基于TRIZ 的生物質(zhì)成型機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉威

(新疆維吾爾自治區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化研究院，新疆 烏魯木齊830000)

“綠水青山就是金山銀山”是新時(shí)期建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會(huì)的重要途徑。生物質(zhì)能源是一種可再生能源，同時(shí)也是唯一一種可再生的碳源。生物質(zhì)成型機(jī)是一種將粉碎狀生物質(zhì)原料，經(jīng)過壓縮成型，制成顆?；虬魻睢K狀燃料，可以做為燃爐、鍋爐、發(fā)電爐的燃料等用途的設(shè)備。

目前市場(chǎng)上的生物質(zhì)成型機(jī)多采用環(huán)模壓輥式結(jié)構(gòu)，存在著可靠性差、輥模磨損嚴(yán)重、原料適應(yīng)能力差、模孔易堵塞等問題，成為制約生物質(zhì)成型燃料規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。

1 問題分析

系統(tǒng)組成：現(xiàn)有環(huán)模壓輥式成型機(jī)主要組成有：模孔、壓輥、環(huán)模盤、電機(jī)、主軸等。

系統(tǒng)功能：壓縮秸稈的體積。

環(huán)模壓輥式成型機(jī)工作原理如圖1 所示：

圖1 環(huán)模壓輥式生物質(zhì)成型機(jī)工作原理示意圖

由電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸通過壓輥連接板帶動(dòng)壓輥公轉(zhuǎn)，壓輥同時(shí)還繞壓輥軸自轉(zhuǎn)，由于摩擦和擠壓，秸稈粉碎物的存放空間不斷縮小，從而進(jìn)入并通過成型?？?。已經(jīng)成型的壓塊燃料從環(huán)?？字胁粩啾粩D出，在自身重力作用下，折成一定長(zhǎng)度的成型塊料，從環(huán)模孔出口處落下。設(shè)備工作期間，經(jīng)常發(fā)生悶車現(xiàn)象，需停機(jī)維修，影響生產(chǎn)率；需要經(jīng)常檢修、清理、更換設(shè)備的主要零部件壓輥和環(huán)模盤，因?yàn)槠淠p嚴(yán)重；秸稈粉碎物容易滯留在成型模孔中，導(dǎo)致成型模孔堵塞，使設(shè)備運(yùn)行強(qiáng)制中斷，從而不能進(jìn)行正常生產(chǎn)，降低了設(shè)備生產(chǎn)率，影響了秸稈壓塊的品質(zhì)，降低了環(huán)模盤的使用壽命，增加了設(shè)備的維修成本。

2 S- 曲線分析

圖2 系統(tǒng)的生命曲線圖

如圖所示，為秸稈壓塊成型機(jī)的S 形進(jìn)化曲線。經(jīng)查閱相關(guān)資料可知秸稈壓塊成型機(jī)的相關(guān)專利集中在發(fā)明專利上，性能參數(shù)較好，但對(duì)于某些裝置還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。綜上，我們判斷秸稈壓塊成型機(jī)處于成長(zhǎng)期。

針對(duì)成長(zhǎng)期的戰(zhàn)略如下：（1）實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化是發(fā)展工程系統(tǒng)的主要方法；（2）不斷把系統(tǒng)應(yīng)用到新的領(lǐng)域；（3）盡可能找到折中和降低劣勢(shì)的解決方案。

3 系統(tǒng)分析- 九屏圖

九屏圖不僅僅要考慮到當(dāng)前系統(tǒng)，也要以空間為軸考慮到它的子系統(tǒng)和超系統(tǒng)。從子系統(tǒng)的將來獲取資源，采用智能傳料與精準(zhǔn)壓縮系統(tǒng)，利用智能方式實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的壓塊成型（如圖3）。

4 金魚法

利用金魚法，將環(huán)模盤分割成由多個(gè)環(huán)模塊組成，物料由一個(gè)環(huán)?？走M(jìn)，以增加環(huán)?？椎倪M(jìn)料量，由兩個(gè)環(huán)?？壮?，來滿足生物質(zhì)燃料的形狀要求，在兩個(gè)環(huán)模孔中間隔板端部倒角，減小進(jìn)料阻力（表1）。

