基于TRIZ理論的禽肉定量包裝裝置創(chuàng)新設(shè)計

陸尚平，劉存香，陸美文，龐曉勤

廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南寧 530023）

禽肉休閑食品越來越受到人們的喜愛，對禽肉進(jìn)行袋裝包裝是禽肉包裝食品生產(chǎn)過程中的一道重要工序，也就是將炒制過的禽肉按一定的質(zhì)量規(guī)格進(jìn)行稱重裝袋以便于貯藏、運輸和方便食用。禽肉包裝的主體功能是禽肉分離、稱重和入袋。國內(nèi)中小禽肉袋裝食品包裝企業(yè)在定量稱重這一環(huán)節(jié)還是以人工稱重為主，勞動強度大，工作繁瑣，人為誤差波動性大[1]。食品包裝有嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，如國內(nèi)沃爾瑪?shù)雀鞔蟪袑Υb食品的質(zhì)量控制要求其標(biāo)稱質(zhì)量值誤差在3%以內(nèi)。以廣西南寧道資餐飲管理有限公司生產(chǎn)的280 g袋裝檸檬鴨為例，其誤差不超過8.4 g，而所生產(chǎn)單塊鴨肉質(zhì)量為12～15 g，對自動化定量稱重造成極大困難，國內(nèi)外學(xué)者在禽肉自動化定量稱重領(lǐng)域鮮有研究。為解決禽肉其塊狀、流動性差、軟硬共體和單體重量差異大造成的定量包裝難題，以TRIZ這一創(chuàng)新發(fā)明利器為指導(dǎo)，對現(xiàn)有通用定量稱進(jìn)行功能分析，并利用TRIZ理論的物場分析等工具對定量包裝秤進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計；探索禽肉分離、稱重和移動的新方案，解決禽肉定量包裝的分割移動和稱重入袋難題。

1 TRIZ理論及物場分析

TRIZ理論（theory of inventive problem solving,TIPS）是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒（Altschullcr U.S.）于1956年開始帶領(lǐng)他的團(tuán)隊經(jīng)過對世界各國約20萬份優(yōu)質(zhì)專利文獻(xiàn)的分析、比較、歸納和研究，提出的一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論和方法；主要包括技術(shù)矛盾和物理矛盾、八大進(jìn)化趨勢、39個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、76個標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)知識庫。TRIZ理論適用于設(shè)計人員掌握發(fā)明創(chuàng)造的規(guī)律，提高創(chuàng)新設(shè)計能力。TRIZ理論在現(xiàn)代制造業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，越來越受到企業(yè)和科技人員重視。物場分析是TRIZ理論體系的組成之一，而產(chǎn)品是功能的一種實現(xiàn)，Altshuller G.S.認(rèn)為所有功能都可以看作是有2個物質(zhì)和一個場組成[2]。TRIZ中，采用兩種物質(zhì)和一種場的方式來表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)中相互作用和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的符號模型稱為物質(zhì)-場模型（Su-Field Models），簡稱物場模型，如圖1（a）所示，其中S2表示工具，S1表示作用對象，F(xiàn)表示場[3-4]。圖1（b）是物場分析的4種類型，它是選用標(biāo)準(zhǔn)解解決工程實際問題的依據(jù)。

圖1 TRIZ的物場模型及類型

2 禽肉定量包裝裝置

2.1 禽肉包裝問題

當(dāng)前市場對禽肉制品的需求主要集中在醬香類、鹽水類、風(fēng)干類、特禽類及旅游休閑5類產(chǎn)品。以醬香類為例，其工藝為：原料→解凍→整理→鹵腌→刷糖→油炸→鹵煮→涼冷→稱重、內(nèi)包裝→低溫殺菌→外包裝→冷藏[5]。其他類產(chǎn)品與之類似，均有“稱重、內(nèi)包裝”這一環(huán)節(jié)。禽肉稱重包裝過程中，需要進(jìn)行傳送和稱重2個主要功能環(huán)節(jié)；圖2為廣西某公司生產(chǎn)袋裝檸檬鴨及包裝，由于禽肉的塊狀、黏性和骨肉連體特性，其流動性差，對傳送功能提出更高要求；另外，由于禽肉的塊狀特性，各塊質(zhì)量差異大，加上輔助調(diào)料品的質(zhì)量差異，給定量稱重精度控制帶來極大挑戰(zhàn)。

