基于TRIZ 理論的巴氏殺菌機優(yōu)化設(shè)計

秦 旭 張 科 范 偉

引言

TRIZ 表示發(fā)明問題解決理論，是對數(shù)以百萬的專利文獻(xiàn)進(jìn)行研究提煉出的一套解決復(fù)雜技術(shù)問題的系統(tǒng)方法[1-2]。TRIZ 在解決產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)品進(jìn)化過程中發(fā)揮著重要作用[3]。近年來，占地面積小，自動化程度高，操作簡潔，行之有效的啤酒巴氏殺菌機[4]越來越受到客

戶的青睞。目前，一些學(xué)者對巴氏殺菌機的研究主要集中在熱力學(xué)分析、殺菌工藝參數(shù)優(yōu)化、PU值控制系統(tǒng)、噴淋方式優(yōu)化、節(jié)水節(jié)能等方面[5-8]，鮮有研究在滿足啤酒殺菌工藝要求的前提下通過優(yōu)化巴氏殺菌機結(jié)構(gòu)適應(yīng)市場小批量產(chǎn)能需求。本文運用TRIZ 理論對巴氏殺菌機占用空間大，產(chǎn)能需求限制等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。

1 問題描述

目前市場上保有量較大的巴氏殺菌機，經(jīng)過多代更迭后，結(jié)構(gòu)較緊湊、能耗低、自動化程度具有較大提升。如下圖1 所示為中辰輕機YJL 系列巴士殺菌機，其主體結(jié)構(gòu)主要由機身框架1、管路系統(tǒng)2、進(jìn)出瓶系統(tǒng)3、傳動系統(tǒng)4、噴淋系統(tǒng)5、水箱6 等構(gòu)成。在工作時，啤酒灌裝封口結(jié)束后的容器進(jìn)入殺菌機，電機驅(qū)動容器傳送帶經(jīng)歷升溫、殺菌、降溫三個過程。在這三個階段，容器在升溫區(qū)經(jīng)受熱水的噴淋，水的溫度會逐漸升高，然后保持一定時間，直到啤酒中的PU 值達(dá)到我們需要的范圍，此時容器在降溫區(qū)受循環(huán)水噴淋溫度開始下降直到達(dá)到出瓶溫度后離開殺菌機。普通巴氏殺菌機可通過PU 值控制系統(tǒng)實現(xiàn)對殺菌過程中的自動化控制，而且降低了水資源的浪費，提高了經(jīng)濟效益[9-10]。普通巴氏殺菌機產(chǎn)量2 萬瓶/時左右，高產(chǎn)的同時，設(shè)備體積也隨之增大，其長度可達(dá)十幾米，而小批量的產(chǎn)能需求在3000 瓶/時左右，生產(chǎn)空間有限。通過對其結(jié)構(gòu)和功能分析可知，生產(chǎn)空間對設(shè)備體積影響較大的因素是設(shè)備的長度和寬度，顯然，適合小批量生產(chǎn)、體積小巧的設(shè)備只需減小設(shè)備的長度和寬度。但在傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速一定的情況下，減小設(shè)備長度導(dǎo)致容器在三個溫區(qū)行程變短，容器在未滿足殺菌工藝要求情況下被輸送進(jìn)入出瓶端。本文以YJL 系列巴氏殺菌機為原型，設(shè)計一款結(jié)構(gòu)更加緊湊，且滿足殺菌工藝要求的巴氏殺菌機。

圖1 巴氏殺菌機主體結(jié)構(gòu)

2 基于TRIZ 的可回轉(zhuǎn)殺菌機設(shè)計過程

TRIZ 解決問題的核心思想是對使用通常方法不能直接解決的具體問題，將此問題轉(zhuǎn)換為一個TRIZ 問題，利用TRIZ 工具得到標(biāo)準(zhǔn)解，應(yīng)用技術(shù)知識轉(zhuǎn)化為具體問題的解，最終得到具體問題的實際解[11]。TRIZ 理論解決問題的流程如下圖2 所示。

