基于TRIZ的新型煙花圓盤造粒機(jī)設(shè)計(jì)

劉曉雯

基于TRIZ的新型煙花圓盤造粒機(jī)設(shè)計(jì)

劉曉雯

（唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北 唐山，063000）

基于TRIZ理論，對(duì)現(xiàn)有用于煙花微丸成型的圓盤造粒機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)圓盤造粒原理進(jìn)行分析，提出了離心力確定和粉料出料損失問(wèn)題、傾角調(diào)整、微丸傾出沖擊收集箱、不同粒徑微丸分離4個(gè)問(wèn)題。通過(guò)分析問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)，由最佳原理引導(dǎo)完成了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了生產(chǎn)效率、微丸得率、自動(dòng)化程度等矛盾因素。經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，新型圓盤造粒機(jī)重復(fù)造粒3 次最佳，微丸得率可達(dá)85.2%。

煙花；造粒機(jī)；TRIZ理論；優(yōu)化設(shè)計(jì)；自動(dòng)生產(chǎn)線

造粒是煙花生產(chǎn)中的重要工序之一，傳統(tǒng)的造粒方式是攪拌法，典型設(shè)備是帶有傾斜圓盤的造粒設(shè)備[1-2]。各種成分的藥粉按規(guī)定比例均勻混合后，經(jīng)黏合劑粘結(jié)制成亮珠即為造粒?；鹚幨窃炝＿^(guò)程中必不可少的藥粉，且易燃易爆，傳統(tǒng)造粒設(shè)備自動(dòng)化程度低，造粒過(guò)程中粉體與造粒圓盤之間的摩擦、微丸之間的碰撞、擠壓等均可能導(dǎo)致爆炸，致使工人發(fā)生危險(xiǎn)，財(cái)產(chǎn)損失巨大；且設(shè)備柔性差，不能根據(jù)造粒得到的微丸強(qiáng)度、收率等參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備，影響了煙花產(chǎn)品的可靠性[3]。故設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高、適用性強(qiáng)、柔性好、制造高質(zhì)量微丸的新型煙花造粒機(jī)很有必要。

TRIZ理論即發(fā)明問(wèn)題的解決理論[4]，將TRIZ理論應(yīng)用于煙花造粒機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，可為創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題提供系統(tǒng)的理論和方法。新型煙花圓盤造粒機(jī)解決了最佳離心力的確定、粉料出料損失、圓盤傾角調(diào)整、微丸傾出沖擊、不同粒徑微丸分離等問(wèn)題，設(shè)備柔性好且造粒完整、均勻。

1 問(wèn)題分析

1.1 造粒原理

現(xiàn)有圓盤造粒機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將按規(guī)定比例均勻混合的藥粉加入到繞幾何中心回轉(zhuǎn)的造粒圓盤中，黏合劑噴入圓盤，圓盤通過(guò)摩擦力把藥粉及顆粒帶到一定高度時(shí)，藥粉下落，與黏合劑混合并不斷再黏合藥粉，顆粒不斷在圓盤中滾動(dòng)，變大，形成微丸。

圖1 現(xiàn)有圓盤造粒機(jī)

