基于TRIZ的沖擊剪切式秸稈微粉機(jī)概念設(shè)計(jì)

付 敏，周柯成，李榮峰，李 萌，郝鎰林

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

生物質(zhì)秸稈是一種以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主要成分的清潔型可再生能源[1]。秸稈高值化利用的前提是進(jìn)行粉碎處理，秸稈微粉碎后可作為木塑復(fù)合材料、絕緣材料等產(chǎn)品的基質(zhì)原料。木粉和秸稈粉均可作為復(fù)合材料的填充物，相較于木粉，秸稈粉價(jià)格低廉且資源豐富，在填充物市場(chǎng)上占據(jù)著越來(lái)越重要的地位[2]，[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)原料粉碎技術(shù)展開(kāi)了一系列研究。褚斌[4]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)藤莖類(lèi)秸稈的立式粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)采用了雙級(jí)錘片串聯(lián)粉碎的原理，可使藤莖類(lèi)秸稈的粉碎粒度小于20 mm。鮑振博[5]設(shè)計(jì)的組合式生物質(zhì)秸稈粉碎機(jī)可使秸稈在動(dòng)、定刀的切削以及齒板與錘片的碰撞、磨搓作用下被粉碎，還可根據(jù)所需粒度更換篩網(wǎng)規(guī)格。趙越[6]研發(fā)的超細(xì)木粉粉碎設(shè)備可使物料在刀具的切削和磨削作用下被粉碎，然后通過(guò)旋風(fēng)分離器分選出400目（0.037mm）以上的物料。鐘聲標(biāo)[7]設(shè)計(jì)的秸稈超微粉碎機(jī)的定子上設(shè)置有切齒和錘片，可使秸稈在定子與螺旋轉(zhuǎn)刀的剪切、偏心擠壓及撞擊作用下被粉碎至400目以上。Luigi Pari[8]設(shè)計(jì)的生物質(zhì)粉碎機(jī)的粉碎機(jī)構(gòu)由雙螺旋轉(zhuǎn)子組成，可針對(duì)不同物料更換不同類(lèi)型轉(zhuǎn)子，使出料粒度達(dá)3mm以下。Tavares Luís Marcelo[9]設(shè)計(jì)的間歇式振動(dòng)球磨機(jī)以擠壓和摩擦為主要粉碎方式，可使亞麻纖維的粉碎粒度達(dá)0.091mm以下。

上述研究為秸稈微粉碎技術(shù)的發(fā)展提供了有益啟示。因此，本文應(yīng)用TRIZ指導(dǎo)秸稈微粉機(jī)的概念設(shè)計(jì)，提出了一種多層動(dòng)定刀沖擊、剪切、摩擦的粉碎方式，并應(yīng)用TRIZ工具對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、分離收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究成果為提高秸稈微粉碎效率和降低粉碎粒度提供了參考。

1 TRIZ解題流程

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒 （G S Altshuller）創(chuàng)立的一種系統(tǒng)化發(fā)明問(wèn)題解決理論[10]。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，TRIZ可輔助設(shè)計(jì)人員從不同維度觸發(fā)靈感，從而在更廣闊的領(lǐng)域?qū)ふ医鉀Q方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率[11]。TRIZ解決問(wèn)題的流程可分為問(wèn)題描述、分析問(wèn)題、確定解題方向、解決問(wèn)題和方案評(píng)價(jià)。

①問(wèn)題描述：描述系統(tǒng)的功能、功能實(shí)現(xiàn)原理、存在的問(wèn)題以及問(wèn)題解決目標(biāo)和限制條件等。

②分析問(wèn)題：采用功能分析、因果分析、資源分析等分析問(wèn)題工具，探尋問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因，發(fā)現(xiàn)多個(gè)解決問(wèn)題的切入點(diǎn)，明晰解決問(wèn)題可利用的資源。

③確 定 解 題 方 向：應(yīng) 用IFR（Ideal Final Result）、金魚(yú)法、進(jìn)化法則和九屏圖等方法確定問(wèn)題的解決方向。

④解決問(wèn)題：應(yīng)用技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)模型、STC算子 （Size-Time-Cost）、聰明小人法SLP（Smart Little People）、效 應(yīng) 庫(kù)、資 源 分 析 和 功能導(dǎo)向搜索等工具進(jìn)行方案求解。

