基于TRIZ的樹脂混凝土攪拌機(jī)清洗模塊創(chuàng)新設(shè)計(jì)

肖一浩XIAO Yi-hao；王繼榮②WANG Ji-rong；秦江濤QIN Jiang-tao；李軍LI Jun

（①青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071；②青島大學(xué)威海創(chuàng)新研究院，威海 264200）

0 引言

樹脂混凝土作為建筑材料相較于傳統(tǒng)混凝土表面光滑，抗腐蝕性強(qiáng)，對(duì)某些特殊場(chǎng)景有更好的適用性，它是由合成樹脂、砂石、填料組成，攪拌時(shí)加入硬化劑和促進(jìn)劑，然后填充到模具中，振搗或壓制幾分鐘即可脫模，得到樹脂混凝土構(gòu)件，其中的原材料比例為：不飽和聚酯樹脂9%-20%、石英石（粒徑2-5mm）10%-40%、石英石（粒徑5-12mm）10%-40%、石英砂10%-20%、碳酸鈣10%-20%、固化劑8-15%%、色漿?？梢詰?yīng)選用單臥軸混凝土攪拌機(jī)作為樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線的攪拌系統(tǒng)。單臥軸混凝土攪拌機(jī)攪拌質(zhì)量好、卸料速度快、襯板及葉片使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但考慮到要求機(jī)器安全穩(wěn)定性能需要保證，連續(xù)出料，在澆筑口便于操作，投料需便捷，維修保養(yǎng)方便，螺桿清洗需便捷等，單臥軸混凝土攪拌機(jī)缺乏清洗模塊，清洗方式復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、需要人工輔助清洗等缺點(diǎn)不適合樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線的需求[3]，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的清洗方式進(jìn)行改進(jìn)，提高清洗效率，使用全自動(dòng)清洗方式，使其滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求?，F(xiàn)有的改進(jìn)方法有：①通過流體連接器快速地手動(dòng)與要通過流動(dòng)路徑的原料分配閥或與清潔源進(jìn)行流體連接，流體將通過流動(dòng)路徑輸送到攪拌筒內(nèi)部以清潔流動(dòng)路徑和攪拌軸和攪拌鏟片[4-5]；②通過處理器被配置為確定觸發(fā)事件以啟動(dòng)攪拌組件的清潔循環(huán)以去除殘留在攪拌筒中的混凝土，并且響應(yīng)于檢測(cè)到觸發(fā)事件，通過使流體注入筒內(nèi)來執(zhí)行清潔循環(huán)[6]。本文基于TRIZ理論分析研究了攪拌機(jī)的清洗模塊，希望得到更合理的解決方案。

1 樹脂混凝土攪拌機(jī)的攪拌原理與問題分析

單臥軸樹脂混凝土攪拌機(jī)有兩塊螺旋形狀的攪拌葉片左右相反，物料在攪拌葉片的驅(qū)動(dòng)下強(qiáng)迫物料在進(jìn)行擠壓和搓動(dòng)等進(jìn)行非常強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，加劇了攪拌的能力[7-8]。

樹脂混凝土攪拌機(jī)缺乏單獨(dú)的清洗模塊，現(xiàn)有的清洗方式是將水倒入料筒內(nèi)使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)將主軸和攪拌鏟片清洗干凈或者用砂子清洗[9]，對(duì)于樹脂混凝土澆筑自動(dòng)化生產(chǎn)線現(xiàn)有的兩種方法都存在缺陷，第一種用水?dāng)嚢枨逑吹姆绞綄?duì)于高粘稠度和高附著度的樹脂混凝土清洗效果不佳，第二種用水和砂子攪拌清洗的方式效果比單純用水好，但是會(huì)有額外的產(chǎn)物出現(xiàn)，對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線，多出一道清洗副產(chǎn)物處理工序會(huì)額外增加成產(chǎn)成本并且降低生產(chǎn)效率。（圖1）

圖1 單臥軸混凝土攪拌機(jī)

2 TRIZ理論概述與創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

經(jīng)典形式的TRIZ方法論是由蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒及其同事在第二次世界大戰(zhàn)后開發(fā)的。在俄語（теория решенияизобретательскихзадач）中，Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，字面意思是：“解決發(fā)明相關(guān)任務(wù)的理論”，通過對(duì)專利的研究，對(duì)成功案例進(jìn)行推廣，從而成功地解決技術(shù)問題，逐步發(fā)展成為了一種解決問題，分析和預(yù)測(cè)工具[10-12]。TRIZ理論著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律發(fā)明創(chuàng)造、解決難題并研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程[13-14]。近年來TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到了極為廣泛地運(yùn)用[15-17]。

