速度為100袋/小時，閥口袋包裝速度為60袋/小時，而細粉料垂直螺旋包裝速度為300袋/小時，是其他包裝形式的3—5倍。

(二)精度高

以糊狀樹脂為例，半自動重力式稱重精度為±0.4%，閥口袋包裝稱重精度為±0.5%速度為60袋/小時，而細粉料垂直螺旋稱重精度為±0.2%。為企業減少計量誤差造成的經濟損失270萬元/年。

(三)粉塵小

相對半自動重力包裝及閥口袋包裝，更加清潔環保，減少粉塵濃度，極大降低安全風險及人身危害。

(四)人力、物耗成本低

常規閥口袋包裝及半自動重力投料包裝整線需要4—6人，而垂直螺旋全自動包裝機組僅需1人。大大節省人力成本及減少人工勞動強度。

閥口袋但袋成本6—8元，而細粉料垂直螺旋包裝碼垛可以使用膜袋及編織袋，單袋成本為2元。按每小時200袋產能計算，每年為企業減少耗材成本700—1 000萬元，帶來可觀的經濟效益。

項目產品的國內外市場需求較大，具有廣闊的應用空間。產品的市場定位首先是取代現有的人工包裝或半自動包裝設備，滿足國內食品、藥品、化工生產企業的市場需求；再通過不斷改進和優化，向亞洲市場和歐美市場提供優質產品和服務。隨著本產品的逐步推廣應用，越來越多的用戶將認可本產品的高性能與高質量，預計三年內，在國內市場占有率可達到80%以上。

該項目自2015年研發，形成發明專利2項，實用新型4項，軟件著作1項，截至2018年11月，已實現銷售額超過1.6億元。未來5年內將會在國內百余家細粉料生產企業應用，預計效益5億元，間接效益10億元。

細粉料垂直螺旋全自動包裝機組以其自動化、智能化、清潔化已經成為企業新的利益增長點，極大推進了細粉料包裝行業技術升級及產業進步。

圖19 專利及軟件著作權