⑤方案評(píng)價(jià)：從經(jīng)濟(jì)性、可實(shí)施性、先進(jìn)性等多方面對(duì)所有概念方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出最終實(shí)施方案及專(zhuān)利預(yù)案。

2 秸稈微粉機(jī)功能需求及工藝流程確定

2.1 秸稈微粉機(jī)功能需求

總功能：減小物料尺寸。

子功能：喂入物料、粉碎、分離、收集秸稈微粉料。

生 產(chǎn) 能 力：1000kg/h。

粉碎粒度：180目。

2.2 秸稈微粉碎工藝流程

根據(jù)功能需求，確定秸稈微粉碎作業(yè)的工藝流程如圖1所示。首先將秸稈物料投放至喂入機(jī)構(gòu)，物料進(jìn)入到粉碎機(jī)構(gòu)后完成粉碎作業(yè)，之后秸稈混料進(jìn)入分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行篩分，未達(dá)到粒度要求的粗料重新進(jìn)入粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行粉碎，收集符合粒度要求的微粉料。本文應(yīng)用TRIZ工具輔助喂入機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)以及分離收集機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖1 秸稈微粉碎工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of straw pulverization

3 TRIZ輔助秸稈微粉機(jī)概念設(shè)計(jì)

3.1 原型系統(tǒng)工作原理及存在的問(wèn)題

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，銷(xiāo)棒沖擊式粉碎機(jī)適用于中藥材、塑料、化工原材料等行業(yè)物料的微粉碎加工[12]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。物料送入粉碎室后，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的作用下，物料受到?jīng)_擊力且加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在離心力作用下向外圓周方向運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，物料與轉(zhuǎn)子銷(xiāo)棒和定子銷(xiāo)棒發(fā)生沖擊碰撞被進(jìn)一步粉碎。但是，銷(xiāo)棒沖擊式粉碎機(jī)在粉碎秸稈原料時(shí)，難以滿足微粉碎粒度和產(chǎn)量的要求，所以本文擬以銷(xiāo)棒沖擊式粉碎機(jī)為原型進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。

圖2 銷(xiāo)棒沖擊式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pin-type impact mill structure

3.2 粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉碎機(jī)構(gòu)的主要作用是將秸稈粗料粉碎至目標(biāo)粒度，原型系統(tǒng)采用的銷(xiāo)棒沖擊式粉碎適用于具有一定硬度的物料，將其用于粉碎富含纖維且有一定韌性的秸稈時(shí)，存在粉碎粒度大以及粉碎效率低等問(wèn)題。本文應(yīng)用TRIZ中的系統(tǒng)功能分析、物場(chǎng)分析、技術(shù)矛盾和物理矛盾方法對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1應(yīng)用TRIZ的系統(tǒng)功能分析

技術(shù)系統(tǒng)名稱(chēng)：粉碎機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)功能：減小秸稈物料尺寸。

系統(tǒng)作用對(duì)象：秸稈混料。

系統(tǒng)組件：定子銷(xiāo)棒、轉(zhuǎn)子銷(xiāo)棒、定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、動(dòng)定間隙和機(jī)殼。

超系統(tǒng)組件：機(jī)架。

分析功能對(duì)象、系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件間的作用關(guān)系，建立粉碎機(jī)構(gòu)的功能模型圖（圖3）。由圖3可知，粉碎機(jī)構(gòu)存在粉碎作用不足和易磨損的問(wèn)題，后續(xù)應(yīng)用TRIZ解題工具對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行求解。

圖3 粉碎機(jī)構(gòu)功能模型Fig.3 Function model of the crushing mechanism

3.2.2應(yīng)用TRIZ的物場(chǎng)分析

（1）構(gòu)建問(wèn)題物場(chǎng)模型

由圖3可構(gòu)建如圖4所示的問(wèn)題物場(chǎng)模型。

圖4 問(wèn)題物場(chǎng)模型Fig.4 Substance-field model of the problem

（2）求解問(wèn)題物場(chǎng)模型

針對(duì)圖4（a）中轉(zhuǎn)子、定子銷(xiāo)棒對(duì)秸稈混料的沖擊作用不足，應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.2-增加物質(zhì)的分割程度，提出概念方案1：將定子、轉(zhuǎn)子銷(xiāo)棒設(shè)計(jì)為具有雙剪切刃的動(dòng)、定刀具，對(duì)秸稈物料產(chǎn)生剪切、沖擊作用。

