基于TRIZ理論的共振混合機(jī)優(yōu)化設(shè)計

陸志猛 溫常琰 孫 濤 王青松

(湖北航鵬化學(xué)動力科技有限責(zé)任公司，湖北 襄陽 441003)

0 引言

混合操作在工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍，從基本的化學(xué)工業(yè)到精細(xì)化工工業(yè)，從材料生產(chǎn)與加工到高樓大廈的平地而起、橋梁的兩岸架接，都不能缺少混合操作，特別在軍工、復(fù)合材料、陶瓷、冶金、醫(yī)藥、食品、飼料等行業(yè)更加突出?；旌显O(shè)備利用設(shè)備力和重力等，可以將多種物料配合成均勻的混合物，如將水泥、砂、碎石和水混合成混凝土濕料等；可以增加物料接觸表面積，以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)；還能夠加速物理變化，例如粒狀溶質(zhì)加入溶劑，通過混合設(shè)備的作用加速溶解混勻。

共振混合機(jī)是一種新型的高效混合設(shè)備。共振混合技術(shù)基于機(jī)械共振理論的應(yīng)用，在混合過程中，系統(tǒng)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能通過彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成低頻振動能，自動檢測和控制使系統(tǒng)達(dá)到并保持共振狀態(tài)，實現(xiàn)最佳的混合效果。傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的設(shè)計會專門避免設(shè)備運行在共振狀態(tài)；然而，共振混合機(jī)正確地去利用“共振”，實現(xiàn)了物料混合。

共振混合機(jī)運行時出現(xiàn)一些不良現(xiàn)象，如噪音大、物料混合過程中不穩(wěn)定，振幅或加速度有一定波動、系統(tǒng)會產(chǎn)生部分故障，密封不嚴(yán)、傳感器信號不好等。本文擬通過TRIZ理論分析，開展共振混合技術(shù)研究，滿足技術(shù)系統(tǒng)新要求，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率。

1 TRIZ概述

TRIZ理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，花費1500人/年的時間，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上所提出的發(fā)明問題解決理論。

TRIZ由解決技術(shù)問題和實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、工具和算法組成，是指導(dǎo)人們進(jìn)行創(chuàng)新活動的科學(xué)方法理論。前蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuler在對創(chuàng)新方法及專利規(guī)整做了大量共作后，得出了3個基本認(rèn)識：發(fā)明專利雖數(shù)目龐大，但有一個共同點，就是應(yīng)用了數(shù)目不多的一般性原理；像社會系統(tǒng)一樣，技術(shù)系統(tǒng)可以通過解決矛盾而得到發(fā)展。因此，真正的創(chuàng)新是解決矛盾，妥協(xié)的解決方案最多只能算優(yōu)化；技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化遵循一定的模式和規(guī)律。這就是說，技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展(在一定限度內(nèi))是可預(yù)測的。阿奇舒勒以這3個基本認(rèn)識為出發(fā)點，根據(jù)辯證法、認(rèn)識論和系統(tǒng)論的思想，總結(jié)出了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則和構(gòu)建在基本原理基礎(chǔ)上的求解發(fā)明問題的技術(shù)、方法和工具體系，創(chuàng)立了TRIZ，并經(jīng)過幾十年發(fā)展，現(xiàn)已形成TRIZ理論體系。

2 TRIZ理論分析問題

2.1 共振混合機(jī)工作原理

共振混合機(jī)是讓設(shè)備在共振條件下，實現(xiàn)多種物料的高效混合?；旌线^程物料運動如圖1所示，密閉容器在低頻共振條件下，物料在軸向方向產(chǎn)生振動，產(chǎn)生無數(shù)個微混合區(qū)，每個微混區(qū)的直徑約50μm。對于含流體物料的混合，系統(tǒng)聲學(xué)現(xiàn)象促進(jìn)物料混合；對于固-固物料的混合，物料顆粒間的碰撞促進(jìn)混合。在固-固物料的混合過程中，固體顆粒的碰撞運動效果與振幅、頻率以及加速度等因素密切相關(guān)。在共振條件下，顆粒物料之間形成無數(shù)個無序的混合區(qū)，同時也產(chǎn)生大混合區(qū)。