1.2 提出問(wèn)題

問(wèn)題Ⅰ：離心力確定和粉料出料損失問(wèn)題?，F(xiàn)有圓盤造粒設(shè)備一般采用高速旋轉(zhuǎn)的圓盤和較大的圓盤直徑以獲得較大的離心力。但離心力過(guò)大，煙花微丸由于強(qiáng)度不足容易產(chǎn)生裂紋甚至破裂，微丸得率低；且造粒完成后，微丸和粉粒均從圓盤邊緣擋板下方開(kāi)口處直接落入收集箱，粉料損失較多。問(wèn)題Ⅱ：圓盤傾角調(diào)整問(wèn)題。造粒圓盤的傾斜角度是影響微丸質(zhì)量的主要參數(shù)之一。圓盤傾角過(guò)小時(shí)，微丸成粒效率低；圓盤傾角過(guò)大時(shí)，粉粒或粉塊下落時(shí)對(duì)其他的粉?；蚍蹓K沖擊過(guò)大使之破裂。一般圓盤的傾斜角度為40～60°[5]。為了得到較好的微丸質(zhì)量，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷調(diào)整圓盤傾角。而現(xiàn)有造粒設(shè)備主要通過(guò)角度墊片人工調(diào)整圓盤傾角，不利于根據(jù)造粒效果不斷調(diào)整圓盤傾角。問(wèn)題Ⅲ：微丸傾出沖擊收集箱問(wèn)題。傳統(tǒng)造粒圓盤出料時(shí)，微丸及粉粒直接從圓盤出口落入收集箱，由于微丸成型后未經(jīng)烘干，內(nèi)部含水量較多，微丸強(qiáng)度不高，容易在落入收集箱時(shí)由于沖擊產(chǎn)生裂紋甚至破碎。問(wèn)題Ⅳ：不同粒徑微丸分離問(wèn)題?，F(xiàn)有造粒機(jī)中符合目標(biāo)粒徑的微丸、未達(dá)到目標(biāo)粒徑的微丸以及剩余藥粉均進(jìn)入收集箱，待后續(xù)工序分離出目標(biāo)粒徑的微丸，工序繁瑣、效率低。

2 解決問(wèn)題

針對(duì)問(wèn)題Ⅰ，合理選擇圓盤轉(zhuǎn)速和圓盤直徑獲得最佳離心力，以及減小出料損失成為問(wèn)題Ⅰ需重點(diǎn)解決的內(nèi)容。問(wèn)題Ⅰ的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的物質(zhì)損失（23）和運(yùn)動(dòng)物體的面積（5），建立問(wèn)題Ⅰ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚?抽取原理，10預(yù)先作用原理，31多孔材料原理。問(wèn)題Ⅰ的矛盾沖突矩陣如表1所示。

表1 問(wèn)題Ⅰ的矛盾沖突矩陣

Tab.1 Contradiction matrix of question I

由于問(wèn)題Ⅰ需找到圓盤合理轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的圓盤直徑，故選取35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)斫鉀Q該問(wèn)題。由生產(chǎn)節(jié)拍的要求，一次加工的藥粉量為5kg，火藥密度≈1kg/L，故一次加工的藥粉體積≈5L。圓盤容積約為藥粉體積的7倍，故圓盤容積應(yīng)大于35L。根據(jù)造粒時(shí)圓盤旋轉(zhuǎn)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)速值15 ～ 30 r/min[6]，以原有造粒機(jī)圓盤轉(zhuǎn)速及直徑＇為變量，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，所得微丸得率如圖2所示。

圖2 圓盤不同轉(zhuǎn)速和直徑下微丸得率

由圖2可知，圓盤轉(zhuǎn)速低且直徑較小時(shí)，微丸得率低，這是由于離心力小，大部分微丸粉末聚集在圓盤中部，與噴出的黏合劑接觸不均勻，粘結(jié)不充分，且最初形成的體積較大的料塊與圓盤邊緣擋板的撞擊力小，不易破碎；圓盤轉(zhuǎn)速高且圓盤直徑大時(shí)，微丸得率低。這是由于離心力大時(shí)，微丸成型過(guò)快，與黏合劑接觸時(shí)間短，粘結(jié)不充分，微丸強(qiáng)度低，且微丸形成后層積部分容易脫落，故微丸得率低。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速=18r/min，圓盤直徑＇=0.5m時(shí)，微丸得率最高，為83.3%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)圓盤結(jié)構(gòu)及尺寸，如圖3所示。

圖3 圓盤結(jié)構(gòu)

圖3中，=0.6m，=0.5m，=0.15m，壁厚= 0.008m。此時(shí)離心力=2＇/9.8=182×0.5/9.8=16.5×g。即作用在微丸上的離心力是地心引力的16.5倍.