針 對(duì) 圖4（b），（c）中 秸 稈 混 料 對(duì) 定 子 及 轉(zhuǎn) 子的有害摩擦作用，應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.2-引入S1或S2的變形來(lái)消除有害作用，提出概念方案2：在定子和轉(zhuǎn)子盤(pán)表面設(shè)置凸齒，以減少秸稈物料對(duì)其表面的磨損，同時(shí)增強(qiáng)沖擊粉碎作用。

3.2.3應(yīng)用TRIZ的技術(shù)矛盾和物理矛盾

（1）應(yīng)用技術(shù)矛盾求解

由圖3確定技術(shù)矛盾發(fā)生在增大粉碎秸稈混料的作用力和降低秸稈混料的流動(dòng)性之間。查找發(fā)生技術(shù)矛盾的參數(shù)：改善的參數(shù)為NO.10-力；惡化的參數(shù)為NO.9-速度。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創(chuàng)新原理有NO.09-預(yù)先反作用原理、NO.13-反向作用原理、NO.15-動(dòng)態(tài)特性原理和NO.28-機(jī)械系統(tǒng)替代原理。

應(yīng)用NO.15-動(dòng)態(tài)特性原理，提出概念方案3：增加動(dòng)、定刀具數(shù)目，以提高粉碎作用力。

應(yīng)用NO.28-機(jī)械系統(tǒng)替代原理，提出概念方案4：利用噴嘴噴射高速氣流使秸稈混料相互碰撞，增大對(duì)秸稈混料的作用力。

（2）應(yīng)用物理矛盾求解

確定物理矛盾：動(dòng)、定刀具的間隙既應(yīng)該大，以滿足秸稈混料流動(dòng)性強(qiáng)的要求，又應(yīng)該小，以滿足定子、轉(zhuǎn)子銷(xiāo)棒對(duì)秸稈混料作用力大的要求。

應(yīng)用空間分離原理提出概念方案5：同一刀盤(pán)上不同層級(jí)刀具交錯(cuò)排布，保證多把刀具均參與粉碎，防止出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)還可避免物料未經(jīng)充分粉碎而被甩出粉碎區(qū)域。

3.2.4刀具數(shù)量及排布確定

針對(duì)概念方案3，5，需確定動(dòng)、定刀具數(shù)目以及排布方式，以兼顧粉碎粒度和低能耗的要求。

（1）粉碎功耗計(jì)算

每塊秸稈粉碎到給定粒度時(shí)的理論有效功耗Wi的 計(jì) 算 式[13]為

式中：Kh，Kz分別為橫向、縱向單位面積上的有效功 耗，J/mm2；Di為 秸 稈 原 料 直 徑，mm；Li為 秸 稈 原料長(zhǎng)度，mm；d為粉碎后的秸稈粒徑，mm。

生產(chǎn)單位質(zhì)量目標(biāo)秸稈粉料的理論有效功耗Wef的計(jì)算式為

式中：mi為單位質(zhì)量秸稈的塊數(shù)，個(gè)。

本文中秸稈微粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)要求為粉碎粒度為180目（0.08mm），產(chǎn) 量 為1000kg/h，刀 具 轉(zhuǎn) 速為2400r/min。已知玉米秸稈的剪切破壞力為680.38～1613.75N，堆 積 密 度 為30～50kg/m3[14]，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將玉米秸稈的剪切破壞力近似為1500 N，堆積密度近似為40kg/m3，秸稈原料簡(jiǎn)化為長(zhǎng)20mm，直徑為35mm的圓柱體。將上述數(shù)據(jù)代入式（1），（2）中，可 得 生 產(chǎn)1000kg目 標(biāo) 粉 料 的 理 論有效功耗約為7.0×106kJ。在物理計(jì)算過(guò)程中，理論功耗定為實(shí)際功耗的75%～80%[15]，則實(shí)際功耗約 為9.3×106kJ。

（2）動(dòng)刀排布方式及數(shù)目的確定

動(dòng)刀排布方式見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，沿動(dòng)刀盤(pán)徑向設(shè)有4層刀具，其距回轉(zhuǎn)中心的距離依次 為150，220，280，330mm，動(dòng) 刀 數(shù) 量 由 內(nèi) 向 外 依次 為4，8，16，16個(gè)。每 層 刀 具 沿 圓 周 均 布，使 得 刀盤(pán)受力分布均勻；相鄰層的刀具采用交錯(cuò)排列，以利于物料受到充分粉碎。