TRIZ理論是一種問題解決方法，是建立了解決問題的通用模型并指明了其發(fā)展方向，目前在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域被廣泛使用[18]。流程圖見圖2[19]。

圖2 TRIZ理論解決問題的基本思路

3 運(yùn)用TRIZ工具解決問題

3.1 系統(tǒng)功能分析

本研究對(duì)目前單臥軸樹脂混凝土攪拌機(jī)的清洗方式進(jìn)行分析，得出目前只是單純的借助攪拌機(jī)的攪拌功能進(jìn)行輔助清洗，清洗模塊并未單獨(dú)存在，清洗只是攪拌功能的一種附加項(xiàng)。系統(tǒng)的功能組件見表1。

表1 功能組件分析

3.2 因果分析

因果鏈分析通過建立初始缺點(diǎn)與底層缺點(diǎn)的邏輯關(guān)系，找到解決問題的突破口[20]。因果分析是通過構(gòu)建因果分析事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果的分析方法。原則上應(yīng)先從根本原因著手解決問題。[21]。根據(jù)對(duì)以上組件的分析，通過使用故障樹分析法得出：其直接原因是清洗時(shí)候的強(qiáng)度不夠、效率低下、會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物。經(jīng)過對(duì)主要問題分析得到兩對(duì)關(guān)鍵物理矛盾：①清洗時(shí)間要足夠短，清洗效果又要足夠好。②清洗步驟要足夠少以便簡(jiǎn)化生產(chǎn)線工序，清洗過程中會(huì)有副產(chǎn)物產(chǎn)生。在這一多因素問題中，提高清洗效率是本項(xiàng)目最有效的解決辦法，而在提高清洗效率的方法中，構(gòu)建清洗模塊使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化又是最有效的解決辦法。因果鏈分析圖見圖3。

圖3 因果鏈分析圖

3.3 尋找問題實(shí)質(zhì)

將樹脂混凝土攪拌機(jī)清洗模塊面臨的具體問題描述進(jìn)行匯總分析，得出目前實(shí)現(xiàn)其清洗模塊最大的困難是如何實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)的高效清潔，即：①如何越過攪拌鏟片清洗攪拌主軸；②清洗過程如何不產(chǎn)生副產(chǎn)物。

針對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面，TRIZ理論主要提出了技術(shù)進(jìn)化理論、沖突解決原理、等創(chuàng)新工具，將選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ邔?duì)以上問題進(jìn)行逐一解決[22]，首先進(jìn)行最終理想解分析。（表2）

表2 最終理想解

3.4 物理矛盾分析

使用物理矛盾工具解決攪拌主軸刮板如何通過攪拌鏟片的問題。在既要保證清潔刮板對(duì)攪拌鏟片不會(huì)阻擋使得攪拌過程順利的同時(shí)以便實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌主軸的清潔這一矛盾中，可以將其歸納為在攪拌筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)這一參數(shù)上出現(xiàn)的復(fù)雜性與適應(yīng)性兩個(gè)對(duì)立面，針對(duì)這一問題可以采用物理矛盾中的空間分離原理進(jìn)行解決，根據(jù)空間分離原理中的發(fā)明原理中的分割原理，將結(jié)構(gòu)分為兩部分，既能保證刮板能夠順利通過攪拌鏟片，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌主軸的清洗。

3.5 物場(chǎng)分析

使用物場(chǎng)分析工具解決清潔刮板對(duì)樹脂混凝土攪拌過程產(chǎn)生阻礙的問題。構(gòu)建此問題的物場(chǎng)模型：機(jī)械場(chǎng)（F）、攪拌鏟片（S1）、清潔刮板（S2）。通過分析發(fā)現(xiàn)，攪拌鏟片（S1）對(duì)清潔刮板（S2）生成障礙部分的是攪拌鏟片（障礙部分）阻礙清潔刮板的運(yùn)動(dòng)，見圖4。接下來采用“產(chǎn)生有害作用時(shí)，引入變形的第三種物質(zhì)S”這一標(biāo)準(zhǔn)解法，將全部安裝在攪拌主軸上的攪拌鏟片改為部分固定在攪拌筒上并與清潔刮板相結(jié)合形成全新的攪拌鏟片S2，使攪拌鏟片既能實(shí)現(xiàn)攪拌功能，又能成為清潔刮板的連接機(jī)構(gòu)。

