基于TRIZ的慣性圓錐破碎機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

王 旭 盧爍十 夏曉鷗 羅秀建 陳 幫

(礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160)

破碎作業(yè)是將大塊原料加工成小塊產(chǎn)品的過程，期間伴隨著復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換以及聲光熱耗散等現(xiàn)象。工業(yè)中通常采用機(jī)械方式對物料施加載荷，通過壓、剪、彎、拉等作用力克服物料分子間內(nèi)聚力以實(shí)現(xiàn)顆粒破碎。圓錐破碎機(jī)是破碎設(shè)備的典型代表，廣泛應(yīng)用于礦山、建材等行業(yè)中。破碎過程的參數(shù)選取與設(shè)定以及對破碎產(chǎn)品的控制方式更多的依賴于破碎產(chǎn)品的不同用途或者工藝流程配置，例如追求立方體的破碎產(chǎn)品粒型是建材行業(yè)對破碎產(chǎn)品的主要特性需求，而降低破碎產(chǎn)品最終粒度則是礦物加工行業(yè)中破磨工藝流程的主要目標(biāo)方向[1]。慣性圓錐破碎機(jī)以其振動破碎方式和柔性傳動兩大特點(diǎn)，能夠大幅降低破碎產(chǎn)品粒度，有著傳統(tǒng)偏心圓錐破碎機(jī)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢。然而，因慣性圓錐破碎機(jī)獨(dú)特的原理特點(diǎn)和復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)，對操作條件有著特殊要求。此外，部分技術(shù)性能指標(biāo)仍有待提高。本文針對目前慣性圓錐破碎機(jī)的不足，借助TRIZ理論方法開展創(chuàng)新設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以進(jìn)一步提高其破碎效率和復(fù)雜工況條件下的適用性。

1 慣性圓錐破碎機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

慣性圓錐破碎機(jī)采用振動理論研制而成，高頻與振動沖擊特性使其能夠有效處理含鐵不均質(zhì)物料[2]。慣性圓錐破碎機(jī)與傳統(tǒng)偏心圓錐破碎機(jī)的突出區(qū)別在于高頻振動以及動錐沖程不受運(yùn)動學(xué)的剛性軌跡所限，可有效促進(jìn)細(xì)碎效果提升[3]。慣性圓錐破碎機(jī)的優(yōu)勢和復(fù)雜性均體現(xiàn)在巧妙的萬向傳動與滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計，既實(shí)現(xiàn)了過鐵保護(hù)又滿足了動錐極限沖程的需求，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 慣性圓錐破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Fig.1 Structure characteristics of inertia cone crusher

物料所受的破碎力源于物料顆粒承受的加載方式、受力狀態(tài)以及與相鄰顆?；蛟O(shè)備的接觸分布條件。在傳統(tǒng)偏心圓錐破碎機(jī)中，動錐的運(yùn)動軌跡取決于偏心距(沖程)與襯板腔型，工作中襯板表面的任一點(diǎn)均遵循固定運(yùn)動軌跡相對定錐襯板做周期性的往復(fù)運(yùn)動。在定量壓縮比的加載方式作用下，破碎腔的填充程度以及物料的物理機(jī)械特性綜合決定了破碎力幅值大小，呈現(xiàn)出與加載位移相關(guān)的非線性函數(shù)關(guān)系。在慣性圓錐破碎機(jī)柔性傳動的驅(qū)動方式下，動錐的運(yùn)動軌跡擺脫了傳動機(jī)構(gòu)剛性連接的限制，工作中動錐襯板與定錐襯板的相對位置取決于激振力大小、物料分布狀態(tài)與物料可碎性指標(biāo)。在動錐的非定量壓縮方式下物料始終承受極限壓縮狀態(tài)，所受的破碎力源自偏心激振裝置所激發(fā)的慣性離心力。當(dāng)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)(偏心質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、偏心距)確定后，激振力大小在排料間隙設(shè)置的范圍內(nèi)基本保持固定，受控能量作用下物料所受破碎力是與排料間隙相關(guān)的線性函數(shù)。非定量壓縮加載方式下的受控能量作用成為慣性圓錐破碎機(jī)柔性傳動與慣性振動破碎體系的核心本質(zhì)。

