付 敏,井永晉,李榮峰,李 萌
(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)
農(nóng)作物秸稈由皮、穰和葉構(gòu)成。秸稈皮的主要成份是纖維素和木質(zhì)素,可作為造紙、人造板的原材料,秸稈穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、糖和半纖維素等,生物降解性能優(yōu)良,可作為飼料原料,還可用于生產(chǎn)生物乙醇、沼氣等生物質(zhì)能源。秸稈皮、穰、葉分離后能夠各施其長,實現(xiàn)高價值精細(xì)化利用[1],[2]。
我國科研人員對秸稈皮穰分離開展了相關(guān)研究。張洪建[3]設(shè)計的玉米秸稈皮、穰、葉分離機(jī)采用除葉齒板對秸稈葉進(jìn)行打擊、梳刷、搓擦,除葉后的莖稈被剖切,再由分展器展開進(jìn)行剝穰處理。任德志[4],[5]研制的玉米秸稈皮穰分離機(jī)采用除葉機(jī)除葉,通過碾壓秸稈彈塑變形后由輥齒揭開秸稈外皮,再經(jīng)剪切機(jī)構(gòu)切段后由分離機(jī)實現(xiàn)皮穰分離。李平凡[6]通過搓擦去除秸稈葉,通過劈展刮削的方式去除秸稈穰。劉一清[7]采用持續(xù)碾壓和揉搓方式將秸稈葉和穰碾碎去除,保留秸稈皮。周景輝[8]通過送料-劈開-展平-分刀軸出穰等工序完成秸稈去皮。李利橋[9]采用剖穰和碾壓后風(fēng)選的方式實現(xiàn)了秸稈皮穰分離。
目前,秸稈高品質(zhì)精細(xì)化利用的市場需求已經(jīng)顯現(xiàn),但現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力、分離效率和性能水平還有待提高,亟需開展相關(guān)設(shè)備的設(shè)計研究。本文以提高秸稈皮穰分離效率、實現(xiàn)皮、穰、葉的分類收集且不破壞秸稈強(qiáng)度為目標(biāo),基于發(fā)明問題解決理論(TRIZ)進(jìn)行秸稈皮穰分離機(jī)設(shè)計,提出了去除秸稈葉-切開秸稈皮-刮除秸稈穰-分類收集的作業(yè)方式,并應(yīng)用TRIZ工具分別對喂入機(jī)構(gòu)、除葉機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、去穰機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。
TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(G S Altshuller)建立的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法[10]。TRIZ包含了一整套用于分析問題、解決問題的工具,可以幫助研發(fā)人員突破思維定勢,從不同維度觸發(fā)靈感,超越自我認(rèn)知和物理界限,在更廣闊的領(lǐng)域?qū)ふ医鉀Q方案。應(yīng)用TRIZ可以克服傳統(tǒng)經(jīng)驗、類比設(shè)計的局限,通過系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、簡單化的TRIZ工具輔助設(shè)計,獲得高質(zhì)量、多層次的創(chuàng)新方案集;TRIZ是創(chuàng)新指南針,沿著TRIZ指引的路徑,可以大大縮短研發(fā)周期,減少無效勞動和資源消耗 [11]。
TRIZ的理論體系可分為5大模塊(圖1):突破慣性思維的方法、分析問題的工具體系、解決問題的工具體系、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則以及發(fā)明問題解決算法ARIZ[12]。
總功能:分離秸稈皮和秸稈穰。
圖1 TRIZ的理論體系Fig.1 Theoretical system of TRIZ
子功能:輸送秸稈、去除秸稈葉、定位無葉秸稈、切割無葉秸稈、夾持無葉秸稈、刮除秸稈穰、分離收集皮、穰、葉。
秸稈皮穰分離機(jī)須要實現(xiàn)秸稈皮、穰、葉的分離和分類收集的功能。將秸稈喂入裝置后先將秸稈葉去除,之后剖切秸稈皮、刮除秸稈穰并分類收集;為實現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè),還須要定位和夾持秸稈功能。
基于功能需求分析確定秸稈皮穰分離作業(yè)的工藝流程如圖2所示。
圖2 秸稈皮穰分離工藝流程Fig.2 Process for stalk bark-flesh separation
