基于TRIZ理論的甜菜制糊技術(shù)研究

陳 剛，姚一婧

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

甜菜制糊為甜菜品質(zhì)檢測的前期處理工序，用于甜菜群體品質(zhì)檢測的多株甜菜混合測定取樣，制取少量具備代表性的樣品菜糊，進(jìn)而進(jìn)行甜菜含糖率和其他成分分析。樣品取樣方法為逐株用鋸糊鋸片在位于塊根非根溝一面的居中位置，縱向掏溝至1/2深度鋸取甜菜糊，然后將甜菜糊聚集在集糊器內(nèi)。

我國甜菜品質(zhì)檢測前期處理技術(shù)和設(shè)備還比較落后，許多方面有待改進(jìn)，需要提高甜菜品質(zhì)檢測工作效率和準(zhǔn)確性，以適應(yīng)制糖工業(yè)發(fā)展需要。甜菜制糊技術(shù)和設(shè)備存在的問題主要有：人工喂料操作復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，安全性差。工作時設(shè)備振動，集糊器托盤時常脫落，造成甜菜糊損失，影響檢測準(zhǔn)確性。鋸糊時甜菜糊飛濺，設(shè)備清理(洗)困難。甜菜制糊機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)是每年在甜菜收獲(季節(jié))后半個月內(nèi)集中運(yùn)行使用，所以要求設(shè)備處理效率高，清洗便捷，且易于維護(hù)保養(yǎng)，制造成本低。

TRIZ理論是一種創(chuàng)新方法學(xué)，它克服了傳統(tǒng)創(chuàng)新方法隨機(jī)性、無序性等缺點(diǎn)，使創(chuàng)新走出了盲目的、高成本的試錯和靈光一現(xiàn)式的偶然，大大加快了創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，并能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品[1]。針對上述甜菜制糊技術(shù)存在的問題，嘗試運(yùn)用TRIZ理論，快速準(zhǔn)確地確定問題的探索方向，突破思維障礙，找到解決甜菜制糊技術(shù)問題的方案。

1 系統(tǒng)分析

1.1 功能分析

功能分析用于理清技術(shù)系統(tǒng)的主要功能及輔助功能，以便理解系統(tǒng)，找出系統(tǒng)的問題所在[2]。甜菜制糊技術(shù)系統(tǒng)主要功能為甜菜鋸糊、甜菜輸送，輔助功能為菜糊收集。通過對該技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分解，明確了系統(tǒng)各個組件的功能及組件之間的互相關(guān)聯(lián)作用。構(gòu)建的甜菜制糊系統(tǒng)功能模型如圖1所示。

圖1 甜菜制糊系統(tǒng)功能模型圖

1.2 最終理想解與資源分析

運(yùn)用TRIZ理論解決問題，首先不考慮客觀限定的約束條件，理想化地定義最終理想解，確保問題解決過程沿著最終目標(biāo)前進(jìn)，克服慣性思維，提高創(chuàng)新效率。設(shè)定了最終理想解，就是設(shè)定了技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)的方向，即使理想的解決方案不能100%獲得，也會引導(dǎo)得到最巧妙和有效的解決方案[3]。經(jīng)分析，甜菜制糊技術(shù)改善的最終理想解為：甜菜制糊機(jī)能夠自行高效(安全)地制取甜菜糊。達(dá)到理想解的障礙為：甜菜制糊喂料作業(yè)勞動強(qiáng)度大，安全性差，集糊器托盤時常脫落，甜菜糊飛濺，清理困難。

資源分析即全面系統(tǒng)化地考慮可利用資源，以激發(fā)解決問題的創(chuàng)造性靈感。經(jīng)分析，該系統(tǒng)可利用的資源包括場資源，即電場、機(jī)械場、磁場；空間資源，即系統(tǒng)內(nèi)部空間、機(jī)架上及周圍空間；時間資源，即系統(tǒng)喂料操作時間、鋸糊時間、卸料時間等；功能資源，即系統(tǒng)動力、機(jī)架承載、輸送機(jī)構(gòu)的傳遞功能等。