為了減小出料時(shí)粉料的損失，選取2抽取原理解決該問(wèn)題。由原有的圓盤邊緣擋板下方開(kāi)口處直落或人工收集的方式變?yōu)橥ㄟ^(guò)改變圓盤傾角傾倒出料。由于造粒粉料屬易燃易爆品，故選取10預(yù)先作用原理，在造粒圓盤內(nèi)表面鍍一層銅金屬，避免意外的發(fā)生。針對(duì)問(wèn)題Ⅱ，實(shí)現(xiàn)方便、快捷的調(diào)整圓盤傾斜角度的功能，同時(shí)會(huì)增加功的輸入，帶來(lái)能量的損失，此為問(wèn)題Ⅱ需重點(diǎn)解決的內(nèi)容。問(wèn)題Ⅱ的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的自動(dòng)化程度（38）和能量損失（22），建立問(wèn)題Ⅱ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理23反饋原理和28機(jī)械系統(tǒng)替代原理。問(wèn)題Ⅱ的矛盾沖突矩陣如表2所示。

表2 問(wèn)題Ⅱ的矛盾沖突矩陣

Tab.2 Contradiction matrix of questionⅡ

由于問(wèn)題Ⅱ需要實(shí)現(xiàn)方便、快捷的調(diào)整圓盤傾斜角度的功能，故選取28機(jī)械系統(tǒng)替代原理解決該問(wèn)題。改進(jìn)后的造粒裝置如圖4所示。造粒圓盤及驅(qū)動(dòng)造粒圓盤的電機(jī)減速器均固定在半圓板上。半圓板與圓盤中心軸線平行且與水平面成一定角度，半圓板和造粒支架通過(guò)銷軸連接構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，卸料氣缸推桿通過(guò)接頭與半圓板底面滑槽構(gòu)成移動(dòng)副。卸料氣缸動(dòng)作，接頭沿半圓板底面滑槽移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)圓盤傾角方便、快捷的調(diào)整及造粒結(jié)束后卸料傾倒功能。

圖4 造粒裝置

針對(duì)問(wèn)題Ⅲ，降低微丸出料時(shí)的動(dòng)能，同時(shí)會(huì)增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。問(wèn)題Ⅲ的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的能量損失（22）和控制和測(cè)量的復(fù)雜性（37），建立問(wèn)題Ⅲ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理。13反向作用原理和15動(dòng)態(tài)特性原理。問(wèn)題Ⅲ的矛盾沖突矩陣如表3所示。由于問(wèn)題Ⅲ需要降低微丸出料時(shí)的動(dòng)能，故選取13反向作用原理，提升接料裝置的高度，同時(shí)利用15動(dòng)態(tài)特性原理，圓盤卸料和接料聯(lián)動(dòng)解決該問(wèn)題。

表3 問(wèn)題Ⅲ的矛盾沖突矩陣

Tab.3 Contradiction matrix of questionⅢ

針對(duì)問(wèn)題Ⅲ設(shè)計(jì)的接料裝置如圖5所示。造粒完成后，造粒圓盤反向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圓盤卸料氣缸和接料氣缸協(xié)同動(dòng)作，即圓盤傾斜至一定角度卸料的同時(shí)接料裝置中的接料斜臺(tái)上升，減少了微丸下落的動(dòng)能。

圖5 接料裝置

針對(duì)問(wèn)題Ⅳ，對(duì)接收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)接料時(shí)完成目標(biāo)粒徑微丸的分離，會(huì)帶來(lái)接料裝置清理、維護(hù)、維修困難的問(wèn)題，問(wèn)題Ⅳ的矛盾沖突對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的操作流程的方便性（33）和可維修性（34），建立問(wèn)題Ⅳ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理1分割原理、3局部質(zhì)量原理和6多用性原理。問(wèn)題Ⅳ的矛盾沖突矩陣如表4所示。

表4 問(wèn)題Ⅳ的矛盾沖突矩陣

Tab.4 Contradiction matrix of questionⅣ

由于問(wèn)題Ⅳ需要對(duì)接收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之分離出目標(biāo)粒徑的微丸，故選取1分割原理解決該問(wèn)題。