圖1 共振混合機(jī)工作原理

2.2 問題分析

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作流程簡介：人工或自動把待混合物料放入共振混合系統(tǒng)負(fù)載組件，系統(tǒng)啟動并快速達(dá)到共振狀態(tài)，在一定振幅和加速度狀態(tài)下快速完成物料混合。共振混合機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

共振混合機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成，其中機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)架、驅(qū)動組件、反作用單元和負(fù)載組件。反作用單元位于機(jī)架中間，通過彈簧與機(jī)架的上板和下板連接；激振單元位于反作用單元中間，通過彈簧與反作用單元的上板和下板連接；負(fù)載單元位于機(jī)架和反作用單元之間，分別通過多組彈簧與機(jī)架和反作用單元相連接。

圖2 共振混合機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2.2 問題分析

(1)現(xiàn)有方案的缺點。共振混合機(jī)在共振混合時，效率較低，穩(wěn)定性較差，對工作環(huán)境有一定影響(噪音大)。

(2)待解決的問題。系統(tǒng)工作時對地作用力較小，快速實現(xiàn)物料共振混合，且系統(tǒng)可靠可控。

(3)對問題解決的預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)實現(xiàn)共振，且高效可控；系統(tǒng)符合工業(yè)使用條件(噪音、環(huán)境等條件)。

(4)最終理想結(jié)果。系統(tǒng)共振時對地面作用力為0；工作時，系統(tǒng)一直處于共振點，混合效率最高。

3 TRIZ理論解決問題

3.1 MPV分析

MPV分析主要確定VOC(市場價值參數(shù))、SPV(戰(zhàn)略價值參數(shù))、MSPV(主要戰(zhàn)略價值參數(shù))、MFPV(主要功能價值參數(shù))和MPV(主要價值參數(shù))。經(jīng)過分析，對各MFPV和MSPV重要度進(jìn)行排序，經(jīng)組合評分測算(見圖3)，可知機(jī)械振動列第一位，加速度和系統(tǒng)共振列第二位，機(jī)械振動和系統(tǒng)共振是重點改進(jìn)的方向。

圖3 重要度排序

3.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析主要從功能和組件兩個方面進(jìn)行。功能分析主要是針對系統(tǒng)的每一個滿足人們需要的屬性進(jìn)行，基于功能實現(xiàn)，對包含系統(tǒng)的功能與不包含的功能邊界進(jìn)行明確，從系統(tǒng)抽象的功能角度來執(zhí)行或完成其功能的狀況；組件分析主要分組件列表、結(jié)構(gòu)關(guān)系和組件模型，從系統(tǒng)具體的組件角度來分析每一個組件實現(xiàn)功能的能力。

(1)系統(tǒng)作用對象：物料；

(2)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)組件：伺服電機(jī)、驅(qū)動連接板、負(fù)荷板、混合容器、夾具、傳感器、反作用塊、機(jī)架、彈簧、熱水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)；

(3)超系統(tǒng)組件：人、環(huán)境。

通過組件價值分析，發(fā)現(xiàn)反作用板的功能主要是平衡系統(tǒng)，若設(shè)計中讓驅(qū)動和負(fù)荷兩模塊自身達(dá)到平衡，則反作用板拆剪后不影響系統(tǒng)功能，因此系統(tǒng)可以裁剪掉反作用板。

3.3 因果分析和物場分析

共振混合效率提升是優(yōu)化設(shè)計的核心內(nèi)容，從共振混合效率低下產(chǎn)生的因果鏈上，追根溯源，尋找問題產(chǎn)生的真正原因，尋找有效的方案，并在合適的節(jié)點上進(jìn)行預(yù)防，分析過程如圖4所示。