TRIZ理論的三大核心點(diǎn)是理想解、矛盾和資源，它們貫穿于解決問題的始終[4]。運(yùn)用TRIZ理論解決問題時，應(yīng)全面考慮系統(tǒng)所涉及的資源，通過對資源的合理利用，解決矛盾，實(shí)現(xiàn)理想解。下面，結(jié)合TRIZ理論的具體應(yīng)用，探討甜菜制糊技術(shù)的具體矛盾(問題)及解決方法。

2 ARIZ算法在甜菜喂料機(jī)構(gòu)研究中的應(yīng)用

甜菜制糊要求效率高，系統(tǒng)(甜菜制糊機(jī))處理能力一般達(dá)到960株/h，采用人工向喂料斗內(nèi)喂料裝填甜菜。甜菜大小不同，喂料時均需將其中心線對準(zhǔn)喂料斗中心，且雙手握持甜菜待喂料斗運(yùn)動到位時，向喂料斗運(yùn)動反方向推送甜菜，直至甜菜完全進(jìn)入喂料斗深處后方能撤出雙手，以保證下一步鋸糊工序能夠順利可靠完成。如果撤手不及時，運(yùn)動的喂料斗容易碰傷手。整個喂料動作復(fù)雜，安全性差。

ARIZ是一種非常強(qiáng)大和精準(zhǔn)的方法，能指引人們有序工作，找到最佳解決問題的方法[5]。ARIZ一般用于解決狀態(tài)比較含糊、復(fù)雜的問題。應(yīng)用時需要對問題進(jìn)行分析和簡化，建立一個可以準(zhǔn)確描述的極其單一化的模型。以下，嘗試按照ARIZ-85的步驟來分析解決甜菜制糊技術(shù)中的甜菜喂料問題。

2.1 分析問題

問題最小化：甜菜制糊技術(shù)系統(tǒng)用于甜菜群體品質(zhì)檢測，制取少量具有代表性的樣品菜糊。與制糊機(jī)相關(guān)的部分包括：機(jī)架、輸送機(jī)構(gòu)、鋸糊機(jī)構(gòu)、鋸片、喂料斗等。技術(shù)矛盾1(TC-1)：如果手持甜菜對準(zhǔn)喂料斗，等待喂料斗運(yùn)動到位，再向喂料斗運(yùn)動反方向推送，甜菜可完全進(jìn)入喂料斗，但喂料工藝操作復(fù)雜，安全性差。技術(shù)矛盾2(TC-2)：如果手持甜菜不顧及是否對準(zhǔn)喂料斗，不等喂料斗到位，又未向喂料斗運(yùn)動反方向推送甜菜，甜菜就不能完全進(jìn)入喂料斗，但喂料工藝操作簡單、操作安全性好。

確定沖突元素：產(chǎn)品-甜菜，工具-喂料斗。

建立技術(shù)矛盾模型。TC-1：甜菜對準(zhǔn)喂料斗，等待料斗，推送甜菜，甜菜可完全進(jìn)入喂料斗，但操作復(fù)雜，安全性差。TC-2：不顧及甜菜是否對準(zhǔn)喂料斗，不等待料斗，未推送甜菜，甜菜不能完全進(jìn)入喂料斗，但操作簡單，操作安全性好。

選擇技術(shù)矛盾，TC-1：甜菜可完全進(jìn)入喂料斗，有利于下步鋸糊工序順利可靠完成。

強(qiáng)化技術(shù)矛盾，手持甜菜喂料，甜菜完全進(jìn)入喂料斗，再向料斗運(yùn)動反向方推送，操作更復(fù)雜，安全性極差。

陳述問題模型，沖突元件：甜菜、喂料斗。沖突的強(qiáng)化：甜菜完全進(jìn)入喂料斗，再向料斗運(yùn)動反方向推送，操作更復(fù)雜，安全性極差。找到X元素，不顧及是否對準(zhǔn)喂料斗，不等喂料斗到位，又未向喂料斗運(yùn)動反方向推送甜菜，甜菜也能完全進(jìn)入喂料斗。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解，考慮利用標(biāo)準(zhǔn)解法的系列解法來解決問題模型，但沒有找到。

