秸稈壓塊機創新設計論文

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1TRIZ理論

1.1TRIZ理論概述

TRIZ理論在解決不同領域的創新問題時有相對應的解題模式。首先對問題進行定義，通過對問題分析設定IFR，確定矛盾屬性，最后通過選擇合理工具解決矛盾。水平I的調整有多種方向，具體細化到調整各個因子以達到系統功能的要求。技術矛盾是兩個參數之間的矛盾，它的存在是影響系統功能最主要的因素，解決矛盾的途徑可用發明原理和阿奇舒勒矛盾矩陣表。發明原理是阿奇舒勒通過對大量發明專利進行研究、分析和總結得出的40條應用原理，具有普遍應用性。為避免將40個發明原理都分析一遍，阿奇舒勒矛盾矩陣表解決技術矛盾的主旨是明確一對所要解決的技術矛盾后直接查詢即可得到解決方案的應用工具，通過阿奇舒勒矛盾矩陣確定的發明原理，結合實際需要解決的矛盾，確定組合應用原理方案。阿奇舒勒矛盾矩陣表經過多年的改進，2003年重新提出更加完整的矩陣表：參數由39個變為48個，并不再出現空格。

1.2TRIZ理論的應用

TRIZ理論在幾十年的發展中，歐美等發達國家對TRIZ理論的應用深入企業，德國所有名列世界500強的企業都在應用該理論，如西門子、奔馳、寶馬、大眾等著名公司都有專門機構及負責人開展對TRIZ理論知識的培訓。美國最成功的實例福特汽車公司，由TRIZ創新的產品為其每年帶來超過10億美金的銷售利潤。我國對TRIZ理論引入的時間較晚，并大多應用于電子信息集成方面，工程實例中未見顯赫的成就，但也解決了工程實例中的設計難題，同時產生了巨大的經濟效益。例如，為保證聯接結構的穩定性，對可拆卸聯接設計進行改進；為避免摩擦力矩增加而降低減速器性能，對摩擦片采用雙層結構設計保持力學性能等。TRIZ理論近年來在車輛工程上對微小零部件的創新改進解決了較大的性能問題。由于TRIZ理論誕生的本質是對發明專利的研究總結，可見，該理論極其適合工程領域中對存在顯著問題的改進設計及已有設備的創新設計。

2基于TRIZ的立式環模秸稈壓塊機創新設計

2.1立式環模秸稈壓塊機的矛盾

立式環模秸稈壓塊機的工作部件為環模及壓輥，成型過程在壓輥與環模圍成的成型室中完成。主動部件壓輥將原料不斷送入環模，堆積的物料將不斷被壓輥擠壓、壓縮出環模，由于自身重力掉落。立式環模秸稈壓塊機雖解決了活塞沖壓式成型機和螺旋擠壓式成型機的關鍵部件磨損嚴重導致的關鍵部件壽命短和單機生產量低的問題[，但尚未在此基礎上提高生產率。生產率的提高會導致設備的功率增加而使噸產品能耗降低，影響設備的性能。阿奇舒勒總結的48個通用工程參數中，對立式環模秸稈壓塊機的創新設計參數確定為生產率的提高對功率的增加；生產率的提高對靜止物體消耗的能量（能量是靜止物體做功的一種量度，能量包括電能、熱能及核能等）的增加。圖1為TRIZ理論在立式環模成型機上的解題步驟。

2.2創新設計的矛盾解決原理

創新設計中核心問題是解決矛盾，矛盾又分為管理矛盾、技術矛盾和物理矛盾。對立式環模秸稈壓塊機的創新設計需要解決的矛盾為技術矛盾。技術矛盾對應的48個通用特征參數為No.44生產率、No.17靜止物體消耗的能量和No.18功率。阿奇舒勒矛盾矩陣表是TRIZ理論中創新解決技術矛盾的主要工具，濃縮了對大量專利研究所取得的成果。為方便查找，結合工程參數與發明原理建立的關系，整理成48×48的矩陣。對阿奇舒勒矛盾矩陣表的應用見表1。相對應應用于創新設計的40條發明原理見表2，其中No.17維數變化原則對立式環模壓塊機關鍵部件的創新設計也具有意義，列支說明。