圖4 物場(chǎng)分析模型

4 清洗模塊設(shè)計(jì)方案

基于TRIZ理論，單臥軸樹脂混凝土攪拌機(jī)清洗模塊分為清潔模塊和移動(dòng)模塊。移動(dòng)模塊采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，清潔模塊采用的是針對(duì)單臥軸混凝土攪拌機(jī)設(shè)計(jì)的攪拌鏟片，清潔鏟片分布于攪拌鏟片的空隙中間固定位置處，便于計(jì)算機(jī)的控制，減少運(yùn)算量。對(duì)原有的攪拌筒進(jìn)行了改進(jìn)，清潔鏟片的形狀設(shè)計(jì)為和攪拌鏟片相同的螺旋形，可以代替一部分?jǐn)嚢桤P片，通過計(jì)算得到清潔鏟片和主軸攪拌鏟片重合時(shí)的位置，去除主軸攪拌鏟片的相應(yīng)部分，確保清潔鏟片能夠順利通過攪拌鏟片，防止機(jī)器卡死損壞。攪拌機(jī)的清洗模塊示意圖如圖5所示。

圖5 攪拌機(jī)清洗模塊示意圖

攪拌機(jī)工作過程中，攪拌鏟片在筒內(nèi)做前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，清潔鏟片被固定靜止不動(dòng)，因?yàn)樵跀嚢桤P片上留出了供清潔鏟片通過的位置，所以不會(huì)影響主軸攪拌鏟片的前進(jìn)。由于二者形狀相似，固定不動(dòng)的清潔鏟片在攪拌過程中也會(huì)實(shí)現(xiàn)攪拌鏟片的功能，相較于傳統(tǒng)攪拌機(jī)而言，清潔刮板就會(huì)起到加速攪拌的作用，增加了攪拌鏟片的密度，提高攪拌效率。

清潔過程可以分為三步：①在攪拌機(jī)內(nèi)注入清水，電機(jī)驅(qū)使清潔鏟片靠近攪拌鏟片，移動(dòng)到固定位置后跟隨攪拌鏟片做同步運(yùn)動(dòng)，清潔鏟片會(huì)因?yàn)閿嚢桤P片的旋轉(zhuǎn)將殘留物刮掉，進(jìn)行攪拌鏟片的清洗；②攪拌鏟片與清潔鏟片反向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)使清潔鏟片向另一側(cè)的攪拌鏟片靠近，攪拌主軸也在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)過程中將會(huì)完成對(duì)攪拌主軸的清洗，直到兩者到達(dá)相應(yīng)的距離；③當(dāng)清潔鏟片移動(dòng)到另一側(cè)后隨攪拌鏟片同步運(yùn)動(dòng)，完成另一側(cè)的清洗，最后復(fù)位。

通過清潔鏟片在攪拌筒內(nèi)的移動(dòng)，筒內(nèi)的攪拌鏟片和主軸都得到了清洗，因?yàn)椴捎玫氖枪伟迨角謇矸绞?，相較于單一水洗式針對(duì)黏度大的混凝土?xí)懈玫那逑葱Ч?，并且清洗過程會(huì)在電機(jī)的控制下自主完成，減少人工輔助，提高混凝土澆筑生產(chǎn)線的效率。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行樹脂混凝土攪拌機(jī)清洗模塊的設(shè)計(jì)，根據(jù)分割原理和創(chuàng)新原理設(shè)計(jì)出了單臥軸樹脂混凝土攪拌機(jī)清洗模塊的總體方案，針對(duì)樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線進(jìn)行了清洗優(yōu)化，該方案清潔鏟片跟隨攪拌鏟片一起運(yùn)動(dòng)輔助攪拌，能夠?qū)嚢桤P片和主軸進(jìn)行清潔，針對(duì)樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線進(jìn)行了清洗優(yōu)化，提高了攪拌清潔效率。但是并不能輔助攪拌筒內(nèi)壁的清潔，仍需要結(jié)合人工洗進(jìn)行清潔，在接下來的工作中，將針對(duì)攪拌筒內(nèi)壁進(jìn)行清潔模塊設(shè)計(jì)。