基于TRIZ的錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機概念設計

付敏，李萌，郝鎰林，李榮峰，周柯成，谷志新

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

微粉碎是指粉碎成品粒度為10～100μm的粉碎技術[1]。秸稈微粉碎后可以作為木塑復合材料、絕緣材料等多種產品的基質原料，也可以提取木質素、纖維素等營養成分，從而實現高品質精細化利用，使其不再局限于供熱、飼料等低附加值領域，最終達到節約資源、保護環境的目的[2]，[3]。

相關學者針對秸稈粉碎技術和設備展開了研究。褚斌[4]研發了適用于藤莖類秸稈的大型立式粉碎機，該粉碎機采用雙級串聯錘片粉碎方式，出料粒度低于2 cm。祝志芳[5]設計的新型斬切式稻桿粉碎機，采用斬刀初切結合高速旋轉刀輥和粉碎腔壁揉搓、撞擊的粉碎方式，可將秸稈粉碎至1 cm以下。Phani Adapa[6]先采用蒸汽爆破預處理改善生物質原料的粉碎性能，再結合沖擊式粉碎的方式，使出料粒度為1.6 mm。賀強[7]研發的農作物秸稈超細顆粒制備裝置，采用先經過動刀和定刀鍘切粗粉碎，后經過錘片和齒板搓擦、擊打粉碎的組合式粉碎方式，使出料粒度為74μm。鐘聲標[8]設計的玉米秸稈超微粉碎機采用螺旋齒刀剪切、偏心擠壓及撞擊的粉碎方式，可將入料粒徑小于10目的秸稈粉碎至400目。

市場上現有的規模化秸稈粉碎設備多為秸稈還田粉碎機、飼料產業的粉碎揉搓機等粗粉碎設備，存在粉碎粒度大、刀具磨損快、能耗高和產量低的問題。目前，有關秸稈微粉碎機的研究較少，且現有的秸稈微粉碎機不能兼顧細粉碎粒度和高生產率的要求，難以滿足規模化、產業化的需求。針對上述問題，本文基于TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論指導秸稈微粉碎機的概念設計，基于功能需求分析和科學效應確定秸稈微粉碎方法；應用TRIZ工具對粉碎機構、分級機構、入料機構進行設計，創新設計了一種錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機。

1 TRIZ簡介

TRIZ是一種系統化的、結構化的解決發明問題的創新方法學，TRIZ的解題流程（圖1）可分為4大部分[9]，[10]。第一部分為問題描述，即明確系統的功能、組成結構、相關技術參數，闡明存在的問題及問題解決目標。第二部分為分析問題，可選擇的TRIZ工具有因果鏈分析、系統功能分析、理想解IFR（Ideal Final Result）、九屏幕法和資源分析。第三部分為應用解題工具求解新方案，可選擇的TRIZ工具有矛盾分析、物場分析、小人法、科學效應庫和技術系統進化法則[11]。第四部分為方案評價，即對所有概念方案從經濟性、可實施性和先進性等多方面進行評價，篩選最終實施方案。

圖1 TRIZ的解題流程Fig.1 Problem solving process of TRIZ

2 秸稈微粉碎機功能需求分析及微粉碎方法確定

2.1 秸稈微粉碎機功能需求分析

秸稈微粉碎機的主要功能為粉碎秸稈，輔助功能為分離秸稈微粉料、輸送秸稈混料進入微粉碎室等。本文應用TRIZ工具確定秸稈微粉碎方法，并針對粉碎機構、分級機構和入料機構進行創新設計。

2.2 基于科學效應的秸稈微粉碎方法確定

①泛化功能:減小物料尺寸。

②效應查找和篩選:在文獻[12]的科學效應總庫中尋找能減小物料尺寸的效應并進行適用性評價（表1）。

表1 科學效應Table 1 Scientific effect

③微粉碎方法的確定:基于化學效應和生物效應的粉碎方法存在效率低，粉碎粒度不可控的問題?；谖锢硇姆鬯榉椒ň哂胁僮骱唵?、反應速度快、不產生污染性物質和化學垃圾的優點。在物理效應中，攪拌不適用于質量輕，韌性大的秸稈物料；研磨的效率較低，不適宜規模化生產；超聲波用于秸稈粉碎，成本過高。綜上，確定秸稈微粉碎方法為沖擊式。

3 基于TRIZ的秸稈微粉碎機概念設計

3.1 原型系統工作原理及存在的問題

經過文獻檢索和市場調研，筆者發現沖擊式微粉機的粉碎盤轉速高、入風量大，適用于加工化工原料、橡膠、中藥、飼料等熱敏性物料和纖維性物料[13]。但是，將其應用于纖維狀秸稈時，存在原料適應性差、粉碎效率低的問題，所以本文擬以沖擊式微粉機為原型進行改進創新。