2.3發明原理的應用

根據阿奇舒勒矛盾矩陣表確定的發明原理組合對立式環模秸稈壓塊機進行以解決生產率低、能耗高為目的的創新設計分析。應用No.1分割原則和No.5組合原則，將成型室中的模塊設計成獨立、可拆卸的分體式部分，模塊組合成完整的環模；對于主要失效形式為摩擦磨損的模塊，可進行局部替換，避免整鑄時局部磨損嚴重失效導致的更換整體造成的成本增加。應用No.2抽取原則和No.3局部質量原則，將物體中的關鍵部件———環模與壓輥挑選、分離出來；為提高生產率保證關鍵部件連續工作，模塊、壓輥表面進行噴涂處理以提高其耐磨強度。

3試驗

3.1試驗儀器及參數

2014年9月在河北省邢臺市某生物質成型燃料廠進行壓塊成型調試與生產性試驗，試驗采用自然晾曬24h以上的糠醛渣為原料，粒度為6~0.15mm，含水率為26.2%。測試儀器：1011A型電熱鼓風干燥箱、PL2002型電子天平（精度0.01g）、KEW6310型電能質量分析儀、KER2400型轉鼓試驗機等。試驗參數包括成型率、生產率、噸料能耗、密度、機械耐久性。

3.2結果與分析

試驗設備模輥間隙為1.2mm，主軸轉速為163r/min。試驗結果如表3所示。試驗結果表明，在正常運行狀態下，立式雙層環模壓塊機的產品各項性能指標均能夠達到設計標準。其中，上、下層環模成型燃料的密度有所差距，但均達到＞1.0g/cm3的高密度標準。立式雙層環模成型壓塊機的產品試驗結果表明：設備生產率為2519kg/h，產品能耗為25.86kWh/t；上層環模產品密度為1.13g/cm3，下層密度為1.22g/cm3；成型燃料上層產品機械耐久性為96%，下層為97.7%；成型率為96.2%。試驗結果說明：基于TRIZ理論設計的成型結構，不僅能夠提高設備的工作小時的生產率，噸料能耗沒有呈相應比例的增加，能夠滿足生活生產對產率的需求；而且物料的密度較大，出現下層產品質量大于上層物料的現象，對產品質量的密度呈可觀性影響；由于密度的差別，對產品的機械耐久性也存在相應的差別。

4結論

運用TRIZ理論，對立式環模壓塊機的生產率低、功率高的問題進行分析；對系統進行問題分析，設定系統中的最終理想解（IFR），確定技術矛盾（提高生產率將會導致功耗與能量的升高），運用阿奇舒勒矛盾矩陣表確定40條發明原理中適合解決系統矛盾的原理。確定創新設計方案：利用原則1與原則5將模塊設計成獨立、可拆卸的分體式；原則2與原則3對模塊表面混合粉末進行表面噴涂；原則4將模塊改進為非對稱形式，定位孔中心線與環?？字行木€偏差4.3°；原則17將單層模塊改進為雙層模塊。立式雙層環模成型壓塊機的產品經試驗測試，設備生產率為2519kg/h，產品能耗為25.86kWh/t；上層環模產品密度為1.13g/cm3，下層密度為1.22g/cm3；成型燃料上層產品機械耐久性為96%，下層為97.7%；成型率為96.2%。結果表明，基于TRIZ理論對成型關鍵部件的設計明顯提高了設備的工作小時的生產率，而噸料能耗沒有呈相應比例的增加；雙層成型壓塊質量均滿足高密度產品要求，為提高成型設備的生產質量需求提供可靠數據。

作者:張妍 姚宗路 趙立欣 郭占斌 孟海波 叢宏斌 霍麗麗 單位:農業部規劃設計研究院