圖4 功能分析FAST圖

對各影響要素簡要分析：物料質(zhì)量波動和物料質(zhì)量不匹配均與混合過程物料質(zhì)量相關(guān)，噪音大采取措施就是降低噪音；潤滑不良要增加潤滑措施，金屬件振動撞擊就要去盡量避免撞擊；信號反饋失真、程序計算錯誤、傳感器異常等均需要加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。根據(jù)影響要素分析，選取物料質(zhì)量和噪音大兩個入手點，得出2個因果分析方案：以物料質(zhì)量波動和物料質(zhì)量不匹配作為入手點，可以增加配重模塊；以噪音大作為入手點，可以增加隔音棉等隔音設(shè)施。

3.4 資源分析

先確定需要解決的問題點，然后進(jìn)行資源分析：①發(fā)現(xiàn)和尋找資源，可以利用工具1九屏幕法，2組件分析法，3物場分析法等；②挖掘及探究資源(縱向)：利用九屏幕法、系統(tǒng)分析、物場分析、派生法進(jìn)行挖掘和探究；③關(guān)聯(lián)和組合資源(橫向)：資源關(guān)聯(lián)采用關(guān)聯(lián)圖法，資源組合采用矩陣圖法；④資源評價和配置：評級標(biāo)準(zhǔn)是定量和定性，原則是盡可能地減少消耗資源，或用有限的資源產(chǎn)生最大的效益。系統(tǒng)進(jìn)行資源分析，其中采用電機(jī)轉(zhuǎn)速、振動系統(tǒng)的動能作為能量資源，均為系統(tǒng)內(nèi)資源，變害為利；對現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的問題解決、功能拓展有很大的幫助。

3.5 矛盾分析

3.5.1 共振系統(tǒng)混合效率

針對如何提高共振系統(tǒng)混合效率進(jìn)行矛盾分析，利用Pro/I矛盾分析向?qū)нM(jìn)行分析，給出多用性原理16，使一個物體具備多項功能，消除了該功能在其它物體內(nèi)存在的必要性(進(jìn)而拆剪其他物體) 。

形成方案：因增大電機(jī)功率后，電機(jī)自配循環(huán)水，可將該循環(huán)水用于物料加熱，故可取消共振系統(tǒng)熱水箱及加熱系統(tǒng)。

3.5.2 彈簧強(qiáng)度

針對如何提高共振系統(tǒng)彈簧強(qiáng)度進(jìn)行矛盾分析，利用Pro/I矛盾分析向?qū)нM(jìn)行后，結(jié)合事先防范原理，采用事先準(zhǔn)備好的應(yīng)急措施，補(bǔ)償物體相對較低的可靠性。

形成方案：提高彈簧強(qiáng)度，可以避免系統(tǒng)在共振混合時因彈簧斷裂而出現(xiàn)故障，但彈簧材質(zhì)改變會增大其制造難度，故應(yīng)做好事先彈簧加工工藝。

3.5.3 工藝適應(yīng)性

由于物流混合工藝要求混合時在一定溫度，需要提前給物料加熱，混合時物料顆粒間撞擊，產(chǎn)生熱量，又需要溫度降低，不同時間對物料溫度的要求形成了物理矛盾。

形成兩個方案：工藝調(diào)整，將混合時產(chǎn)生的能力用于溫度提升；將加熱系統(tǒng)更換為智能溫控系統(tǒng)，物料溫度過高時，可降低加熱溫度或制冷，進(jìn)行溫度智能控制。

表1 方案匯總

3.6 物場分析與標(biāo)準(zhǔn)解

共振混合機(jī)加速度傳感器緊固在負(fù)荷板上，系統(tǒng)工作時間較長或一段時間處于高加速度狀態(tài)，傳感器接頭易松動，出現(xiàn)信號不良，影響系統(tǒng)工作。機(jī)械系統(tǒng)上的彈簧工作一段時間后，自身有疲勞，阻尼、剛度系數(shù)會有一定變化，通過負(fù)荷板傳遞給物料的彈性力發(fā)生變化，影響物料混合過程。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法：1.2物場模型的破壞，1.2.1通過引入S3來消除有害作用，2.2.2引入S1或S2的變形來消除有害作用，2.2.3引入超系統(tǒng)物質(zhì)來消除有害作用，2.2.4引入F2抵消有害作用，得到2個方案：增加緊固件和增加自適應(yīng)控制。