將原料秸稈喂入裝置后,先去除秸稈外葉,之后對無葉秸稈進(jìn)行定位、切割,再通過夾持機(jī)構(gòu)移動秸稈至去穰機(jī)構(gòu)實現(xiàn)秸稈皮、穰分離,最后對分離的秸稈皮、穰、葉分類收集。
本文將應(yīng)用TRIZ工具針對工藝流程中涉及的喂入機(jī)構(gòu)、除葉機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、去穰機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。
經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研,選擇專利“玉米秸稈皮穰葉分離裝置”[13]為參考原型系統(tǒng)(圖3),其工作原理:喂入臺將秸稈喂入碾壓喂入輥進(jìn)行碾壓,在擋料板的引導(dǎo)作用下進(jìn)入除葉盤進(jìn)行除葉,無葉秸稈再經(jīng)碾壓夾持輥進(jìn)一步碾壓,使秸稈皮與秸稈穰的結(jié)合狀態(tài)遭到破壞,劃皮輥將發(fā)生變形的秸稈劃成條狀,再由切割輥將條狀秸稈進(jìn)行剪切,最后使用風(fēng)機(jī)將混合物進(jìn)行分離。但是,碾壓作業(yè)會降低秸稈皮的強(qiáng)度,不利于后續(xù)利用,而且秸稈皮穰未分類收集,須增加分離工序。
圖3 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the prototype system
喂入機(jī)構(gòu)的作用是將秸稈原料有序送入裝置內(nèi),以便后續(xù)作業(yè)。
3.2.1 應(yīng)用TRIZ的IFR分析求解
最終理想解IFR(Ideal Final Result)是TRIZ中通過突破思維慣性進(jìn)而解決問題的工具,本文中IFR的解題流程如下所示。
①設(shè)計的最終目標(biāo)是什么?秸稈全部輸送至除葉裝置內(nèi)。
②IFR是什么?秸稈自己移動到除葉裝置內(nèi)。
③達(dá)到IFR的障礙是什么?秸稈自身不具備移動能力。
④出現(xiàn)這種障礙的原因是什么?秸稈自重輕,缺乏移動力。
⑤不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么?秸稈自身具有向前移動的初速度。
⑥創(chuàng)造這些條件,有哪些可利用的資源?可用資源分析見表1。
表1 資源分析表Table 1 Resource analysis list
由子系統(tǒng)物質(zhì)資源“喂入輥”提出概念解1:在喂入輥上設(shè)計螺旋凸起,可以對秸稈起到一定的導(dǎo)向作用,還可以增大秸稈與喂入輥之間的摩擦力,防止秸稈打滑。
由子系統(tǒng)的空間資源“入料口大小”提出概念解2:在喂入臺設(shè)置推動架,當(dāng)遇到較大尺寸秸稈時,可以通過推動架將秸稈推入機(jī)器內(nèi)。
由子系統(tǒng)的物質(zhì)資源“喂入通道”提出概念解3:采用8條喂入通道的方式進(jìn)行秸稈的喂入,通過提高喂入秸稈數(shù)量來提高裝置的工作效率。
3.2.2 喂入機(jī)構(gòu)組成及工作原理
圖4為喂入機(jī)構(gòu)示意圖。從圖4可以看出,喂入機(jī)構(gòu)由喂入臺1、電機(jī)2、聯(lián)軸器3、推動架4、喂入通道5和喂入輥6等組成,喂入輥位于八條喂入通道的下方。將秸稈原料放置在喂入平臺上,由旋轉(zhuǎn)的喂入輥帶動秸稈沿著喂入通道進(jìn)入裝置內(nèi)。當(dāng)秸稈截面較大時,通過機(jī)架側(cè)面的推動架將大截面秸稈推入機(jī)器內(nèi)。
圖4 喂入機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of feedingmechanism
除葉機(jī)構(gòu)的作用是去除秸稈葉子,以利于秸稈皮、穰、葉的分類收集。原型系統(tǒng)的除葉機(jī)構(gòu)采用傳動軸帶動除葉盤等速同向旋轉(zhuǎn),通過摩擦秸稈葉達(dá)到去除外葉的目的,但存在莖、葉分離不夠徹底、分離效率低的問題。
3.3.1 應(yīng)用TRIZ的功能分析與物場模型求解
①技術(shù)系統(tǒng)名稱:除葉機(jī)構(gòu)。
②主要功能:去除秸稈葉。
③功能客體(系統(tǒng)作用對象):秸稈葉。
④系統(tǒng)組件:除葉盤、機(jī)架、傳動軸、電機(jī);超系統(tǒng)組件:秸稈。
⑤建立功能模型(圖5)。
