四連桿式破拱裝置設計與應用

楊志冬， 田智輝， 趙宏江， 趙 晨， 張善根

（1. 陜西省農業機械研究所有限公司，陜西 咸陽 712000；2. 安康市漢濱區縣河鎮農業綜合服務站，陜西 安康 725000）

0 引言

在料倉的使用過程中由于物料的內力大于重力的作用，往往會導致結拱現象發生，對于此問題主要是通過改變料倉結構或增加相應的破拱裝置來解決，目前最常用的破拱方法有高壓流化破拱、振動破拱和機械強制破拱幾類或者通過上述方法進行組合形成新的破拱方式[1-11]。

陜西省農業機械研究所生產的CJ50K 型自動稱量機采用絞龍式機械破拱裝置，在推廣過程中部分企業產品為粉狀生物有機肥，根據生物有機肥標準，肥料的含水率最高可達30%，由此引發有機肥的黏性增加，料倉結拱條件強化，原有的破拱裝置不能滿足生產要求[12-13]。通過采用TRIZ 原理并結合相關專利分析，研究完成的四連桿式破拱裝置，驅動氣缸完成1～3 次往復運動，即可實現生物有機肥的破拱，破拱范圍大，破拱后料倉內部物料產生的流動為整體流動，流動形式理想。

1 問題描述

原有CJ50K 型自動稱量機料倉破拱裝置選用減速電機功率3 kW，輸出扭矩1 074 N·m，造價6 200 元。當物料含水率增加后，在重力場的作用下極易發生擠壓變實形成黏附拱和壓縮拱[14]。破拱時絞龍回轉半徑內的結拱會被破壞，然而周圍的肥料依舊會黏附在料倉的內壁，現場破拱效果如圖1 所示。

圖1 現場破拱效果Fig. 1 Arch breaking effect observed in production site

2 裁剪

首先通過功能模型分析對原系統進行分解，得到標準、不足、過剩及有害作用[15]。分析系統中部件之間的相互作用 ，發現有機肥結拱導致供料失敗的根本有害因素為“物料含水率過高，使物料黏附性增強”，對應原件為“水”，由于水為前期發酵工藝中的必要條件，因而需要尋找下一根本有害因素原件。第二根本有害因素為“黏附”，對應原件為“料倉、主軸、絞龍”，由于物料的存儲功能仍需要料倉完成，因此裁剪目標定為絞龍和主軸，當絞龍、主軸被裁剪掉后，相對應的附屬裝置也失去了原來的作用并被一起裁剪掉，裁剪后的模型僅剩料倉，失去了破拱的功能，是個問題模型。

3 利用TRIZ 工具解決問題

由裁剪結果可知，現有的絞龍破拱裝置并不適用于解決濕黏物料的結拱問題，不具備在其基礎上進行改進的空間，需要研究新的破拱裝置。依據TRIZ 理論有4 種解決方法，替代順序如表1 所示[16]。

表1 問題模型解決方法Tab. 1 Problem model solution

3.1 料倉自身能夠解決黏濕物料的結拱問題

早期的研究證明，當料倉采用非對稱設計，選用低摩擦系數的材料，將倉壁形狀設計為內凸的指數曲線或雙曲線，均能提高物料的整體流動性，減少結拱的出現[1]。目前的料倉多為方倉和筒倉，少數情況下會采用非對稱設計，或選擇低摩擦系數的材料作為料倉內襯，但設計成為內凸的指數曲線或雙曲線的料倉基本沒有，主要原因在于加工制造難、成本高。通過提取相應的矛盾因素，查找矛盾矩陣表找到并篩選發明原理，結果如表2 所示。

表2 提高料倉理想化程度發明原理Tab. 2 Invention principle of improving idealization degree of stock bin