圖2 TRIZ 理論解決問題流程

2.1 定義最終理想解

理想解是TRIZ 分析問題的重要工具，當(dāng)產(chǎn)品處于消除了原系統(tǒng)缺陷，保留了原系統(tǒng)有點，不會使系統(tǒng)變復(fù)雜，不會產(chǎn)生新的缺陷等特點的理想狀態(tài)，稱為理想解[12-13]。理想解是與技術(shù)無關(guān)的理想狀態(tài)，當(dāng)理想化水平趨向于無窮大狀態(tài)時，得到的解決方案可稱為最終理想解。確定巴氏殺菌機最終理想解的步驟為[14]：

1）最終設(shè)計目的

解決適合小批量生產(chǎn)、體積小等問題。

2）明確最終理想解

結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，滿足殺菌工藝要求。

3）達(dá)到理想解的障礙

結(jié)構(gòu)固化，不滿足市場需求。

4）出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果

設(shè)備體積不滿足空間要求，未實現(xiàn)傳動自動化。

5）不出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果

結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新滿足市場需求。

6）創(chuàng)造這些條件的可用資源

巴氏殺菌機結(jié)構(gòu)和功能。

2.2 技術(shù)矛盾分析

TRIZ理論將工程中的矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾，技術(shù)矛盾指某一參數(shù)的改善導(dǎo)致另一參數(shù)的惡化，物理矛盾指同一參數(shù)產(chǎn)生互斥的現(xiàn)象[15-16]。

應(yīng)用39 個通用技術(shù)參數(shù)將原始問題描述為標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)：巴氏殺菌機體積減小即改善設(shè)備長度，導(dǎo)致設(shè)備的殺菌效果變差，改善的參數(shù)是殺菌機長度，惡化的參數(shù)為殺菌的可靠性。

根據(jù)TRIZ 理論矛盾定義，確定為技術(shù)矛盾，通過查找下表1 矛盾矩陣，得出15 號、29 號、28 號創(chuàng)新原理對解決上述問題有幫助，通過對以上原理分析后認(rèn)為第15號原理：動態(tài)原則，將物體分為彼此相對移動的幾個部分，有助于解決上述問題。因此提出概念方案1：針對巴氏殺菌機長度減小導(dǎo)致殺菌時間短、未達(dá)到殺菌工藝要求的問題，將殺菌機主傳動由直線運動改為回轉(zhuǎn)運動，提出一種可回轉(zhuǎn)的巴氏殺菌機傳動方案。

表1 矛盾矩陣

其方案1 如下圖3 所示，容器在設(shè)備內(nèi)部回轉(zhuǎn)運動的長度為先前單向運動的兩倍，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，完全滿足殺菌工藝要求。

圖3 可回轉(zhuǎn)的巴氏殺菌機傳動方案示意

2.3 物理矛盾分析

通過對技術(shù)矛盾分析，得到解決矛盾的方案1。要實現(xiàn)可回轉(zhuǎn)的傳動方式，即傳動軸驅(qū)動容器傳送帶既能向左運動，又能向右運動，這要求施加給傳動軸一對反向驅(qū)動力，這是一組物理矛盾。在矛盾矩陣39 個工程參數(shù)中，力對應(yīng)參數(shù)驅(qū)動力，如下表2 所示。

表2 物理矛盾分析

經(jīng)過分析，這組物理矛盾在不同的空間內(nèi)要求一對相反的驅(qū)動力，查找4 大分離原理對應(yīng)的發(fā)明創(chuàng)造原理，可采用空間分離原理解決此矛盾。因此采用與空間分離原理對應(yīng)的10 條發(fā)明原理，受發(fā)明原理1 分割啟發(fā)，將整個傳動部分以中心線為界分成兩個獨立的傳動系統(tǒng)。因此，在方案1 的基礎(chǔ)上提出方案2：針對巴氏殺菌機長度減小導(dǎo)致殺菌時間短、未達(dá)到殺菌工藝要求的問題，將殺菌機主傳動部分轉(zhuǎn)化成兩個獨立的直線運動，以此完成整個傳動系統(tǒng)回轉(zhuǎn)。