圖5 除葉盤功能模型圖Fig.5 Function Model of the leaf removal disc
⑥構(gòu)建問題物場模型。
由圖5構(gòu)建如圖6所示的問題物場模型,即除葉盤對秸稈葉的摩擦去除作用不足。
圖6 除葉盤問題物場模型圖Fig.6 Substance-field model of the leaf removal disc problem
⑦求解物場模型。
由TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.1 -用更可控的物場來增強(qiáng)問題物場模型中的有益摩擦作用,得到如圖7(a)所示的求解模型,提出概念解4:通過上、下兩個反向電機(jī)改變除葉盤的轉(zhuǎn)動方向以實現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn),形成線速差提高除葉效率。由TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1-鏈?zhǔn)轿飯瞿P驮鰪?qiáng)有益摩擦作用,得到如圖7(b)所示的求解模型,提出概念解5:通過在除葉盤上安裝摩擦塊,可增強(qiáng)對秸稈的摩擦力。
圖7 除葉盤物場模型求解圖Fig.7 Substance-fieldmodelof the leaf removal disc solving
3.3.2 除葉機(jī)構(gòu)組成及工作原理
除葉機(jī)構(gòu)如圖8所示。從圖8可以看出,除葉機(jī)構(gòu)由除葉盤1、摩擦塊2、上除葉盤電機(jī)3、萬向聯(lián)軸器4、上傳動軸5、下傳動軸6和下傳動電機(jī)7等組成。每組除葉組件包括兩個上、下布置的除葉盤,除葉盤上通過螺釘連接有6個摩擦塊,便于拆卸和更換。上傳動電機(jī)通過萬向聯(lián)軸器帶動上傳動軸順時針旋轉(zhuǎn),下傳動電機(jī)帶動下傳動軸逆時針旋轉(zhuǎn),從而使得上、下除葉盤等速反向旋轉(zhuǎn)。秸稈由喂入輥帶動并通過喂入通道進(jìn)入除葉盤內(nèi),在摩擦力作用下將秸稈葉撕扯剝離。
圖8 除葉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the leaf removingmechanism
定位機(jī)構(gòu)的作用是固定秸稈的位置,以便后續(xù)精準(zhǔn)地切割秸稈。原型系統(tǒng)采用導(dǎo)向板實現(xiàn)秸稈定位,定位精準(zhǔn)度有待提高。
3.4.1 應(yīng)用TRIZ的物場分析求解
問題物場模型見圖9(a),即導(dǎo)向板對秸稈的引導(dǎo)作用不足。應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1-鏈?zhǔn)轿飯瞿P蛠碓鰪?qiáng)對無葉秸稈的引導(dǎo)作用,解決方案模型見圖9(b),由此提出概念解6:由托輥與開有V型槽的定位輥配合實現(xiàn)對無葉秸稈的定位。
圖9 定位機(jī)構(gòu)的物場模型Fig.9 Substance-fieldmodelof the positioningmechanism
3.4.2 定位機(jī)構(gòu)組成及工作原理
圖10為定位機(jī)構(gòu)的示意圖。從圖10可以看出,定位機(jī)構(gòu)由定位輥1、定位盤2和定位托輥3組成。定位輥上有8個V型槽結(jié)構(gòu)的定位盤,定位盤與下方托輥形成的封閉空間可容納一根秸稈,對每根秸稈起定位和支撐作用;定位托輥上設(shè)置有橫向槽,以增大摩擦力,更有利于秸稈的輸送。在托輥轉(zhuǎn)動作用下將無葉秸稈送入后續(xù)的切割機(jī)構(gòu)中。
圖10 定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of positioningmechanism
切割機(jī)構(gòu)的作用是沿著秸稈軸長方向?qū)⒔斩捚是虚_,以便于后續(xù)的刮除秸稈穰作業(yè)。
3.5.1 應(yīng)用TRIZ發(fā)明原理求解
基于NO.5組合原理提出概念解7:將圓周回轉(zhuǎn)式刀片通過螺釘連接安裝在刀座上,切割輥不僅能提供旋轉(zhuǎn)的切力也能夠增大縱向壓力增強(qiáng)切割效果。
3.5.2 切割機(jī)構(gòu)組成及工作原理
圖11為切割機(jī)構(gòu)的示意圖。從圖11可以看出,切割機(jī)構(gòu)由切割托輥1、切割輥2、切割盤3、圓周回轉(zhuǎn)式刀片4和連接螺釘5等組成。無葉秸稈進(jìn)入定位機(jī)構(gòu)后,由切割輥帶動8組切刀將秸稈沿著軸長方向剖切為兩半。