圖2 檸檬鴨和包裝

2.2 傳統(tǒng)定量包裝稱分析

定量包裝是指以銷售為目的，在一定量限范圍內(nèi)，具有統(tǒng)一的質(zhì)量、體積、長度的預(yù)包裝。以質(zhì)量為度量標(biāo)準(zhǔn)的定質(zhì)量包裝即定量包裝稱被廣泛運用；市場上稱重秤各式各樣的，但是一般都包含送料機構(gòu)、稱重機構(gòu)、夾袋裝置、機架以及輔助機構(gòu)，定量包裝稱是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的量值，通過自動稱量，把散裝物料等量分裝的稱重裝置[6-7]。對于中小企業(yè)而言，小量程定量包裝稱成為主流，它由機械稱體和電子稱量控制系統(tǒng)兩部分組成。圖3是一種定量包裝稱的整體結(jié)構(gòu)，包括料倉、皮帶裝置、緩沖料斗、稱重傳感器、夾臂、光電開關(guān)、包裝袋，以及控制部分的氣缸、電磁閥、氣壓站、變頻器和電機等[8-9]。其工作原理為物料利用重力從料倉中下落，通過由電機帶動的皮帶傳送裝置將物料往前推送，物料在皮帶輸出端下落，為減少物料沖量對稱重的影響，下方設(shè)置緩沖漏斗；稱重傳感器將物料質(zhì)量經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的電信號傳送到稱重控制器，控制器根據(jù)設(shè)定質(zhì)量數(shù)值與實際值的比較來控制電機進(jìn)而控制皮帶傳送，同時控制器對氣缸的伸縮控制實現(xiàn)夾臂的控制。

圖3 定量包裝稱整體結(jié)構(gòu)圖

3 基于TRIZ理論的禽肉定量包裝裝置設(shè)計

定量包裝稱的主體功能為物料傳送和稱重。利用TRIZ理論的功能分析與功能建模方法，對傳統(tǒng)粉狀與顆粒狀典型定量包裝稱進(jìn)行組件分析、相互作用分析，建立的定量包裝稱功能模型如圖4所示。定量包裝稱的料倉功能是容納物料，并利用重力場實現(xiàn)物料的分離。對于禽肉的定量包裝，采用如圖3所示設(shè)備，其目標(biāo)對象為禽肉，將功能模型分析圖中物料改為具體的禽肉，而禽肉的物理特性為骨肉共體、黏連和塊狀，傳統(tǒng)定量包裝稱依靠單一重力場難以將禽肉分離；其物場模型體現(xiàn)為料倉的分離功能不足，由物場模型建立的定量包裝功能模型如圖5所示，由TRIZ物場分析的功能不足特性及標(biāo)準(zhǔn)解解決思路為禽肉定量包裝裝置設(shè)計提供思路。

圖4 定量包裝稱功能分析模型

圖5 禽肉定量包裝功能分析與物場分析圖

3.1 方案1：復(fù)雜物場模型轉(zhuǎn)化法

根據(jù)如圖5所示禽肉定量包裝的物場分析模型，針對料倉依靠重力分離禽肉作用不足的情形，可將問題轉(zhuǎn)化成復(fù)雜的物場模型，即建立鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ突螂p物場模型。由前期分析可知，由于重力場F1不足，在不增加新的系統(tǒng)元件和物質(zhì)（禽肉產(chǎn)品外的其他物質(zhì)）情況下采用雙物場，即通過引入第2個場F2增強F1的作用，禽肉分離的鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ秃碗p物場模型如圖6（a）（b）所示，擬采用增加隔離板的上下振動來增強重力場F1的作用，加入機械場F2構(gòu)建成重力場、機械振動場的雙物場模型；由以上設(shè)計思想設(shè)計的禽肉分離設(shè)計方案如圖6（c）所示。方案1在一定程度上增強禽肉的分離能力。

圖6 復(fù)雜物場模型解決方案

3.2 方案2：基于TRIZ裁剪規(guī)則的創(chuàng)新設(shè)計

裁剪是TRIZ對系統(tǒng)分析的一個有力工具，是通過刪除系統(tǒng)的某些組件，但同時保留這些組件的有用功能，實現(xiàn)降低成本和提高系統(tǒng)的理想度。裁剪規(guī)則有A、B、C三種，其剪裁規(guī)則C描述為技術(shù)系統(tǒng)或超系統(tǒng)中其他組件可以執(zhí)行功能載體A的功能，則可以裁剪功能載體A[3]?；谝?guī)則C與圖3的功能分析模型，若禽肉定量包裝稱的料斗可以執(zhí)行傳送帶對禽肉的移動功能和控制功能，則傳動帶可以移除；依據(jù)此思想，因料倉本身的重力可以移動物料，若將系統(tǒng)組件料倉的容納與分離功能轉(zhuǎn)移到傳送帶組件上，可形成新的創(chuàng)新設(shè)計方案。對傳送帶進(jìn)行物場分析，如圖7（a）所示，由于傳送帶S2對禽肉S1的分離功能不足，可采用鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ偷姆椒尤肓硗庖粋€超系統(tǒng)組件，即加入一種物質(zhì)釘子S3，形成帶釘子的傳送帶促進(jìn)分離。帶釘子的傳送帶能提升系統(tǒng)對禽肉的分離和傳送功能，但由于傳送帶上的禽肉整體單方向移動，未能滿足禽肉包裝質(zhì)量精度的要求，采用76標(biāo)準(zhǔn)解的第3類解即向超系統(tǒng)或微觀級轉(zhuǎn)化的方法，將帶釘子的傳送帶劃分為并行的J、K、L三組帶，中間K組的帶釘帶寬設(shè)置為3 cm以限制控制單塊禽肉通過，設(shè)計方案如圖7（b）所示；其工作原理為：將系統(tǒng)稱重過程分為粗稱和精稱兩階段，開始稱重的粗稱重階段，后階段為精稱重。開始稱重時J、K、L三組帶釘皮帶同時運行，稱重傳感器反饋禽肉質(zhì)量偏差達(dá)設(shè)定值時，停止J、L組，保留K組皮帶轉(zhuǎn)動并落下單塊禽肉，實現(xiàn)精度稱重。