針對(duì)問(wèn)題Ⅳ設(shè)計(jì)的接料斜臺(tái)如圖6所示。將接料斜臺(tái)分割成上、下兩層。上層為成品層，成品層上均布有3mm寬的縫隙，達(dá)到目標(biāo)粒徑的微丸沿著斜臺(tái)滾入收集箱。下層為回收層，未達(dá)到目標(biāo)粒徑的微丸以及剩余藥粉從成品層的縫隙落入回收層，回收層中未達(dá)到目標(biāo)粒徑的微丸以及剩余藥粉可倒入圓盤中進(jìn)行重復(fù)造粒。

圖6 接料斜臺(tái)

3 新型圓盤造粒機(jī)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)原有造粒機(jī)存在問(wèn)題的提出、問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)的分析以及利用創(chuàng)新理論對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決，形成新型圓盤造粒機(jī)的設(shè)計(jì)方案，如圖7所示。

圖7 新型圓盤造粒機(jī)設(shè)計(jì)方案

料粉通過(guò)可調(diào)進(jìn)料口進(jìn)入造粒圓盤。電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)噴漿裝置噴出霧化黏合劑開(kāi)始造粒。造粒情況由監(jiān)測(cè)裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)料氣缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)料架水平移動(dòng)，可調(diào)節(jié)進(jìn)料口與造粒圓盤的距離。造粒完成后，卸料氣缸動(dòng)作，圓盤傾倒卸料，同時(shí)升降臺(tái)上升接料。成品微丸從成品層滑入收集箱，粒徑較小的微丸以及藥粉落入回收層供重復(fù)造粒。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)：在進(jìn)料速率 5 g/min、進(jìn)料口出口和噴漿裝置出口相距240 mm、噴漿流量 6 mL/min、噴漿壓力0. 12 MPa、造粒時(shí)間15 min，經(jīng)6次重復(fù)造粒，所得微丸得率如圖8所示。

圖8 微丸得率

由圖8可得：重復(fù)造粒的微丸得率并未隨著造粒次數(shù)的增加呈線性變化；重復(fù)造粒次數(shù)小于5時(shí)，次數(shù)越多，微丸得率越高，重復(fù)造粒3次后，微丸得率的增加并不明顯。重復(fù)造粒6次后，微丸得率下降，這是因?yàn)槲⑼璩尚秃?，?nèi)部濕度較大，成型后長(zhǎng)時(shí)間相互碰撞，容易導(dǎo)致微丸出現(xiàn)裂紋甚至破損。綜合生產(chǎn)效率、微丸得率、工序銜接等因素，新型煙花圓盤造粒機(jī)重復(fù)造粒次數(shù)為3 次，微丸得率為85.2%。

最終造粒微丸如圖9所示，由圖9可見(jiàn)新型煙花圓盤造粒機(jī)造粒均勻，完整度好。

圖9 造粒微丸

5 結(jié)論

（1）基于TRIZ理論，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有圓盤造粒機(jī)進(jìn)行分析，通過(guò)選用最佳創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理，對(duì)造粒機(jī)圓盤的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料、傾角調(diào)整、接料裝置及其斜臺(tái)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。（2）重復(fù)造粒的微丸得率并未隨著造粒次數(shù)的增加呈線性變化；綜合生產(chǎn)效率、微丸得率、工序銜接等因素，新型圓盤造粒機(jī)重復(fù)造粒次數(shù)為3 次，微丸得率為85.2%。

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Design of New Type Fireworks Disc Granulator Based on TRIZ

LIU Xiao-wen

(Deparment of Electro-Mechanical Engineering, Tangshan College, Tangshan，063000)

Optimum design of disc granulator for fireworks pellet forming was carried out based on TRIZ theory. Four problems of centrifugal force and powder discharging loss, inclination adjustment, pellet dumping impact collection box and pellet separation with different particle sizes were put forward, by the analysis of the principle of disc granulation. By analyzing the key points of the problem, and according to the structure, the innovative design was guided by the best principle. The contradictory factors such as production efficiency, pellet yield and automation degree were solved.The prototype experiment shows that the new disc granulator has the best pellet yield of 85.2% after three times of repeated pelleting.

Fireworks；Granulator；TRIZ theory；Optimal design；Automatic production line

TQ567

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.014

1003-1480（2019）06-0054-04

2019-09-02

劉曉雯（1983 -），女，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。