劉曉雯

基于TRIZ的新型煙花圓盤造粒機設(shè)計

劉曉雯

（唐山學(xué)院機電工程系，河北 唐山，063000）

基于TRIZ理論，對現(xiàn)有用于煙花微丸成型的圓盤造粒機進行了優(yōu)化設(shè)計。通過對圓盤造粒原理進行分析，提出了離心力確定和粉料出料損失問題、傾角調(diào)整、微丸傾出沖擊收集箱、不同粒徑微丸分離4個問題。通過分析問題關(guān)鍵點，由最佳原理引導(dǎo)完成了創(chuàng)新設(shè)計，解決了生產(chǎn)效率、微丸得率、自動化程度等矛盾因素。經(jīng)樣機實驗，新型圓盤造粒機重復(fù)造粒3 次最佳，微丸得率可達85.2%。

煙花；造粒機；TRIZ理論；優(yōu)化設(shè)計；自動生產(chǎn)線

造粒是煙花生產(chǎn)中的重要工序之一，傳統(tǒng)的造粒方式是攪拌法，典型設(shè)備是帶有傾斜圓盤的造粒設(shè)備[1-2]。各種成分的藥粉按規(guī)定比例均勻混合后，經(jīng)黏合劑粘結(jié)制成亮珠即為造粒?；鹚幨窃炝＿^程中必不可少的藥粉，且易燃易爆，傳統(tǒng)造粒設(shè)備自動化程度低，造粒過程中粉體與造粒圓盤之間的摩擦、微丸之間的碰撞、擠壓等均可能導(dǎo)致爆炸，致使工人發(fā)生危險，財產(chǎn)損失巨大；且設(shè)備柔性差，不能根據(jù)造粒得到的微丸強度、收率等參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備，影響了煙花產(chǎn)品的可靠性[3]。故設(shè)計一種自動化程度高、適用性強、柔性好、制造高質(zhì)量微丸的新型煙花造粒機很有必要。

TRIZ理論即發(fā)明問題的解決理論[4]，將TRIZ理論應(yīng)用于煙花造粒機的創(chuàng)新設(shè)計中，可為創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題并解決問題提供系統(tǒng)的理論和方法。新型煙花圓盤造粒機解決了最佳離心力的確定、粉料出料損失、圓盤傾角調(diào)整、微丸傾出沖擊、不同粒徑微丸分離等問題，設(shè)備柔性好且造粒完整、均勻。

1 問題分析

1.1 造粒原理

現(xiàn)有圓盤造粒機結(jié)構(gòu)如圖1所示。將按規(guī)定比例均勻混合的藥粉加入到繞幾何中心回轉(zhuǎn)的造粒圓盤中，黏合劑噴入圓盤，圓盤通過摩擦力把藥粉及顆粒帶到一定高度時，藥粉下落，與黏合劑混合并不斷再黏合藥粉，顆粒不斷在圓盤中滾動，變大，形成微丸。

圖1 現(xiàn)有圓盤造粒機

1.2 提出問題

問題Ⅰ：離心力確定和粉料出料損失問題?，F(xiàn)有圓盤造粒設(shè)備一般采用高速旋轉(zhuǎn)的圓盤和較大的圓盤直徑以獲得較大的離心力。但離心力過大，煙花微丸由于強度不足容易產(chǎn)生裂紋甚至破裂，微丸得率低；且造粒完成后，微丸和粉粒均從圓盤邊緣擋板下方開口處直接落入收集箱，粉料損失較多。問題Ⅱ：圓盤傾角調(diào)整問題。造粒圓盤的傾斜角度是影響微丸質(zhì)量的主要參數(shù)之一。圓盤傾角過小時，微丸成粒效率低；圓盤傾角過大時，粉?；蚍蹓K下落時對其他的粉?；蚍蹓K沖擊過大使之破裂。一般圓盤的傾斜角度為40～60°[5]。為了得到較好的微丸質(zhì)量，需要根據(jù)實驗結(jié)果不斷調(diào)整圓盤傾角。而現(xiàn)有造粒設(shè)備主要通過角度墊片人工調(diào)整圓盤傾角，不利于根據(jù)造粒效果不斷調(diào)整圓盤傾角。問題Ⅲ：微丸傾出沖擊收集箱問題。傳統(tǒng)造粒圓盤出料時，微丸及粉粒直接從圓盤出口落入收集箱，由于微丸成型后未經(jīng)烘干，內(nèi)部含水量較多，微丸強度不高，容易在落入收集箱時由于沖擊產(chǎn)生裂紋甚至破碎。問題Ⅳ：不同粒徑微丸分離問題?，F(xiàn)有造粒機中符合目標(biāo)粒徑的微丸、未達到目標(biāo)粒徑的微丸以及剩余藥粉均進入收集箱，待后續(xù)工序分離出目標(biāo)粒徑的微丸，工序繁瑣、效率低。