圖11 切割機(jī)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of cuttingmechanism
夾持機(jī)構(gòu)的作用是夾持、移動秸稈。原型系統(tǒng)通過碾壓夾持輥在秸稈兩側(cè)產(chǎn)生的擠壓力來實現(xiàn)對秸稈的夾持,但存在秸稈莖的強(qiáng)度遭到破壞的問題。
3.6.1 應(yīng)用TRIZ的功能分析
圖12為原型系統(tǒng)夾持機(jī)構(gòu)的功能模型。原型系統(tǒng)夾持機(jī)構(gòu)存在的主要功能缺陷是:碾壓夾持輥夾持力不足;秸稈對碾壓夾持輥的有害磨損作用;碾壓夾持輥對機(jī)架的有害振動作用。
圖12 碾壓夾持輥功能模型Fig.12 Functionmodel of the rolling nip roller
3.6.2 應(yīng)用TRIZ功能裁剪求解
選擇裁剪組件:碾壓夾持輥。
裁剪依據(jù):碾壓夾持輥對機(jī)架存在有害的振動作用。
分析其有用功能:夾持無葉秸稈。
應(yīng)用裁剪規(guī)則四“裁剪組件的有用功能由系統(tǒng)外的組件替代完成”[14],提出概念解8:采用機(jī)械手對無葉秸稈進(jìn)行夾持,避免因秸稈直徑尺寸不同而產(chǎn)生的夾持不牢固問題,提高了夾持裝置的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,同時爪壁采用橡膠材料,提高了接觸面的摩擦系數(shù)。
3.6.3 應(yīng)用TRIZ進(jìn)化法則求解
TRIZ動態(tài)性進(jìn)化法則指出,技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化應(yīng)該沿著結(jié)構(gòu)柔性、可移動性和可控性增加的方向發(fā)展,以適應(yīng)環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化[10]。
為提高夾持機(jī)構(gòu)的可控性,提出概念解9:通過安裝紅外感應(yīng)器,利用光線折射原理實現(xiàn)對秸稈的抓取、移動等動作的自動控制。
為提高夾持機(jī)構(gòu)的可移動性,提出概念解10:通過電機(jī)帶動齒輪和齒條來實現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的前、后直線運動,再通過連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)械手的上、下運動。
3.6.4 夾持機(jī)構(gòu)組成及工作原理
圖13為夾持機(jī)構(gòu)的示意圖。從圖13可以看出,8個夾持裝置沿機(jī)架的寬度方向并列設(shè)置,各夾持裝置中心線與定位機(jī)構(gòu)輥槽中心線、切割機(jī)構(gòu)輥槽中心線保持一致,以保證秸稈沿機(jī)架長度方向的位置不發(fā)生偏移。紅外感應(yīng)器檢測到秸稈從切割機(jī)構(gòu)中移動出來,發(fā)出指令控制機(jī)械手向下伸長抓取夾持秸稈,繼而在齒輪和齒條的帶動下向前運動,與后續(xù)去穰工序相配合去除秸稈穰。
圖13 夾持機(jī)構(gòu)示意圖Fig.13 Schematic diagram of clampingmechanism
去穰機(jī)構(gòu)的作用是去除秸稈穰,進(jìn)而實現(xiàn)秸稈皮穰分離。原型系統(tǒng)中無單獨的秸稈去穰機(jī)構(gòu),本文應(yīng)用TRIZ的功能導(dǎo)向搜索求解可行的工作原理。
3.7.1 應(yīng)用功能導(dǎo)向搜索求解
功能導(dǎo)向搜索(Function-Oriented Search,F(xiàn)OS)的主要思想是以技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能為目標(biāo),借鑒其它領(lǐng)域功能類似系統(tǒng)的解決方案來解決問題[15]。
①定義關(guān)鍵問題:須要將秸稈皮穰進(jìn)行分離,但沒有適合的工具來提高分離效率。
②闡述改善功能:提高秸稈皮穰分離效率。
③確定所需參數(shù):秸稈處理量為2 t/h,秸稈皮穰分離率大于95%。
④泛化功能:分離秸稈皮和穰。
⑤尋找領(lǐng)先領(lǐng)域:西瓜、火龍果等水果在挖取果實時需執(zhí)行類似功能,在該領(lǐng)域?qū)εc皮分離是一個核心問題。