2 TRIZ理論概述

TRIZ理論是一種解決發(fā)明創(chuàng)造問題的方法體系，通過跨行業(yè)、多學(xué)科之間基礎(chǔ)知識的交叉融合總結(jié)歸納出發(fā)明問題背后的普遍規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)廣大工程技術(shù)人員更加快速有效的尋求發(fā)明問題解決方案。TRIZ理論自誕生以來解決了實(shí)際應(yīng)用中的大量難題[4-5]，以往經(jīng)典的成功案例進(jìn)一步印證了其在實(shí)踐中的有效性與普適性，成為破解科學(xué)與工程技術(shù)難題的一種有效工具。在礦物加工領(lǐng)域，TRIZ理論的相關(guān)原理已被用于選礦工程[6]并深入到破碎機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化中[7-8]。實(shí)踐證明，應(yīng)用TRIZ理論可加快人們發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程并得到高質(zhì)量的創(chuàng)新成果，面向TRIZ的理論知識與教學(xué)培訓(xùn)不斷呈現(xiàn)多元化發(fā)展[9]。項(xiàng)目組在前期工作中已經(jīng)利用TRIZ理論針對慣性圓錐破碎機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的技術(shù)難題進(jìn)行了初步改進(jìn)并取得了一定成效[10]。本文在上述工程背景下，將TRIZ理論進(jìn)一步用于慣性圓錐破碎機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計中，解決慣性圓錐破碎機(jī)工程應(yīng)用中的技術(shù)難題。

3 問題分析與求解

3.1 問題描述

慣性圓錐破碎機(jī)采用了高頻振動破碎的工作原理，基于可變沖程與柔性傳動技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物料細(xì)碎的需求，較傳統(tǒng)偏心圓錐破碎機(jī)具有破碎產(chǎn)品加權(quán)平均粒度細(xì)的顯著特點(diǎn)。然而，在處理量方面，慣性圓錐破碎機(jī)約為普通偏心圓錐破碎機(jī)處理量的一半，在一定程度上限制了其優(yōu)勢的進(jìn)一步發(fā)揮。為解決該技術(shù)難題，本文嘗試?yán)肨RIZ理論尋求突破處理量這一短板限制的有效方法。

3.2 功能分析

首先，運(yùn)用系統(tǒng)思維分析慣性圓錐破碎機(jī)的物料破碎系統(tǒng)，尋找破碎系統(tǒng)、系統(tǒng)組成部分和周圍環(huán)境、操作條件間的相互關(guān)聯(lián)，有助于幫助理解系統(tǒng)運(yùn)行及其功能模型建立。依據(jù)系統(tǒng)元素類型不同以及主要功能區(qū)域劃分，將慣性圓錐破碎機(jī)按子系統(tǒng)、系統(tǒng)和超系統(tǒng)三部分進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能分析Fig.2 System function analysis

系統(tǒng)功能分析有助于厘清技術(shù)系統(tǒng)的核心功能及其輔助功能，掌握系統(tǒng)各項(xiàng)功能之間的相互作用關(guān)系，加深對系統(tǒng)的理解并找出核心問題所在，為創(chuàng)新設(shè)計思想的形成和發(fā)明創(chuàng)造方案的制定提供依據(jù)，成為新技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化過程的首要環(huán)節(jié)。

3.3 資源分析

根據(jù)系統(tǒng)功能分析結(jié)果，從物質(zhì)、場、時間和空間四個方面進(jìn)行資源劃分，結(jié)合九屏幕法對破碎系統(tǒng)進(jìn)行資源分析。資源是指在特定條件下存在并可以被開發(fā)利用，進(jìn)而改善系統(tǒng)功能的潛在要素和條件，例如物質(zhì)資源、場資源、時間資源、空間資源、能量資源、信息資源等。慣性圓錐破碎機(jī)破碎系統(tǒng)的資源分析結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)資源分析

根據(jù)資源分析結(jié)果，得到提高處理量的方案一：利用電磁場對料斗內(nèi)的物料顆粒進(jìn)行預(yù)處理，選取微波作為輔助手段對料斗內(nèi)的物料顆粒進(jìn)行輔助軟化破碎，進(jìn)而降低物料強(qiáng)度，促進(jìn)處理量的提升。

3.4 因果分析

分析操作中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和故障根源，歸納影響處理量的主要因素，對系統(tǒng)進(jìn)行因果分析，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)因果分析流程圖Fig.3 System causal analysis flow chart

原因和結(jié)果之間通過不同層級排布的多條因果關(guān)系鏈表示內(nèi)在因果關(guān)系，指出了問題產(chǎn)生的根源、因果鏈中的薄弱點(diǎn)以及解決問題的時間點(diǎn)和切入點(diǎn)，便于發(fā)掘系統(tǒng)內(nèi)部的技術(shù)矛盾和物理矛盾關(guān)系。