圖5 動(dòng)刀排布示意圖Fig.5 Schematic diagram of moving blade distribution

刀具切削做功W的計(jì)算式為

式中：F為刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的切向沖擊力，N。

假定刀具工作過(guò)程中恒定與秸稈混料碰撞，且所受切向沖擊力為1000N[15]，則由式（3）可計(jì)算出由內(nèi)至外每層刀具的每個(gè)動(dòng)刀每小時(shí)的做功分 別 約 為1.3×105，1.9×105，2.5×105，2.9×105kJ。再根據(jù)每層刀具的數(shù)量，可以計(jì)算出四層粉碎動(dòng)刀的總體做功約為1.1×107kJ，大于設(shè)計(jì)需求功耗9.3×106kJ，因 此，刀 具 數(shù) 目 設(shè) 定 合 理。

（3）定刀排布方式及數(shù)目確定

參考動(dòng)刀排布方式，定刀也采用對(duì)稱(chēng)交錯(cuò)排布。沿定刀盤(pán)徑向設(shè)置3層刀具，其距回轉(zhuǎn)中心的距離依次為165，250，305mm，定刀與定刀盤(pán)固定連接在機(jī)架上，不參與做功。考慮到定刀與動(dòng)刀配合沖擊、剪切秸稈混料的次數(shù)和刀具間隔，定刀數(shù)量由內(nèi)向外層依次為6，12，12個(gè)。

3.2.5粉碎機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖6為粉碎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。秸稈物料由入料口進(jìn)入粉碎機(jī)構(gòu)，受到動(dòng)、定刀具的沖擊和剪切作用，以及動(dòng)、定刀盤(pán)上凸齒的摩擦作用；動(dòng)、定刀間隙沿徑向由內(nèi)向外逐層減小，秸稈混料在經(jīng)過(guò)四層動(dòng)刀、三層定刀與凸齒的多次復(fù)合粉碎作用后，被離心力拋出粉碎區(qū)域，經(jīng)管道輸送至分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)。相較于原型系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的粉碎機(jī)構(gòu)采用了動(dòng)、定剪切刀具和刀盤(pán)凸齒相配合進(jìn)行剪切、沖擊、摩擦的復(fù)合粉碎方式，使物料受到多重粉碎作用；刀具對(duì)稱(chēng)交錯(cuò)排布，避免了物料未充分粉碎而被甩出粉碎區(qū)；動(dòng)、定刀間隙由內(nèi)向外逐層減小，以滿足粉碎粒度的要求。

圖6 粉碎機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the crushing mechanism

3.3 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

喂入機(jī)構(gòu)的作用是將秸稈粗料輸送至粉碎機(jī)構(gòu)。在原型系統(tǒng)中，喂料漏斗中的物料靠自重落入粉碎室內(nèi)。由于秸稈密度小，質(zhì)量輕，易在入料口與粉碎室交匯處堵塞，造成入料不均勻，影響粉碎質(zhì)量和效率。針對(duì)上述問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ工具中的IFR和SLP法對(duì)喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3.1應(yīng)用TRIZ的IFR求解

IFR的解題流程如下：

①設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是什么？將秸稈混料送入粉碎室內(nèi)；

②最終理想解是什么？秸稈混料自己移動(dòng)至粉碎室內(nèi)；

③達(dá)到理想解的障礙是什么？秸稈自身不具備運(yùn)動(dòng)能力；

④出現(xiàn)這種障礙的原因是什么？輸送通道水平放置；

⑤不出現(xiàn)這種障礙的原因是什么？秸稈混料借助外力輸送至粉碎室內(nèi)；

⑥創(chuàng)造這些條件，有哪些可利用的資源？物質(zhì)資源：秸稈混料、輸送通道、料槽、轉(zhuǎn)軸、電機(jī)等；能量資源：機(jī)械場(chǎng)、重力場(chǎng)、氣動(dòng)場(chǎng)等；空間資源：輸送機(jī)構(gòu)體積、料槽長(zhǎng)度等。