沖擊式微粉機的工作原理如圖2所示。物料經過螺旋進料器進入機架與導流環之間的粉碎室，在粉碎室內高速旋轉錘盤的沖擊下，撞擊定子內圈而被粉碎，粉碎后的物料在氣流的吸力作用下，符合粒度要求的物料克服粉粒自重越過導流環進入分級室；當吸力大于離心力和重力時，微粉粒從分級葉輪的葉片間隙通過，并被收集；其余物料沿導流環落在粉碎室被重復粉碎[13]。

圖2 沖擊式微粉機結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the micro-grinder with impacting

3.2 粉碎機構設計

粉碎機構的作用是將秸稈混料的尺寸減小到300目以上。針對沖擊式微粉機粉碎粒度大的問題，應用TRIZ工具中的因果鏈分析、九屏幕法和IFR對粉碎機構進行設計。

3.2.1 因果鏈分析

通過粉碎機構因果鏈分析（圖3），得到8個導致沖擊式微粉機粉碎效率低的原因節點，為粉碎機構的設計和求解提供了方向。

圖3 粉碎機構因果鏈分析Fig.3 Cause-effect chains analysis of the crushing mechanism

3.2.2 九屏幕法求解

TRIZ中的九屏幕法從時間和系統兩個維度對問題系統的現狀、過去和未來進行分析，以此突破對問題系統的認知局限，尋找更多的解題資源。通過對沖擊式微粉機的九屏幕分析（圖4），提出2個概念方案。

圖4 沖擊式微粉機九屏圖Fig.4 9 screen approach of the micro-grinder with impacting

由子系統未來資源提出概念方案1（圖5）:在錘盤內圈添加剪切刀具，使物料受到沖擊和剪切復合粉碎作用。

圖5 動刀盤示意圖Fig.5 Schematic diagram of the moving cutterhead

由子系統的未來資源提出概念方案2（圖6）:添加帶有切削刀具的定刀盤，增強對物料的剪切粉碎作用。

圖6 定刀盤示意圖Fig.6 Schematic diagram of the fixed cutterhead

3.2.3 IFR求解

IFR是一種突破固有思維慣性的解決問題工具。應用IFR的解題流程如下所示。

①設計的最終目標是什么?秸稈粉碎至300目以上且生產率達600 kg/h。

②最終理想解是什么?秸稈原料自己減少尺寸到需要的粒度。

③達到理想解的障礙是什么?秸稈沒有動力系統，不能產生剪切、摩擦和沖擊作用。

④出現這種障礙的原因是什么?秸稈顆粒自身特性；沒有額外的動力系統。

⑤不出現這種障礙的條件是什么?改變秸稈特性；使用機械結構給秸稈顆粒施加作用力。

⑥創造這些條件所用的資源是什么?物質資源:秸稈原料、錘盤和定子內圈；能量資源:風能、機械能和磁場；參數資源:形狀、濕度、溫度和速度。

由物質資源中“錘盤”提出概念方案3:將兩個錘盤相對安裝在反向旋轉的軸上，增加對秸稈的研磨粉碎作用。

由物質資源中“定子內圈”提出概念方案4:將定子內圈與秸稈混料沖擊處改為鋸齒狀結構，增加有效撞擊面積。

由參數資源中“濕度”提出概念方案5:秸稈混料經烘干預處理或在入料口安裝烘干裝置，使秸稈保持干燥，更容易被粉碎。

3.2.4 粉碎機構組成及工作原理

圖7為粉碎機構的結構示意圖。粉碎機構由沖擊錘頭、動刀盤、齒圈、剪切刀具、定刀、定刀盤和粉碎軸組成。秸稈混料由定刀盤中心進入微粉碎室，先在定刀盤內圈的定刀和剪切刀具的作用下被剪切粉碎，之后在離心力作用下運動到定刀盤外圈，最后在沖擊錘頭和齒圈作用下被撞擊、摩擦粉碎。

圖7 粉碎機構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the crushing mechanism

3.3 分級機構設計

分級機構的作用是將符合粒度要求的秸稈微粉料和秸稈混料分離開，便于秸稈微粉料的收集。本文應用TRIZ工具中的系統功能分析和技術矛盾對分級機構進行設計。

3.3.1 系統功能分析求解

技術系統名稱:分級機構。

系統功能:分離秸稈混料和秸稈微粉料。系統作用對象:秸稈混料和秸稈微粉料。

系統組件:電機、主軸、氣流、導流環、分級葉輪、錘盤和定子內圈。

超系統組件:機架和風機。

分析功能對象、系統組件和超系統組件間的作用關系，建立如圖8所示的分級機構功能模型。

圖8 分級機構功能模型Fig.8 Function model of the screening mechanism

由系統功能分析提出概念方案6:將分級葉輪安裝在分級軸上，錘盤安裝在粉碎軸上，兩軸轉速不同，從而滿足粉碎和分級的不同轉速要求。

3.3.2 技術矛盾分析求解

確定待解決的技術矛盾發生在分離秸稈微粉料量增加與定子內圈和錘盤對秸稈混料的粉碎力降低之間，發生在減小主軸轉速的時候。

查找發生技術矛盾的參數:改善的參數是NO.26-物質的量；惡化的參數是NO.10-力。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創新原理為NO.35-物理或化學參數改變原理、NO.14-曲面化原理和NO.03-局部質量原理。