3.5 技術(shù)矛盾

通過因果關(guān)系鏈分析明確了關(guān)鍵問題為設(shè)備處理量偏低，得出系統(tǒng)的主要技術(shù)矛盾為處理量和破碎產(chǎn)品粒度二者間的制約與平衡。當(dāng)激振系統(tǒng)工作頻率降低時，帶來的優(yōu)點(diǎn)是處理量得以提高，不足是將影響破碎產(chǎn)品粒度分布。依據(jù)矛盾矩陣表，從39個工程參數(shù)中確定改善的通用工程參數(shù)為No.26物質(zhì)的量，惡化的通用工程參數(shù)為No.7運(yùn)動物體的體積。根據(jù)矛盾矩陣可確定采用如下發(fā)明原理：No.15動態(tài)特性原理、No.20有效作用的連續(xù)性原理、No.29氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理。

根據(jù)技術(shù)矛盾的有效作用的連續(xù)性原理，嘗試改進(jìn)設(shè)計破碎腔型以提高物料顆粒在破碎腔內(nèi)的運(yùn)動連續(xù)性，增大單位時間內(nèi)的物料通過量，得到提高處理量的方案二：改進(jìn)破碎腔型，使各水平截面面積大小保持面積相似性。設(shè)計方案實(shí)施效果對比如圖4所示。

該設(shè)計的核心技術(shù)方案在于，依據(jù)物料性質(zhì)(硬度、脆性、不均質(zhì)性)及產(chǎn)品特性(粒度、粒型)要求，通過控制襯板腔型由上到下不同高度位置處的水平截面面積大小，在產(chǎn)品粒度保持相對穩(wěn)定的前提下提高了顆粒在不同破碎帶之間的總體平衡與運(yùn)動連續(xù)性。該設(shè)計方法降低了物料顆粒在整體向下流動過程中受到下方物料因壓縮體積突變產(chǎn)生的局部堆積和阻礙作用，提高破碎腔內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動連續(xù)性，優(yōu)化運(yùn)動路徑形態(tài)、縮短運(yùn)動軌跡長度，從而減少物料通過破碎腔的整體時間進(jìn)而提高設(shè)備處理量。同時，合理的應(yīng)力分布避免了腔型不合理造成的局部過粉碎、襯板磨損不均等問題。

根據(jù)技術(shù)矛盾的氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理，嘗試采用濕式輔助破碎，得到提高處理量的方案三：在破碎腔的環(huán)形縫隙中加入液體流場，借助流體流動時產(chǎn)生的沖刷作用加速排出粉狀以及塊狀結(jié)餅顆粒，同時降低物料顆?！w粒、顆?！O(shè)備工作表面之間的摩擦系數(shù)，加速物料通過破碎腔實(shí)現(xiàn)增大處理量的目的。

3.6 物理矛盾

慣性圓錐破碎機(jī)的處理量大小即單位時間內(nèi)通過破碎腔入口或者出口水平截面面積的物料體積量。提高設(shè)備處理量意味著提高物料顆粒的下落速度，使其更快的通過破碎腔。然而，為了保證理想的細(xì)碎效果，物料下落速度又有一定的限制范圍，使其經(jīng)受足夠次數(shù)的擠壓作用進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化細(xì)碎效果的目的。物料下落速度的快慢成為提高破碎系統(tǒng)處理量的主要物理矛盾。

針對該物理矛盾，首先運(yùn)用分離原理中的時間分離原理，依據(jù)其對應(yīng)的發(fā)明原理No.19周期性作用原理，獲得方案四：依據(jù)襯板磨損速度及使用時間情況制定相應(yīng)的操作規(guī)程。當(dāng)使用新襯板時適當(dāng)增大排料間隙，當(dāng)襯板使用一段時間后底部出現(xiàn)環(huán)形溝槽時適當(dāng)減小排料間隙。

運(yùn)用分離原理中的空間分離原理，依據(jù)其對應(yīng)的發(fā)明原理No.13反向作用原理，獲得方案五：采用相反的動作施加在動錐襯板與定錐襯板改變其運(yùn)動學(xué)特性，從而調(diào)整物料顆粒的速度方向，減少物料上躥現(xiàn)象。

運(yùn)用分離原理中的條件分離原理，依據(jù)其對應(yīng)的發(fā)明原理No.31多孔材料原理，獲得方案六：將動錐襯板、定錐襯板按破碎產(chǎn)品粒度需求加工成多孔形狀，利用局部孔隙加速合格粒級產(chǎn)品的排出。

3.7 物場模型

物場分析法是將系統(tǒng)中的元素通過物質(zhì)和場的形式，借助描述組件之間作用關(guān)系的符號語言歸納表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)變換以及系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系的高級建模技術(shù)，是TRIZ理論中研究技術(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和發(fā)展的高級建模工具。慣性圓錐破碎機(jī)主要包含傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等部分，系統(tǒng)中的元素和組件作用關(guān)系歸納如圖5所示。

圖5 慣性圓錐破碎機(jī)破碎系統(tǒng)物場模型Fig.5 Substance-field model of crushing system of inertia cone crusher