根據(jù)物質(zhì)資源中的料槽和能量資源中的重力場(chǎng)，提出概念方案6：設(shè)置漏斗狀落料槽，物料靠自重落入粉碎室內(nèi)，漏斗下方設(shè)置卸料閥來(lái)控制物料的流量。

根據(jù)物質(zhì)資源中的轉(zhuǎn)軸，提出概念方案7：轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)螺旋葉片，通過(guò)減速電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，利用螺旋葉片將物料均勻輸送至粉碎室內(nèi)。

3.3.2應(yīng)用TRIZ的SLP求解

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)某些組件不能完成其必要功能，并表現(xiàn)出相互矛盾的情況時(shí)，可以用一組小人來(lái)代表問(wèn)題模型，通過(guò)能動(dòng)的小人，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，然后根據(jù)小人模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即為聰明小人法SLP[11]。

（1）建立問(wèn)題模型

用不同形狀的小人表示各系統(tǒng)組件，構(gòu)建如圖7所示的問(wèn)題模型。

圖7 問(wèn)題模型Fig.7 Problem model

存在的問(wèn)題描述：物料小人在輸送小人的管控下向粉碎小人跑去，物料小人達(dá)到粉碎小人處時(shí)集體向下掉落。原因1：物料小人自身不能向上移動(dòng)；原因2：粉碎小人不能命令物料小人向上運(yùn)動(dòng)。

（2）建立目標(biāo)模型

目標(biāo)模型1：增加輸送小人，管控物料小人向上運(yùn)動(dòng)。

目標(biāo)模型2：粉碎小人提高戰(zhàn)斗力，強(qiáng)行把物料小人趕上去。

（3）建立方案模型

根據(jù)目標(biāo)模型2，提出如圖8所示的方案模型：增加更強(qiáng)壯的粉碎小人，阻止物料小人聚集和向下移動(dòng)。

圖8 方案模型圖Fig.8 Conceptual plan model diagram

根據(jù)方案模型，提出概念方案8：在入料口與動(dòng)刀盤(pán)中心處設(shè)置散料機(jī)構(gòu)（圖9），使剛進(jìn)入粉碎機(jī)構(gòu)的物料受到切削作用并被打散分布至粉碎區(qū)域，避免堵塞入料口。

圖9 散料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of dispersed material mechanism

3.3.3喂入機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖10為喂入機(jī)構(gòu)示意圖。相較于原型系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的喂入機(jī)構(gòu)增設(shè)了散料機(jī)構(gòu)，秸稈原料通過(guò)喂料漏斗上方卸下，落至入料口處，由散料機(jī)構(gòu)對(duì)物料進(jìn)行初步切削粉碎，并沖擊打散物料，使得入料分布均勻，避免堵塞。

圖10 喂入機(jī)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of feeding mechanism

3.4 排料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

原型系統(tǒng)粉碎后的粉體直接由殼體下方的出料口排出，不同粒度的物料混合在一起，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分級(jí)收集。本文設(shè)計(jì)的排料機(jī)構(gòu)由分離機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)組成，先由分離機(jī)構(gòu)將達(dá)標(biāo)的秸稈微粉料與不合格的秸稈混料分開(kāi)，再由收集機(jī)構(gòu)收集粒度達(dá)標(biāo)的秸稈微粉料。

3.4.1應(yīng)用TRIZ的功能導(dǎo)向搜索求解

功能導(dǎo)向搜索的主要思想是以技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能為目標(biāo)，借鑒其它領(lǐng)域功能類(lèi)似系統(tǒng)的解決方案來(lái)解決問(wèn)題[11]。功能導(dǎo)向搜索的解題流程如下。

①定義關(guān)鍵問(wèn)題：篩分出秸稈粉料中合格的微粉料、使微粉料與氣流分離，但目前沒(méi)有合適的工具實(shí)現(xiàn)該功能。

②闡述改善功能：提高秸稈微粉料分離、收集效率。

③確定所需參數(shù)：微粉料生產(chǎn)量為1000kg/h，對(duì)于180目及以上秸稈微粉料的收集率不低于95%。

④功能規(guī)范化定義：篩分秸稈混料，收集秸稈微粉料。

⑤尋找領(lǐng)先領(lǐng)域：在工業(yè)氣體凈化領(lǐng)域中，凈化氣體時(shí)需執(zhí)行該功能，將微小顆粒從氣流或液體中分離、收集是該領(lǐng)域的一個(gè)核心問(wèn)題。