2 解決問題

針對問題Ⅰ，合理選擇圓盤轉(zhuǎn)速和圓盤直徑獲得最佳離心力，以及減小出料損失成為問題Ⅰ需重點解決的內(nèi)容。問題Ⅰ的矛盾沖突對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的物質(zhì)損失（23）和運動物體的面積（5），建立問題Ⅰ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理35物理或化學(xué)參數(shù)改變原理，2抽取原理，10預(yù)先作用原理，31多孔材料原理。問題Ⅰ的矛盾沖突矩陣如表1所示。

表1 問題Ⅰ的矛盾沖突矩陣

Tab.1 Contradiction matrix of question I

由于問題Ⅰ需找到圓盤合理轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的圓盤直徑，故選取35物理或化學(xué)參數(shù)改變原理解決該問題。由生產(chǎn)節(jié)拍的要求，一次加工的藥粉量為5kg，火藥密度≈1kg/L，故一次加工的藥粉體積≈5L。圓盤容積約為藥粉體積的7倍，故圓盤容積應(yīng)大于35L。根據(jù)造粒時圓盤旋轉(zhuǎn)的經(jīng)驗轉(zhuǎn)速值15 ～ 30 r/min[6]，以原有造粒機圓盤轉(zhuǎn)速及直徑＇為變量，進行單因素實驗，所得微丸得率如圖2所示。

圖2 圓盤不同轉(zhuǎn)速和直徑下微丸得率

由圖2可知，圓盤轉(zhuǎn)速低且直徑較小時，微丸得率低，這是由于離心力小，大部分微丸粉末聚集在圓盤中部，與噴出的黏合劑接觸不均勻，粘結(jié)不充分，且最初形成的體積較大的料塊與圓盤邊緣擋板的撞擊力小，不易破碎；圓盤轉(zhuǎn)速高且圓盤直徑大時，微丸得率低。這是由于離心力大時，微丸成型過快，與黏合劑接觸時間短，粘結(jié)不充分，微丸強度低，且微丸形成后層積部分容易脫落，故微丸得率低。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速=18r/min，圓盤直徑＇=0.5m時，微丸得率最高，為83.3%。

根據(jù)實驗結(jié)果設(shè)計圓盤結(jié)構(gòu)及尺寸，如圖3所示。

圖3 圓盤結(jié)構(gòu)

圖3中，=0.6m，=0.5m，=0.15m，壁厚= 0.008m。此時離心力=2＇/9.8=182×0.5/9.8=16.5×g。即作用在微丸上的離心力是地心引力的16.5倍.