3.7 知識庫

借助中國知網(wǎng)知識庫，輸入查詢詞：共振混合，查詢到相關(guān)專利和論文，結(jié)合檢索專利《一種高固含量粘合劑體系的共振混合方法》CN201410799813.1和《一種基于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的振動聲混合平臺設(shè)計方法》CN201611230014.8，對振動系統(tǒng)負(fù)荷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，實現(xiàn)負(fù)荷板與混合容器快速連接。

結(jié)合知識庫案例應(yīng)用和相關(guān)經(jīng)驗得方案：負(fù)荷板與混合容器快速連接。

3.8 進(jìn)化分析

綜合國內(nèi)外專利、文獻(xiàn)知識以及S-曲線各階段的特點，可知共振混合系統(tǒng)在國外處于成長期中后期，在國內(nèi)處于嬰兒期的末期。該技術(shù)在國內(nèi)有較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景。共振混合進(jìn)化樹如圖5所示。

圖5 進(jìn)化樹分析

進(jìn)化樹分析得到2個方案：采用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)物料混合；智能控制系統(tǒng)(智能控溫)。

4 產(chǎn)品驗證

4.1 方案評價

通過TRIZ分析共得到21個方案(見表1)和4個專利點，結(jié)合方案評價結(jié)果，為更好實現(xiàn)共振混合機(jī)優(yōu)化和提高共振混合系統(tǒng)的混合效率，把方案2、方案3、方案5、方案13、方案15等5個方案效果進(jìn)行結(jié)合，形成一套完整、可實施的方案。

4.2 共振混合機(jī)制造

針對TRIZ分析，對共振混合機(jī)優(yōu)化設(shè)計分別從驅(qū)動方式調(diào)整為電磁振動、振動系統(tǒng)優(yōu)化為二自由度振動、增加隔音棉、加熱系統(tǒng)采用智能溫控系統(tǒng)和增加自適應(yīng)控制等5個方案進(jìn)行結(jié)合，對加工制造過程關(guān)鍵零件、關(guān)鍵工序進(jìn)行交底，并對施工的全過程進(jìn)行質(zhì)量控制(見圖6)。

圖6 小型共振混合機(jī)

4.3 試驗分析

采用優(yōu)化后的共振混合機(jī)開展了硅橡膠絕熱層材料混合試驗，大幅提高絕熱層2mm短纖維均勻分散性能，且無纖維斷裂問題，解決了傳統(tǒng)混合設(shè)備纖維分散不均和長纖維斷裂問題，已開展絕熱層燒蝕試驗，效果良好。新型的共振混合機(jī)實現(xiàn)了原材料混合均勻性好，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

圖7 硅橡膠絕熱層混合和燒蝕

5 結(jié)語

本文針對一種新型的共振混合機(jī)在工作時出現(xiàn)噪音大、物料混合過程中不穩(wěn)定，振幅或加速度有一定波動等問題，通過TRIZ理論分析進(jìn)行了創(chuàng)新研究，并應(yīng)用TRIZ理論中MPV分析、系統(tǒng)分析、因果分析、資源分析、物場分析與標(biāo)準(zhǔn)解、知識庫、進(jìn)化分析等理論來具體分析問題，得到了21個方案和4個專利點。其中驅(qū)動方式調(diào)整為電磁振動、振動系統(tǒng)優(yōu)化為二自由度振動、增加隔音棉、加熱系統(tǒng)采用智能溫控系統(tǒng)和增加自適應(yīng)控制等5個方案已成功用于小型共振混合機(jī)研制，并開展了硅橡膠絕熱層材料混合試驗，實現(xiàn)了原材料混合均勻性好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。