⑥篩選合適技術(shù):最常用的方法是通過勺狀工具將內(nèi)穰剖出,可利用該方法將秸稈皮穰進(jìn)行分離。
通過FOS提出概念解11:在刮穰輥上設(shè)置8組刮穰刀具,每組沿圓周均布有6對刮穰刀片,刮穰刀片通過螺栓連接在刀座上。每對刀片同時對已被剖切為兩半的秸稈進(jìn)行刮穰作業(yè)。
3.7.2 去穰機(jī)構(gòu)組成及工作原理
圖14為去穰機(jī)構(gòu)的示意圖。當(dāng)秸稈被切割機(jī)構(gòu)剖切后,機(jī)械手將被切成兩半的秸稈送至刮穰機(jī)構(gòu)處,秸稈穰在旋轉(zhuǎn)刀具作用下被刮除,從而實現(xiàn)秸稈皮與秸稈穰的分離。刮穰刀與刮穰輥采用螺栓連接,以便于拆卸和更換。
圖14 去穰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Schematic diagram of the flesh removingmechanism
收集機(jī)構(gòu)的作用是分類收集秸稈皮、穰、葉。
3.8.1 應(yīng)用TRIZ的金魚法求解
TRIZ中金魚法可以將思維慣性帶來的想法重新定位和思考,有助于將幻想式的解決構(gòu)想轉(zhuǎn)變成切實可行的構(gòu)想,本文中金魚法的求解流程如下所示。
①問題現(xiàn)實和幻想是什么?現(xiàn)實是皮穰不易分類收集;幻想是皮穰能夠自己分類收集。
②幻想部分為什么不能實現(xiàn)?皮穰分離后處于混合狀態(tài)。
③幻想部分如何變?yōu)楝F(xiàn)實?皮穰分離后利用重力自動落入相應(yīng)的收集機(jī)構(gòu)內(nèi)。
④有哪些可利用的資源?機(jī)架結(jié)構(gòu)、機(jī)械場和重力場。
由物質(zhì)資源“機(jī)架結(jié)構(gòu)”提出概念解12:通過改變機(jī)架自身結(jié)構(gòu),設(shè)置能夠收集秸稈皮的裝置,節(jié)約成本。
由能量資源“重力場”提出概念解13:讓實現(xiàn)分離后的物料在重力作用下自由落體進(jìn)入收集裝置內(nèi),再通過刀具旋轉(zhuǎn),使物料具有一定初速度從分離機(jī)構(gòu)中拋出至下方傾斜板實現(xiàn)自動收集物料的目的。
3.8.2 收集機(jī)構(gòu)組成及工作原理
收集機(jī)構(gòu)包括皮、穰、葉的收集裝置。秸稈皮落入夾持機(jī)構(gòu)后下方的傾斜收皮臺,秸稈穰在旋轉(zhuǎn)刮刀的作用下拋入傾斜的收穰臺,秸稈葉落入機(jī)架下方后由工人打掃清除,以此實現(xiàn)秸稈皮、穰、葉的分類收集。
綜合各概念解創(chuàng)新設(shè)計的秸稈皮穰分離機(jī)如圖15所示。秸稈通過喂入臺在喂入輥的作用下進(jìn)入除葉機(jī)構(gòu),當(dāng)秸稈截面較大時,可以通過推動架將其推入機(jī)器內(nèi);上、下除葉盤等速反向旋轉(zhuǎn)將葉子撕扯剝離;除葉后的秸稈進(jìn)入定位切割機(jī)構(gòu),沿著秸稈軸長方向剖切為兩半;當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)中的紅外感應(yīng)器檢測到秸稈,發(fā)出指令控制機(jī)械手向下伸長抓取夾持秸稈并向前移動,通過刮穰機(jī)構(gòu)去除秸稈穰并拋入秸稈穰收集臺;當(dāng)秸稈移動至行程終點,機(jī)械手松開秸稈皮將其落入下方的秸稈皮收集臺。
圖15 秸稈皮穰分離機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Three-dimensional structural diagram of the stalk bark-flesh separationmachine
為實現(xiàn)秸稈的高品質(zhì)精細(xì)化利用,本文基于TRIZ理論進(jìn)行秸稈皮穰分離機(jī)的概念設(shè)計,提出了“去除秸稈葉-切開秸稈皮-刮除秸稈穰-分類收集”的加工方式,可在實現(xiàn)秸稈皮穰分離的同時,不破壞秸稈皮的力學(xué)性能;采用單株整稈的皮穰葉分離方式,通過定量分道式喂入,實現(xiàn)精準(zhǔn)除葉、定位、切割、去穰作業(yè);分別設(shè)置有秸稈皮、穰、葉出料處,可實現(xiàn)分類收集。在產(chǎn)品概念設(shè)計階段應(yīng)用TRIZ理論,可以輔助設(shè)計人員尋找新思路、新方法,獲得高質(zhì)量、多層次的創(chuàng)新方案。