2.2 分析問題模型

主要目標(biāo)是找到用來解決問題的有效資源(空間、時間、物質(zhì)和場)。

定義操作區(qū)域(OZ)，甜菜與喂料斗接觸處的空間。

定義操作時間(OT)，發(fā)生沖突的時間段(T1)：甜菜向喂料斗裝填的時間。沖突發(fā)生前的時間(T2)：甜菜向喂料斗裝填前的時間。

查明資源，場資源：電場、機(jī)械場、磁場?？臻g資源：系統(tǒng)的內(nèi)部空間、機(jī)架上及周圍空間。時間資源：系統(tǒng)喂料操作時間、鋸糊時間、卸料時間等。功能資源：系統(tǒng)動力、機(jī)架承載、輸送機(jī)構(gòu)的傳遞功能。

2.3 陳述最終理想解和物理矛盾

可得到最終理想解(IFR)，也確定了阻礙得到IFR的物理矛盾，指示出獲得理想解的方向。

表述IFR-1：引入X元素，在操作區(qū)和操作時間內(nèi)，不會以任何方式使系統(tǒng)變復(fù)雜，不用顧及甜菜是否對準(zhǔn)喂料斗，不用等喂料斗到位，又不用推送，并且甜菜能完全進(jìn)入喂料斗。

強(qiáng)化IFR-1：再次分析操作區(qū)內(nèi)及周圍可利用的資源，沒有發(fā)現(xiàn)任何與X要求相近的資源。

宏觀物理矛盾：操作區(qū)的操作時間內(nèi)，為了使甜菜能完全進(jìn)入喂料斗，需對準(zhǔn)喂料斗，等待喂料斗到位，再向喂料斗運(yùn)動反方向推送。為了操作簡單、操作安全性好，不顧及甜菜是否對準(zhǔn)喂料斗，不等待料斗，不推送。

微觀物理矛盾：操作區(qū)的操作時間內(nèi)，為了使甜菜微粒能完全進(jìn)入喂料斗，需對準(zhǔn)喂料斗，等待喂料斗到位，再向喂料斗運(yùn)動反方向推送。為了操作簡單、操作安全性好，不顧及甜菜微粒是否對準(zhǔn)喂料斗，不等待料斗，不推送。

表述IFR-2：操作區(qū)的操作時間內(nèi)，不用顧及甜菜是否對準(zhǔn)喂料斗，不用等喂料斗到位，又不用推送，并且甜菜能自己完全進(jìn)入喂料斗。

使用物-場分析。工件(S1)-甜菜，工具(S2)-喂料斗，場(F)-機(jī)械場。S1和S2之間存在又不存在沖突，無法建立物-場模型。

2.4 利用資源

圖2 甜菜喂料問題小人模型圖

從IFR返回，理想解是：不用顧及甜菜是否對準(zhǔn)喂料斗，不用等喂料斗到位，又不用推送，甜菜能完全進(jìn)入喂料斗。

使用混合物質(zhì)資源：采用能向后推送甜菜又可依據(jù)其大小(重量)使甜菜自行對準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)。

技術(shù)方案解決：在該甜菜制糊機(jī)機(jī)架上部的喂料空間內(nèi)，研究設(shè)計(jì)一個特殊的喂料機(jī)構(gòu)替代人工向喂料斗內(nèi)填加樣品甜菜的操作。該喂料機(jī)構(gòu)由上部刀片狀的尖頭支承桿、彈簧鋼制成的彈性擋推片、圓柱螺旋壓縮彈簧及支座等組成，支座固定在制糊機(jī)機(jī)架上，如圖3所示。