⑥從領(lǐng)先領(lǐng)域選擇技術(shù)：工業(yè)氣體凈化領(lǐng)域分離微小顆粒的方法有很多，如布袋除塵、過(guò)濾器、靜電除塵等，其中有一種粉塵分離器，利用風(fēng)扇產(chǎn)生螺旋氣流，在離心力與重力作用下實(shí)現(xiàn)分離。

通過(guò)功能導(dǎo)向搜索，提出概念方案9：采用旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)，通過(guò)葉片帶動(dòng)物料流旋轉(zhuǎn)，粒度較大的物料受到較大的離心力和重力，被甩向筒壁并向下運(yùn)動(dòng)，粒度較小的物料受到的負(fù)壓力大于重力，被分離吸走；改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力，可調(diào)節(jié)所需的成品粒度。

概念方案10：通過(guò)濾筒收集氣流中的秸稈微粉料，利用壓縮空氣沖擊微粉料，使其從出料口落下。

3.4.2分離機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖11為分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11 分離機(jī)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the grading mechanism

如圖11所示，秸稈混料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入圓柱筒體，粒度大的物料會(huì)受到較大的離心力和重力，從而被甩向筒壁并向下運(yùn)動(dòng)，流向底部粗料出口；粒度小的物料受到的氣流負(fù)壓力大于重力，會(huì)從細(xì)料出口排出。因此，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可控制分離物料的粉碎粒度。

3.4.3收集機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖12為收集機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。秸稈微粉料隨氣流從進(jìn)氣入口流入收集機(jī)構(gòu)內(nèi)，電機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣體向上流動(dòng)，氣體流動(dòng)過(guò)程中微粉料附著在濾筒上與氣流分開(kāi)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔，開(kāi)啟脈沖閥，利用氣包中的壓縮空氣將微粉料沖擊落下，從出料口排出。

圖12 收集機(jī)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic diagram of collection mechanism

4 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

綜合上述概念解，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種如圖13所示的沖擊剪切式秸稈微粉機(jī)。

圖13 秸稈微粉機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Schematic diagram of straw micro-pulverizer

入料粒度小于20mm的秸稈原料通過(guò)喂料漏斗落至入料口處，受到散料機(jī)構(gòu)的初步剪切與沖擊，秸稈混料被打散分布在粉碎區(qū)域，繼而受到動(dòng)、定刀具的沖擊、剪切作用，快速運(yùn)動(dòng)的秸稈混料撞擊到動(dòng)、定刀盤(pán)的凸齒被摩擦粉碎；秸稈混料經(jīng)多層動(dòng)、定刀與凸齒的作用后，被離心力甩出粉碎區(qū)域。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流帶動(dòng)秸稈粉料流入分離機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)在筒體內(nèi)形成螺旋氣流，不合格的粉料受到較大的重力和離心力，沿筒壁向下運(yùn)動(dòng)并從下端粗料口流出，后續(xù)再重新粉碎；在氣流負(fù)壓力作用下，細(xì)小的粉料從上端細(xì)料口流出，經(jīng)管道輸送至收集機(jī)構(gòu)；收集機(jī)構(gòu)內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)微粉料與氣體流動(dòng)，流動(dòng)過(guò)程中微粉料附著在濾筒上與氣流分開(kāi)，氣包中的壓縮空氣沖擊濾筒，使微粉料從下端的出料口落下。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用TRIZ輔助秸稈微粉機(jī)的概念設(shè)計(jì)，提出了一種多層動(dòng)、定刀沖擊、剪切、摩擦的復(fù)合粉碎方式；粉碎機(jī)構(gòu)含有動(dòng)刀盤(pán)和定刀盤(pán)配合形成的粉碎室，動(dòng)、定刀間隙由內(nèi)向外逐層減小，相鄰層刀具交錯(cuò)排布以增強(qiáng)粉碎作用，通過(guò)功耗計(jì)算驗(yàn)證了刀具數(shù)目確定的合理性；入料口處設(shè)計(jì)了散料機(jī)構(gòu)，可對(duì)物料進(jìn)行初步粉碎和打散，以避免堵塞；分離機(jī)構(gòu)采用旋風(fēng)分離方式，可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制所需成品粒度。