應用NO.35-物理或化學參數改變原理提出概念方案7:在分級軸上安裝抽吸扇葉，增大出料口的吸力，加快分離速度。

應用NO.14-曲面化原理提出概念方案8:設計曲面形狀的葉片，在分級葉輪高度一定的情況下，增加葉片有效分離長度。

3.3.3 分級機構組成及工作原理

圖9為分級機構的結構示意圖。分級機構由分級室、分級軸、連接螺栓、抽吸扇葉、微粉碎室、分級葉輪、橫梁和導流環組成。粉碎之后的秸稈混料在三級抽吸扇葉和分級葉輪產生的吸力和離心力作用下越過導流環進入分級室，符合粒度要求的秸稈微粉料經過分級葉輪被收集，不符合粒度要求的物料沿導流環內壁落回微粉碎室。

圖9 分級機構示意圖Fig.9 Schematic diagram of the screening mechanism

3.4 入料機構設計

入料機構的作用是將秸稈混料輸送至微粉碎室。本文應用TRIZ工具中的功能裁剪和資源分析對入料機構進行設計。

3.4.1 功能裁剪求解

功能裁剪是現代TRIZ中分析問題和解決問題的工具之一，可以通過系統功能裁剪來實現產品朝著簡化的方向進化。

選擇功能裁剪組件:喂料器。

功能裁剪依據:喂料器對秸稈混料的輸送能力不足。

分析其有用功能:輸送秸稈混料進入粉碎室。

應用功能裁剪規則“問題組件的功能由功能對象自己實現”[12]，提出概念方案9:將螺旋進料器的有用功能由風扇產生的氣流替代，在主軸上安裝風扇，使得秸稈混料在負壓空氣的作用下進入粉碎室。

3.4.2 資源分析求解

資源是一切可被人類開發和利用的物質、能量和信息以及其他系統中能夠用來解決問題的一切事物的總稱，充分利用資源是提高系統理想度的重要手段之一。對沖擊式微粉機進行資源分析，結果如表2所示。

表2 資源分析Table 2 Resource analysis list

由超系統的能量資源“重力場”提出概念方案10:采用重力垂直下落喂料方式。

由子系統的能量資源“風場”提出概念方案11:在入料室安裝整流罩，增強氣流輸送效果。

由超系統的功能資源“斂撿功能”提出概念方案12:安裝自動喂料的機械手，提高自動化程度。

3.4.3 入料機構組成及工作原理

圖10為入料機構的結構示意圖。入料機構由橫梁、粉碎軸、入料室、入料口、進風口、負壓風扇和整流罩組成。秸稈原料在重力作用下豎直下落，之后在負壓風扇高速旋轉產生的吸力作用下進入入料室，之后在整流罩的導流作用下，進入微粉碎室。

圖10 入料機構示意圖Fig.10 Schematic diagram of the feeding mechanism

4 整機結構及工作原理

綜合各概念解，本文創新設計了一種如圖11所示的錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機[14]。入料粒度小于1 mm的秸稈原料，通過負壓風扇產生的負壓氣流被吸進入料室，繼而進入微粉碎室，秸稈混料經過定刀盤內圈時，在相對運動的剪切刀具與定刀之間被剪切、撞擊粉碎；當秸稈混料在離心力作用下運動到定刀盤外圈時，秸稈混料在高速運動的沖擊錘頭和齒圈間被沖擊、摩擦粉碎；微粉碎后的秸稈在分級葉輪和抽吸扇葉產生的氣流作用下越過導流環，粒度符合要求的微粉體通過分級葉輪后從出料口排出，不符合要求的粉體沿著導流環內壁落回微粉碎室被繼續粉碎。

圖11 錘擊剪切復合式秸稈微粉碎機三維結構示意圖Fig.11 Three-dimensional structural diagram of the hammershearing compound straw micro-grinder

5 結論

秸稈微粉碎后可作為新型節能環保原料，實現高品質精細化利用。本文基于TRIZ理論進行秸稈微粉機的概念設計，提出了一種定刀、動刀剪切和錘頭、齒圈沖擊復合的粉碎方式，更適于秸稈物料的微粉碎處理；采用分級葉輪結合風力抽吸的分級方式，以提高篩分效率避免出料堵塞；采用真空負壓重力喂料結合自主風力輸送的入料方法，以簡化整機結構、降低粉碎室溫度。在產品概念設計階段應用TRIZ理論，可以彌補經驗設計的不足，輔助設計人員獲得高質量、多維度的創新方案。