圖5中的直線表示正常作用，波浪線表示有害作用，虛線表示不充分作用，加號線表示過度作用。依據(jù)增強(qiáng)物場模型中的轉(zhuǎn)化為合成的物場模型方案，采用76個標(biāo)準(zhǔn)解中的2.1.1向鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ蛙S遷，對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)解法14：通過引入S3，讓S2產(chǎn)生的場F2作用于S3，同時S3產(chǎn)生的場F1作用于S1，將單一的物場模型轉(zhuǎn)化為鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ?，如圖6所示。

圖6 單一的物場模型轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)的鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ虵ig.6 The single substance-field model to the enhanced chain substance-field model

其中，S2表示料斗，S1表示礦石，F(xiàn)表示重力場。依據(jù)76個標(biāo)準(zhǔn)解中2.1.1得到方案七：通過引入均勻布料裝置S3以及機(jī)械場F2的旋轉(zhuǎn)離心動作，將料斗S2內(nèi)的礦石S1在重力場F1的作用下按粒度大小沿周向均勻分布，避免了破碎腔內(nèi)受力不均和襯板偏磨，有助于提高處理量。

依據(jù)76個標(biāo)準(zhǔn)解中的2.3.1通過協(xié)調(diào)頻率加強(qiáng)物場模型方法，對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)解法22：將場F的頻率與物質(zhì)S1或者物質(zhì)S2的頻率相協(xié)調(diào)，得到方案八：面向特定的礦石原料進(jìn)行物料性質(zhì)分析得到的固有頻率值，動態(tài)調(diào)節(jié)傳動裝置的傳動比并控制偏心塊的激振頻率，使其與被破碎礦石或破碎機(jī)構(gòu)的固有頻率保持一致，利用共振特性強(qiáng)化破碎效果。

3.8 進(jìn)化分析

技術(shù)系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)某一功能并得到預(yù)期效果而創(chuàng)建的功能集合體。技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展和產(chǎn)品的進(jìn)化軌跡并不是雜亂無序的，而是以相似的模式遵循特定的客觀規(guī)律不斷改進(jìn)升級進(jìn)而向功能更強(qiáng)大的方向發(fā)展。技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化理論就是指實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的技術(shù)手段由低級到高級的發(fā)展歷程，一般會經(jīng)歷嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期四個階段，利用S曲線描述其整個生命周期的特點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化趨勢-S曲線Fig.7 Evolution trend of technical systems-S curve

經(jīng)過了幾十年的不斷發(fā)展和技術(shù)積累，慣性圓錐破碎機(jī)正處于成長期并逐漸進(jìn)入成熟期階段。依據(jù)八大系統(tǒng)進(jìn)化法則的各自適用階段，慣性圓錐破碎機(jī)宜采用子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則、向超系統(tǒng)進(jìn)化法則以及向微觀級進(jìn)化法則。向超系統(tǒng)進(jìn)化法則包含技術(shù)系統(tǒng)向系統(tǒng)的合成方向發(fā)展以及技術(shù)系統(tǒng)的簡化，依據(jù)后者得到方案九：通過改進(jìn)激振裝置的結(jié)構(gòu)形式，將振動激勵直接施加在動錐或者定錐機(jī)構(gòu)，擺脫激振器軸套與動錐主軸之間的滑動連接，將流體潤滑這一子系統(tǒng)進(jìn)化為無需稀油潤滑的超系統(tǒng)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是消除了散熱裝置的冷卻及潤滑效率限制，能夠在更大程度上提高許用激振力，帶來處理量和細(xì)碎效果的混合提升。

4 方案總結(jié)

利用TRIZ方法得出了一系列的問題解決方案，歸納匯總見表2。

表2 利用TRIZ方法得出的解決方案

5 結(jié)論

以慣性圓錐破碎機(jī)為研究對象，針對實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的處理量偏低問題以及與破碎產(chǎn)品粒度間的相互制約關(guān)系，利用TRIZ理論中的矛盾矩陣、40個創(chuàng)新原理、分離原理、物場模型、76個標(biāo)準(zhǔn)解、功能分析、資源分析以及進(jìn)化分析等方法探索工程技術(shù)問題的解決方案。TRIZ方法的運(yùn)用成功打破了以往設(shè)備改進(jìn)優(yōu)化中的思維慣性限制，顯著提高發(fā)明創(chuàng)造效率，最終得到了九種創(chuàng)新設(shè)計方案，取得了比較理想的實(shí)際效果，通過實(shí)例證實(shí)了TRIZ理論在礦物加工領(lǐng)域工程實(shí)踐中的可行性，為粉碎領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備的研制和改進(jìn)優(yōu)化提供指導(dǎo)。