為了減小出料時粉料的損失，選取2抽取原理解決該問題。由原有的圓盤邊緣擋板下方開口處直落或人工收集的方式變?yōu)橥ㄟ^改變圓盤傾角傾倒出料。由于造粒粉料屬易燃易爆品，故選取10預(yù)先作用原理，在造粒圓盤內(nèi)表面鍍一層銅金屬，避免意外的發(fā)生。針對問題Ⅱ，實現(xiàn)方便、快捷的調(diào)整圓盤傾斜角度的功能，同時會增加功的輸入，帶來能量的損失，此為問題Ⅱ需重點解決的內(nèi)容。問題Ⅱ的矛盾沖突對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的自動化程度（38）和能量損失（22），建立問題Ⅱ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理23反饋原理和28機械系統(tǒng)替代原理。問題Ⅱ的矛盾沖突矩陣如表2所示。

表2 問題Ⅱ的矛盾沖突矩陣

Tab.2 Contradiction matrix of questionⅡ

由于問題Ⅱ需要實現(xiàn)方便、快捷的調(diào)整圓盤傾斜角度的功能，故選取28機械系統(tǒng)替代原理解決該問題。改進后的造粒裝置如圖4所示。造粒圓盤及驅(qū)動造粒圓盤的電機減速器均固定在半圓板上。半圓板與圓盤中心軸線平行且與水平面成一定角度，半圓板和造粒支架通過銷軸連接構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，卸料氣缸推桿通過接頭與半圓板底面滑槽構(gòu)成移動副。卸料氣缸動作，接頭沿半圓板底面滑槽移動，可實現(xiàn)圓盤傾角方便、快捷的調(diào)整及造粒結(jié)束后卸料傾倒功能。

圖4 造粒裝置

針對問題Ⅲ，降低微丸出料時的動能，同時會增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。問題Ⅲ的矛盾沖突對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的能量損失（22）和控制和測量的復(fù)雜性（37），建立問題Ⅲ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理。13反向作用原理和15動態(tài)特性原理。問題Ⅲ的矛盾沖突矩陣如表3所示。由于問題Ⅲ需要降低微丸出料時的動能，故選取13反向作用原理，提升接料裝置的高度，同時利用15動態(tài)特性原理，圓盤卸料和接料聯(lián)動解決該問題。

表3 問題Ⅲ的矛盾沖突矩陣

Tab.3 Contradiction matrix of questionⅢ

針對問題Ⅲ設(shè)計的接料裝置如圖5所示。造粒完成后，造粒圓盤反向旋轉(zhuǎn)，同時圓盤卸料氣缸和接料氣缸協(xié)同動作，即圓盤傾斜至一定角度卸料的同時接料裝置中的接料斜臺上升，減少了微丸下落的動能。

圖5 接料裝置

針對問題Ⅳ，對接收裝置進行設(shè)計，要實現(xiàn)接料時完成目標(biāo)粒徑微丸的分離，會帶來接料裝置清理、維護、維修困難的問題，問題Ⅳ的矛盾沖突對應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)中的操作流程的方便性（33）和可維修性（34），建立問題Ⅳ的沖突矩陣，得到推薦的發(fā)明原理1分割原理、3局部質(zhì)量原理和6多用性原理。問題Ⅳ的矛盾沖突矩陣如表4所示。

表4 問題Ⅳ的矛盾沖突矩陣

Tab.4 Contradiction matrix of questionⅣ

由于問題Ⅳ需要對接收裝置進行設(shè)計，使之分離出目標(biāo)粒徑的微丸，故選取1分割原理解決該問題。

針對問題Ⅳ設(shè)計的接料斜臺如圖6所示。將接料斜臺分割成上、下兩層。上層為成品層，成品層上均布有3mm寬的縫隙，達到目標(biāo)粒徑的微丸沿著斜臺滾入收集箱。下層為回收層，未達到目標(biāo)粒徑的微丸以及剩余藥粉從成品層的縫隙落入回收層，回收層中未達到目標(biāo)粒徑的微丸以及剩余藥粉可倒入圓盤中進行重復(fù)造粒。

圖6 接料斜臺

3 新型圓盤造粒機設(shè)計方案

經(jīng)原有造粒機存在問題的提出、問題關(guān)鍵點的分析以及利用創(chuàng)新理論對問題進行解決，形成新型圓盤造粒機的設(shè)計方案，如圖7所示。