3 物場分析

物場分析是用符號語言清楚描述系統(tǒng)的功能，能準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的構(gòu)成要素及各要素之間的關(guān)系。一個技術(shù)系統(tǒng)可能包含若干功能，所有功能都可分解為三個基本元素：兩個物質(zhì)一個場，每種功能的實現(xiàn)都是一種物質(zhì)S2（工具）通過某種場F 對另一種物質(zhì)S1（作用對象）產(chǎn)生作用的結(jié)果[17]。針對不同問題，S2 對S1 的作用可分為三個基本類型，分別為有效模型、效用不足模型以及有害作用模型。采用物場分析解決問題的基本步驟如下圖4 所示。

圖4 物場分析解決問題的基本步驟

3.1 可回轉(zhuǎn)巴氏殺菌機物場分析

（1）描述問題：解決巴氏殺菌機傳動部分在空間上兩個獨立直線傳動問題。

（2）對傳動部分進(jìn)行物質(zhì)—場分析，可知作用物質(zhì)S1 為容器傳送帶，工具物質(zhì)S2 為傳動軸，F(xiàn) 為機械場。分析發(fā)現(xiàn)，原系統(tǒng)傳動軸為效用不足功能，如下圖5 所示。

圖5 巴氏殺菌機物—場分析

（3）通過查找物場模型可知，傳動部分一分為二成兩個直線傳動系統(tǒng)，可通過改變物質(zhì)或場來解決。原傳動系統(tǒng)只含有機械場F，只能為一個直線傳動系統(tǒng)提供驅(qū)動力，通過增加機械場F1 為另一個直線傳動系統(tǒng)提供驅(qū)動力。同時，改進(jìn)工具物質(zhì)兩端傳動軸S3、S4 實現(xiàn)整個傳動部分回轉(zhuǎn)運動，如圖6 所示。

圖6 改善的物—場模型

（4）充分分析模型，提出解決策略：在原系統(tǒng)被動軸處增加驅(qū)動設(shè)備，為子系統(tǒng)直線傳動提供驅(qū)動力。

3.2 生成解決方案

在充分考慮物場分析原理的基礎(chǔ)上，提出以下兩種解決方案：

（1）方案3：將原系統(tǒng)被動軸用主動軸替換，增加驅(qū)動設(shè)備為子傳動系統(tǒng)提供驅(qū)動力。同時，兩個主動軸互為兩個直線傳動子系統(tǒng)的被動軸，即主傳動軸既驅(qū)動軸也為被動軸。其方案如圖7 所示。

圖7 方案3 示意圖

（2）方案4：將原系統(tǒng)完全獨立成兩個子系統(tǒng)，其方案如圖8 所示。

圖8 方案4 示意圖

3.3 確定最終理想方案

對方案3 和方案4 分析后發(fā)現(xiàn)，方案3 對系統(tǒng)的改變程度最小，對整個巴氏殺菌機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較方案4 低。方案4 傳動軸一分為二，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，同時為了固定軸承座，占用了較多工作面積。因此，經(jīng)過分析后結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，最終確定方案3為最終理想方案。

4 結(jié)論

（1）就產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計而言，TRIZ 理論為其提供了一套成熟的理論和方法體系，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用TRIZ 理論可以更好地解決問題。

（2）采用TRIZ 創(chuàng)新方法對現(xiàn)有巴氏殺菌機進(jìn)行矛盾分析和物場分析，確定問題產(chǎn)生的原因并找尋解決問題的創(chuàng)新方法，提出可行性的回轉(zhuǎn)式巴氏殺菌機的解決方案。

（3）方案3 提出構(gòu)想已應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，其結(jié)果表明，可回轉(zhuǎn)巴氏殺菌機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，產(chǎn)能在3000 瓶/時左右，滿足小批量生產(chǎn)、空間容積率小的市場需要。

（4）傳動系統(tǒng)與進(jìn)出瓶系統(tǒng)之間有間距，對于間歇性生產(chǎn)，末端容器無法自動通過傳動系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)出瓶系統(tǒng)，有待于進(jìn)一步研究。