圖7 基于TRIZ裁剪規(guī)則解決方案

3.3 方案3：基于檢測和測量標(biāo)準(zhǔn)解的創(chuàng)新設(shè)計

禽肉定量稱重裝置的另外一個核心功能是稱重，屬于物場分析與76個標(biāo)準(zhǔn)解第四類即檢測與測量標(biāo)準(zhǔn)解的范疇。如圖3與圖4所示，傳統(tǒng)經(jīng)典定量包裝秤通過測量分離出物料的質(zhì)量信息來測量，屬于增量式的測量方式；由于物料運動，物料下落的沖量給稱量精度帶來強大干擾，正如圖3裝置中增加緩沖料斗以折中解決，對于塊狀禽肉稱重來說效果甚微。標(biāo)準(zhǔn)解對于不易測量的系統(tǒng)可采用間接方法即通過改進(jìn)系統(tǒng)以系統(tǒng)的變化來代替探測或者測量。將系統(tǒng)對圖2包裝袋及物料的質(zhì)量測量，改變?yōu)橄到y(tǒng)對料斗與物料質(zhì)量的測量如圖8（a）物場模型所示；分離物料的質(zhì)量Gi由式（1）獲得。

式中：G0為初始料斗及物料質(zhì)量；Gi為第i袋物料質(zhì)量。

新的系統(tǒng)設(shè)計是將信號傳感器安裝于料斗下方，同時為保證物料從料斗到包裝袋移動過程中的物料流失，要求從料頭所流出物料要全部放置于包裝袋中，可采取以下方法：在料斗出倉口下方放置包裝袋，去除傳送帶，形成創(chuàng)新設(shè)計方案，如圖8（b）所示，即料頭實現(xiàn)物料分離、傳送和稱重的集合功能。為增強料斗的分離能力，綜合考慮粗稱重與精稱重的要求，在料斗底部設(shè)計一個螺旋推進(jìn)分離器，設(shè)計僅可以容下一塊禽肉螺距4 cm的螺旋桿。在粗稱重階段，倉門全部打開，在精稱重階段，倉門開度為1個螺距。

圖8 基于檢測和測量標(biāo)準(zhǔn)解的設(shè)計方案

3.4 方案評價

由TRIZ理論設(shè)計開發(fā)出的3種禽肉定量包裝裝置各有其優(yōu)缺點，為進(jìn)一步對創(chuàng)新方案進(jìn)行有效評估，采用結(jié)果清晰且可對比性強的模糊綜合評判（FCE）法進(jìn)行方案評價[10]。其思路為確定隸屬度函數(shù)，通過專家組評議求得權(quán)重向量，建立創(chuàng)新設(shè)計方案的模糊綜合評判。評價因子確定采用專家投票方式[11]。

式中：u1為可靠性；u2為適應(yīng)條件；u3為測量精度；u4為經(jīng)濟(jì)性；u5為工作效率。

3種設(shè)計方案對應(yīng)方案集：V={V1,V2,V3}；由專家用評分辦法確定的權(quán)重集合A=（0.18，0.17，0.22，0.25，0.18），綜合評判采用B=U·A，方案評價結(jié)果如表1所示。

根據(jù)最大隸屬原則并計算B。由表1數(shù)據(jù)評價結(jié)果B可知b3＞b2＞b1，3種方案以方案3為最優(yōu)方案。

表1 創(chuàng)新設(shè)計方案模糊綜合評判表

4 結(jié)論

禽肉定量包裝是當(dāng)前禽肉生產(chǎn)中小企業(yè)急需解決的問題，而市場上尚無適合中小企業(yè)需要的相關(guān)產(chǎn)品，相關(guān)研究也鮮有報道。以傳統(tǒng)定量包裝秤為原型，通過TRIZ理論的功能分析、物場分析和標(biāo)準(zhǔn)解等工具對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)，并對創(chuàng)新方案進(jìn)行綜合評價，創(chuàng)新實踐表明，所述方法和方案為禽肉定量包裝設(shè)備的設(shè)計與制造提供參考依據(jù)和方向指導(dǎo)，提高產(chǎn)品開發(fā)的效益。