圖7 新型圓盤造粒機設(shè)計方案

料粉通過可調(diào)進料口進入造粒圓盤。電機減速器驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動，同時噴漿裝置噴出霧化黏合劑開始造粒。造粒情況由監(jiān)測裝置遠程監(jiān)控，進料氣缸驅(qū)動進料架水平移動，可調(diào)節(jié)進料口與造粒圓盤的距離。造粒完成后，卸料氣缸動作，圓盤傾倒卸料，同時升降臺上升接料。成品微丸從成品層滑入收集箱，粒徑較小的微丸以及藥粉落入回收層供重復(fù)造粒。

4 樣機實驗

經(jīng)反復(fù)實驗，確定最佳工藝參數(shù)：在進料速率 5 g/min、進料口出口和噴漿裝置出口相距240 mm、噴漿流量 6 mL/min、噴漿壓力0. 12 MPa、造粒時間15 min，經(jīng)6次重復(fù)造粒，所得微丸得率如圖8所示。

圖8 微丸得率

由圖8可得：重復(fù)造粒的微丸得率并未隨著造粒次數(shù)的增加呈線性變化；重復(fù)造粒次數(shù)小于5時，次數(shù)越多，微丸得率越高，重復(fù)造粒3次后，微丸得率的增加并不明顯。重復(fù)造粒6次后，微丸得率下降，這是因為微丸成型后，內(nèi)部濕度較大，成型后長時間相互碰撞，容易導(dǎo)致微丸出現(xiàn)裂紋甚至破損。綜合生產(chǎn)效率、微丸得率、工序銜接等因素，新型煙花圓盤造粒機重復(fù)造粒次數(shù)為3 次，微丸得率為85.2%。

最終造粒微丸如圖9所示，由圖9可見新型煙花圓盤造粒機造粒均勻，完整度好。

圖9 造粒微丸

5 結(jié)論

（1）基于TRIZ理論，對市場上現(xiàn)有圓盤造粒機進行分析，通過選用最佳創(chuàng)新設(shè)計原理，對造粒機圓盤的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料、傾角調(diào)整、接料裝置及其斜臺進行了創(chuàng)新設(shè)計。（2）重復(fù)造粒的微丸得率并未隨著造粒次數(shù)的增加呈線性變化；綜合生產(chǎn)效率、微丸得率、工序銜接等因素，新型圓盤造粒機重復(fù)造粒次數(shù)為3 次，微丸得率為85.2%。

[1] 潘功配.煙花爆竹的文化、科學(xué)與發(fā)展創(chuàng)新的未來[J].花炮科技與市場,2013(03):31-34.

[2] 楊瑞,歐陽八生.一種新型的煙花開苞藥滾擠造粒技術(shù)[J].科技風(fēng),2018(03):1-2.

[3] 謝永祥.煙花爆竹經(jīng)營企業(yè)安全隱患及對策[J].吉林勞動保護,2010(10):40.

[4] 劉曉雯.基于TRIZ的新型長生果柔性去殼機設(shè)計[J].包裝工程,2019,40(15):189-193.

[5] 潘功配編著.高等煙火學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005.

[6] 楊文亮.煙花自動生產(chǎn)線及其造粒系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D]. 河北石家莊:河北工業(yè)大學(xué),2014.

Design of New Type Fireworks Disc Granulator Based on TRIZ

LIU Xiao-wen

(Deparment of Electro-Mechanical Engineering, Tangshan College, Tangshan，063000)

Optimum design of disc granulator for fireworks pellet forming was carried out based on TRIZ theory. Four problems of centrifugal force and powder discharging loss, inclination adjustment, pellet dumping impact collection box and pellet separation with different particle sizes were put forward, by the analysis of the principle of disc granulation. By analyzing the key points of the problem, and according to the structure, the innovative design was guided by the best principle. The contradictory factors such as production efficiency, pellet yield and automation degree were solved.The prototype experiment shows that the new disc granulator has the best pellet yield of 85.2% after three times of repeated pelleting.

Fireworks；Granulator；TRIZ theory；Optimal design；Automatic production line

TQ567

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.014

1003-1480（2019）06-0054-04

2019-09-02

劉曉雯（1983 -），女，副教授，主要從事機械設(shè)計、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計研究。