5 技術(shù)矛盾分析

5.1 提取技術(shù)矛盾及原問題技術(shù)矛盾的表述（如圖4）

表1 金魚法應(yīng)用流程表

圖3 環(huán)模壓塊機(jī)系統(tǒng)的九屏圖

圖4

確定要解決的技術(shù)矛盾為TC-（1），它發(fā)生在（秸稈）與（壓輥）之間，發(fā)生在（秸稈擠壓成型）的時(shí)候。

5.2 問題模型——對(duì)應(yīng)的39 個(gè)通用工程參數(shù)

表2 矛盾矩陣表

5.3 解決方案模型

對(duì)應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為：19、30、35、2，提出技術(shù)方案：

由NO2 抽取原理啟發(fā)得到：將壓輥和環(huán)模盤改為行星輪式的具有咬合功能的輥模，減小和秸稈散粒的摩擦面積，同時(shí)增大對(duì)秸稈散粒的擠壓壓強(qiáng)。如圖5 所示。

圖5 壓輥結(jié)構(gòu)示意圖

由N35 物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)韱l(fā)得到：壓輥表層采用耐磨材料制造（芯部保持韌性，提高表面硬度和耐磨性），并進(jìn)行熱處理。

6 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則

6.1 系統(tǒng)完備性進(jìn)化法則

通過完備性法則得出，將集中控制箱更換為可調(diào)節(jié)式遠(yuǎn)程指令操作，將增加整機(jī)的智能化，較少人為操作問題的發(fā)生。

6.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則（圖6）

技術(shù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性應(yīng)該沿著增加結(jié)構(gòu)柔性，可移動(dòng)性，可控性的方向進(jìn)化，以適應(yīng)環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化。秸稈壓塊成型方式向增加自由度進(jìn)化：得出在成型室增加增壓裝置，產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)，利用壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)孔碾壓料的推送作用。

圖6 生物質(zhì)成型機(jī)系統(tǒng)完備性圖

圖7 嚙合式生物質(zhì)壓塊成型機(jī)

6.3 提高理想度法則

系統(tǒng)的理想度定義為所有的有用功能與有害功能和成本之和的比值，技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)的一般方向是最大化理想度的比值，努力提升其理想度水平。均料裝置提高理想度：引入靜電場(chǎng)。使秸稈顆粒吸附在環(huán)模孔表面，形成顆粒層。

7 最終實(shí)施方案

綜合方案后確定最終實(shí)施方案，如圖7 所示，設(shè)計(jì)出嚙合式生物質(zhì)燃料成型機(jī)。工作時(shí)啟動(dòng)機(jī)架下方的電機(jī)，電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)壓輥連接板旋轉(zhuǎn)，壓輥連接板轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)壓輥軸旋轉(zhuǎn)；壓輥在壓輥軸上繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在原料摩擦力的作用下，壓輥同時(shí)分別以和主軸相反的方向自轉(zhuǎn)；在壓輥公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的同時(shí)作用下，生物質(zhì)粉碎物的空間不斷被壓縮，在物料、環(huán)模、壓輥三者的摩擦作用下，生物質(zhì)成型壓塊就會(huì)從?？字胁粩啾粩D壓出來；被擠壓出來的生物質(zhì)成型壓塊由料斗處滑落、收集，最終獲得成品。

8 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有環(huán)模壓輥式生物質(zhì)成型機(jī)可靠性差、輥模磨損嚴(yán)重、原料適應(yīng)能力差等問題，基于TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種嚙合式生物質(zhì)壓塊成型機(jī)。采用環(huán)模盤與壓輥咬合式相互配合，壓輥與入料凹槽形成嵌入式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步壓縮，提高了生產(chǎn)效率和原料適用性；采用組合可拆卸式環(huán)模盤，便于拆卸與維修。