圖3 喂料機(jī)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)示意圖

采用該喂料機(jī)構(gòu)，操作工人只需手持甜菜將其最底部插放在支承桿上部刀片狀的尖頭內(nèi)，即可撤手。由于支承桿下部分別由適當(dāng)彈力的壓縮彈簧支承，可實(shí)現(xiàn)依樣品甜菜大小(重量)不同，自行調(diào)節(jié)甜菜中心線高度，使其對準(zhǔn)喂料斗中心。由于喂料斗下部開有貫通的長槽，因此當(dāng)喂料斗運(yùn)動到位，帶動甜菜向鋸片方向運(yùn)動時，喂料斗底部不會與支承桿上部刀片狀的尖頭碰撞干涉。另外，在喂料機(jī)構(gòu)支座上設(shè)有適當(dāng)彈力的彈性擋推片，當(dāng)喂料斗帶動甜菜運(yùn)動到彈性擋推片處，該擋推片將向喂料斗運(yùn)動反方向推送甜菜，使甜菜完全進(jìn)入喂料斗，為鋸糊工序做好準(zhǔn)備。

經(jīng)過以上幾個步驟找到了問題解決方案，可以直接進(jìn)入ARIZ步驟七。步驟七：分析解決物理矛盾的方法，主要目的是審核擬解決問題的實(shí)施方案質(zhì)量。審核解決方案：解決技術(shù)問題時，沒有產(chǎn)生附加的問題。解決方案的初步評估：獲得的方案能保證實(shí)現(xiàn)理想化的最終結(jié)果IFR-1的主要要求。方案消除了宏觀物理矛盾，在問題實(shí)際條件中能解決人工向喂料斗內(nèi)裝填甜菜操作復(fù)雜、安全性差的問題。經(jīng)過專利搜索審查解決方案的新穎性，未見到有關(guān)專利涉及的內(nèi)容。預(yù)估應(yīng)用方案時所產(chǎn)生的子問題：采用已獲得的方案，尚未發(fā)現(xiàn)會帶來附加子問題。

3 物—場模型分析方法在集糊器研究設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

集糊器用于收集甜菜制糊鋸片高速旋轉(zhuǎn)時鋸下的甜菜糊，它由托板和托盤組成。托板固定在機(jī)架上，托盤由托板支承。由于工作中托盤需在托板上頻繁地取下和放上，所以將托板和托盤固定在一起會給拿取操作帶來不便，還會降低作業(yè)效率。但如果不固定，制糊機(jī)工作時機(jī)架的振動會使托盤從托板上脫落，造成甜菜糊損失，影響檢測的準(zhǔn)確性。

使用物—場模型分析和解決問題，有助于使問題聚焦。根據(jù)物—場模型理論，物質(zhì)可以是工件或工具，而場是能量形式，是不同物質(zhì)之間的相互作用或影響[6]。針對上述集糊器研究設(shè)計(jì)中托盤脫落問題進(jìn)行物—場分析，可以找到技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)方案。具體分析過程如下：確定相關(guān)的元素：工件(S1)—托盤，工具(S2)—托板，場(F1)—機(jī)械場。構(gòu)建物—場模型：本問題為效應(yīng)不足的完整形式的模型。對應(yīng)的初始模型如4圖所示。

圖4 物—場初始模型圖

選擇一般解：效應(yīng)不足的完整模型為第三類模型，有三個一般解法：4，5，6[7]。本問題選擇的一般解法是5，即另外增加一個場F2來強(qiáng)化有用的效應(yīng)。如圖5所示。