由于料倉自身有密封性及剛性要求，因而分割原理在此處的應用更偏向于提高系統的可分性。通過在料倉內側設置可動的弧形襯板，既滿足了上述要求，又實現了對料倉的分割。當料倉側壁（弧形襯板）變成可動后，反向作用原理—讓物體原有不動部分變得可動，動態特性及空間維數變化也隨之實現。發明原理機械系統的替代及氣壓和液壓結構，通常的實現方式為，用氣缸或液壓缸驅動分割后的料倉側壁，或以可控充氣（充液）結構替換原有的料倉側壁，將料倉內部的恒定場轉變為可動場。

3.2 超系統組件能夠解決黏濕物料的結拱問題

由于裁剪后的模型僅剩料倉，因而解決方法2 在這里并不適用。外界環境存在的超系統，除了重力場、水外，還存在空氣、電場和壓縮空氣3 個常用場。該技術系統建立的相關物場模型如圖2 所示，其中料倉為S1、有機肥為S2、重力場為F，該物場模型中有用及有害作用同時存在，可應用76 個標準解進行求解法中S1.2 中拆解物場模型來解決問題，其中第1.2 子類包含的標準解如表3 所示[16]。

表3 第1.2 子類包含的標準解Tab. 3 Standard solutions of subclass 1.2

圖2 物質-場分析模型Fig. 2 Model for material and field analysis

S1.2.1 解，當前的系統料倉完成對有機肥的容納屬于有用作用，但料倉側壁與有機肥之間的過度摩擦則屬于有害作用，可以在S1 和S2 之間引入低摩擦系數的材料S3 消除有害作用，如在倉壁上復合低摩擦系數的聚四氟乙烯或將倉壁材質改為304 不銹鋼。

S1.2.2 與S1.2.3 可以結合起來運用，對料倉內的有機肥S2，可以引入超系統中的壓縮空氣（物質），增大有機肥S2 顆粒間的空隙，提升物料的流動性、減輕黏附性，減少結拱的發生。對料倉S1 進行改進，在上述3.1 節已結合發明原理提出了相應的方法。

S1.2.4 解，重力場F 可以將有機肥S2 從料倉S1 中排出屬于有用作用，但又是結拱出現的主要因素，在上述3.1 節中引入了相應的機械場，可在結拱時啟動該場來消除有害作用。

3.3 系統外的新組件能夠解決黏濕物料的結拱問題

獲取新組件的最佳途徑是對現有相關知識產權進行分析，提取具有借鑒價值的方法和結構，同時就專利中存在的問題進行分析，找到相應的解決方法。本次知識產權共計檢索分析專利779 件，去噪后剩余33 件，由于振動破拱裝置對黏性大、板結嚴重的物料效果一般，在剔除與“振動破拱”的相關專利后，形成的知識產權信息調查簡表，如表4 所示[8,17-27]。

表4 知識產權調查Tab. 4 Intellectual property survey

上述專利中出現的方法與結構，多為由驅動裝置帶動破拱桿、破拱套、沖擊架、沖擊叉、弧形板、格網，或與高壓氣體、液體進行組合完成破拱，與上述3.1 節、3.2 節中的解決方法有相通之處。其中多數專利為授權發明專利，并且在一定范圍內得到應用，體現了其應用價值和可靠性。專利中的裝置在完成破拱工作時，料倉內部的物料會受到剪切、擠壓、沖擊，所需的驅動力及能耗都很大，這也是多數驅動裝置選液壓油缸的主要原因。通過提取專利中相應的矛盾因素，查找矛盾矩陣篩選出的發明原理如表5 所示。

表5 提取專利中矛盾因素篩選的發明原理Tab. 5 Invention principle of extracting contradiction factors from patents