圖5 物—場模型圖

發(fā)展概念：增加另外一個磁場F2來強(qiáng)化有用的效應(yīng)。由于托盤和托板均為鋼板材料制成(外表面分別為搪瓷涂層和噴塑處理)，在托板底部固定適當(dāng)磁力的永磁鐵，即可增加一個磁場，使托盤和托板之間產(chǎn)生適當(dāng)強(qiáng)度的吸引力。這樣一來，既可保持托盤工作時不會由于設(shè)備振動從托板上脫落，又能方便地將托盤從托板上取下，增加的磁場F2起到了強(qiáng)化有用的效應(yīng)。方案結(jié)果如圖6所示。

圖6 增加磁場使托盤和托板間產(chǎn)生吸引力方案示意圖

4 發(fā)明原理在擋料防護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

糖料甜菜試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，甜菜制糊應(yīng)滿足鋸片轉(zhuǎn)速2 900 r/min和鋸片直徑 250 mm的要求。高速旋轉(zhuǎn)的鋸片鋸割甜菜時，鋸下的甜菜糊會沿鋸片旋轉(zhuǎn)的切線方向飛出，大部分落入集糊器托盤之內(nèi)，但也不可避免地有一部分飛濺到托盤之外的電動機(jī)、輸送機(jī)構(gòu)、機(jī)架等處。這些飛濺出來的甜菜糊會對設(shè)備造成污染。由于甜菜糊黏度大，因而設(shè)備使用后的清理十分不便。

發(fā)明原理“預(yù)先作用原理”的含義是：事先對物體(全部或其部分)施加必要的改變。在最方便的位置預(yù)先放置物體，使其在第一時間起作用?！胺指钤怼钡暮x是：將一個物體分割成相互之間獨(dú)立的若干部分，使一個物體分成易于組合及拆分的部分[8]。根據(jù)以上兩個發(fā)明原理的提示，特殊設(shè)計(jì)了可拆卸的擋料防護(hù)板，并將其安裝在適當(dāng)?shù)奈恢靡哉趽跆鸩撕螂妱訖C(jī)、輸送機(jī)構(gòu)、機(jī)架等處飛濺。該防護(hù)板由若干部分組合而成，拆卸及安裝方便，便于清理洗刷?？刹鹦兜膿趿戏雷o(hù)板的效果如圖7所示。

圖7 可拆卸的擋料防護(hù)板遮擋甜菜糊飛濺效果圖

5 結(jié)論

上述甜菜制糊技術(shù)的研究成果已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，顯著提高了甜菜品質(zhì)檢測工作效率和準(zhǔn)確性。使用該喂料機(jī)構(gòu)，操作人員只需手持甜菜將其最底部插在支承桿上的尖頭內(nèi)，大小(重量)不同的甜菜均可自行調(diào)節(jié)中心高度并完全進(jìn)入喂料斗，操作簡單、安全可靠。集糊器托板底部固定適當(dāng)磁力的永磁鐵，使托盤和托板之間產(chǎn)生吸引力，保證了托盤工作時不會因設(shè)備振動從托板上脫落帶來的甜菜糊損失，提高了檢測的準(zhǔn)確性。特殊設(shè)計(jì)的可拆卸組合式擋料防護(hù)板遮擋了甜菜糊的飛濺，拆卸、安裝、清理洗刷的便利性得到了提高。制糊技術(shù)研究成果及在制糊機(jī)中的應(yīng)用如圖8所示。

圖8 甜菜制糊技術(shù)研究成果在制糊機(jī)中的應(yīng)用

運(yùn)用TRIZ理論的ARIZ算法解決了人工向喂料斗內(nèi)裝填甜菜時操作復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大、安全性差的問題。采用物—場分析方法解決了集糊器托盤脫落的問題。依據(jù)預(yù)先作用原理和分割原理，設(shè)計(jì)了可拆卸組合式擋料防護(hù)板，解決了甜菜糊飛濺的問題，且拆卸及安裝方便，便于洗刷清理。TRIZ理論的應(yīng)用快速準(zhǔn)確地確定了問題的研究方向，加速了解決這些技術(shù)問題的效率，提出的技術(shù)方案已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，證明了其合理性和有效性。