質量補償原理是通過尋找一種相反的作用，以減弱某種效應尋求對抗或平衡的方式[28]。結拱時系統中料倉側壁產生的力垂直方向與重力平衡，水平方向相互平衡是一對對抗力，倉壁之間力的傳遞是借助物料來實現的。從能量傳遞法則的角度分析，在技術系統進行進化過程中最好用一種能量（或場）貫穿系統的整個工作過程，減少因能量形式轉換導致的能量損失[16]。將兩側的弧形襯板用連桿進行鉸接，確保能量的有效傳遞，兩側弧形襯板受到物料的壓力基本相同，起到了質量補償的作用。應用預先作用原理，提前設置好兩側弧形襯板的初始位置，增加其不對稱性確保破拱順利完成。

4 設計方案

最終解決方案如圖3 所示，利用料倉內部的空間資源，在料倉的兩側增加由氣缸驅動的弧形襯板，弧形襯板底端與可調拉桿進行鉸接，上端與料倉鉸接形成四連桿機構。將原有固定不動的料倉側壁以可動的弧形襯板替代，既滿足了料倉側壁的動態化和曲面化要求，也保證了原有料倉的完整性和剛性要求；兩側的弧形襯板受到料倉內部物料的壓力相當，通過可調拉桿相互抵消，氣缸的驅動力可通過可調拉桿進行有效的傳遞，減少了因弧形襯板對物料擠壓導致的能量損失。襯板材料選用摩擦系數小的不銹鋼，可減少物料的黏附，同時將氣缸經電磁閥排出的低壓氣體引入料倉，進一步促進物料的流動性。方案中增設了防溢板，位于弧形襯板底端，兩側與弧形襯板進行鉸接，其主要功能為防止物料反溢至弧形襯板與料倉側壁之間造成系統失效。

圖3 新型破拱裝置設計方案Fig. 3 Newly designed arch breaking device

樣機試驗結果表明，該破拱裝置能夠很好地完成顆粒及粉狀物料的破拱，針對含水率約30%的有機肥，當料倉發生結拱時，系統能夠很好地完成破拱。

5 生產線應用

有機肥生產線布局如圖4 所示，其中配料倉及稱量主機料倉均采用了四連桿式破拱裝置，裝置結構簡單、制造維護成本低，完成后的破拱裝置制造價為1 121 元，僅為原有機械式破拱裝置的18%。

圖4 配方肥生產線布局Fig. 4 Brief layout of production line of formula fertilizer

該生產線采用六聯配料倉的結構形式，實際生產過程中有機肥料倉設置為2 個，其余料倉原料為氮、磷、鉀單支肥料，以及含有菌種的有機質基質。設備運行時各配料工位依次將物料按設定好的配比在倉儲式膠帶秤完成計量，由倉儲式膠帶秤將物料排入臥式混料機，混合完畢的物料由斗式提升機提升至自動稱量機，最終完成稱量包裝。

當料倉發生結拱時，由氣缸驅動四連桿破拱裝置中的弧形襯板進行擺動，襯板對物料的支持力發生改變，破壞了料倉內物料原有的結拱力平衡，在重力場的作用下物料開始下落，結拱現象得以消除，投入實際應用的生產線如圖5 所示。

圖5 生產現場Fig. 5 Production site

經過驗證該系統能耗小，實際使用過程中驅動氣缸為SC63X100 型，完成1～3 次往復運動，即可實現破拱，最大破拱能耗僅為0.623 kW，破拱范圍大，破拱后料倉內部物料產生的流動為整體流動，流動形式理想，避免了物料在料倉內的長期滯留，物料“先進先出”且流動速率穩定[29]。

6 結束語

本研究是在實際生產需求的基礎上，通過對現有料倉破拱裝置出現的問題進行分析，結合TRIZ 理論及專利分析完成的。裝置采用TRIZ 理論的質量補償原理及預先作用原理，減少了破拱過程中因能量轉換導致的能量損失，同時預先增加系統的不對稱性，確保了破拱過程的順利完成。該裝置具有制造成本低、破拱范圍大、能耗小和可靠性高的特點。文中破拱機構實際應用場合為有機肥生產過程，對于其他場合的料倉破拱也具有一定意義上的推廣價值。