付敏，李萌，郝鎰林，李榮峰，周柯成，谷志新

（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

微粉碎是指粉碎成品粒度為10～100μm的粉碎技術(shù)[1]。秸稈微粉碎后可以作為木塑復(fù)合材料、絕緣材料等多種產(chǎn)品的基質(zhì)原料，也可以提取木質(zhì)素、纖維素等營(yíng)養(yǎng)成分，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)精細(xì)化利用，使其不再局限于供熱、飼料等低附加值領(lǐng)域，最終達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的[2]，[3]。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)秸稈粉碎技術(shù)和設(shè)備展開了研究。褚斌[4]研發(fā)了適用于藤莖類秸稈的大型立式粉碎機(jī)，該粉碎機(jī)采用雙級(jí)串聯(lián)錘片粉碎方式，出料粒度低于2 cm。祝志芳[5]設(shè)計(jì)的新型斬切式稻桿粉碎機(jī)，采用斬刀初切結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)刀輥和粉碎腔壁揉搓、撞擊的粉碎方式，可將秸稈粉碎至1 cm以下。Phani Adapa[6]先采用蒸汽爆破預(yù)處理改善生物質(zhì)原料的粉碎性能，再結(jié)合沖擊式粉碎的方式，使出料粒度為1.6 mm。賀強(qiáng)[7]研發(fā)的農(nóng)作物秸稈超細(xì)顆粒制備裝置，采用先經(jīng)過(guò)動(dòng)刀和定刀鍘切粗粉碎，后經(jīng)過(guò)錘片和齒板搓擦、擊打粉碎的組合式粉碎方式，使出料粒度為74μm。鐘聲標(biāo)[8]設(shè)計(jì)的玉米秸稈超微粉碎機(jī)采用螺旋齒刀剪切、偏心擠壓及撞擊的粉碎方式，可將入料粒徑小于10目的秸稈粉碎至400目。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的規(guī)?；斩挿鬯樵O(shè)備多為秸稈還田粉碎機(jī)、飼料產(chǎn)業(yè)的粉碎揉搓機(jī)等粗粉碎設(shè)備，存在粉碎粒度大、刀具磨損快、能耗高和產(chǎn)量低的問(wèn)題。目前，有關(guān)秸稈微粉碎機(jī)的研究較少，且現(xiàn)有的秸稈微粉碎機(jī)不能兼顧細(xì)粉碎粒度和高生產(chǎn)率的要求，難以滿足規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的需求。針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論指導(dǎo)秸稈微粉碎機(jī)的概念設(shè)計(jì)，基于功能需求分析和科學(xué)效應(yīng)確定秸稈微粉碎方法；應(yīng)用TRIZ工具對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)、分級(jí)機(jī)構(gòu)、入料機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種錘擊剪切復(fù)合式秸稈微粉碎機(jī)。

1 TRIZ簡(jiǎn)介

TRIZ是一種系統(tǒng)化的、結(jié)構(gòu)化的解決發(fā)明問(wèn)題的創(chuàng)新方法學(xué)，TRIZ的解題流程（圖1）可分為4大部分[9]，[10]。第一部分為問(wèn)題描述，即明確系統(tǒng)的功能、組成結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)參數(shù)，闡明存在的問(wèn)題及問(wèn)題解決目標(biāo)。第二部分為分析問(wèn)題，可選擇的TRIZ工具有因果鏈分析、系統(tǒng)功能分析、理想解IFR（Ideal Final Result）、九屏幕法和資源分析。第三部分為應(yīng)用解題工具求解新方案，可選擇的TRIZ工具有矛盾分析、物場(chǎng)分析、小人法、科學(xué)效應(yīng)庫(kù)和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則[11]。第四部分為方案評(píng)價(jià)，即對(duì)所有概念方案從經(jīng)濟(jì)性、可實(shí)施性和先進(jìn)性等多方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選最終實(shí)施方案。

圖1 TRIZ的解題流程Fig.1 Problem solving process of TRIZ

2 秸稈微粉碎機(jī)功能需求分析及微粉碎方法確定

2.1 秸稈微粉碎機(jī)功能需求分析

秸稈微粉碎機(jī)的主要功能為粉碎秸稈，輔助功能為分離秸稈微粉料、輸送秸稈混料進(jìn)入微粉碎室等。本文應(yīng)用TRIZ工具確定秸稈微粉碎方法，并針對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)、分級(jí)機(jī)構(gòu)和入料機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.2 基于科學(xué)效應(yīng)的秸稈微粉碎方法確定

①泛化功能:減小物料尺寸。

②效應(yīng)查找和篩選:在文獻(xiàn)[12]的科學(xué)效應(yīng)總庫(kù)中尋找能減小物料尺寸的效應(yīng)并進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)（表1）。

表1 科學(xué)效應(yīng)Table 1 Scientific effect

③微粉碎方法的確定:基于化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)的粉碎方法存在效率低，粉碎粒度不可控的問(wèn)題。基于物理效應(yīng)的粉碎方法具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、不產(chǎn)生污染性物質(zhì)和化學(xué)垃圾的優(yōu)點(diǎn)。在物理效應(yīng)中，攪拌不適用于質(zhì)量輕，韌性大的秸稈物料；研磨的效率較低，不適宜規(guī)?；a(chǎn)；超聲波用于秸稈粉碎，成本過(guò)高。綜上，確定秸稈微粉碎方法為沖擊式。

3 基于TRIZ的秸稈微粉碎機(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)過(guò)文獻(xiàn)檢索和市場(chǎng)調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)沖擊式微粉機(jī)的粉碎盤轉(zhuǎn)速高、入風(fēng)量大，適用于加工化工原料、橡膠、中藥、飼料等熱敏性物料和纖維性物料[13]。但是，將其應(yīng)用于纖維狀秸稈時(shí)，存在原料適應(yīng)性差、粉碎效率低的問(wèn)題，所以本文擬以沖擊式微粉機(jī)為原型進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。

沖擊式微粉機(jī)的工作原理如圖2所示。物料經(jīng)過(guò)螺旋進(jìn)料器進(jìn)入機(jī)架與導(dǎo)流環(huán)之間的粉碎室，在粉碎室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)錘盤的沖擊下，撞擊定子內(nèi)圈而被粉碎，粉碎后的物料在氣流的吸力作用下，符合粒度要求的物料克服粉粒自重越過(guò)導(dǎo)流環(huán)進(jìn)入分級(jí)室；當(dāng)吸力大于離心力和重力時(shí)，微粉粒從分級(jí)葉輪的葉片間隙通過(guò)，并被收集；其余物料沿導(dǎo)流環(huán)落在粉碎室被重復(fù)粉碎[13]。

圖2 沖擊式微粉機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the micro-grinder with impacting

3.2 粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉碎機(jī)構(gòu)的作用是將秸稈混料的尺寸減小到300目以上。針對(duì)沖擊式微粉機(jī)粉碎粒度大的問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ工具中的因果鏈分析、九屏幕法和IFR對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 因果鏈分析

通過(guò)粉碎機(jī)構(gòu)因果鏈分析（圖3），得到8個(gè)導(dǎo)致沖擊式微粉機(jī)粉碎效率低的原因節(jié)點(diǎn)，為粉碎機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和求解提供了方向。

圖3 粉碎機(jī)構(gòu)因果鏈分析Fig.3 Cause-effect chains analysis of the crushing mechanism

3.2.2 九屏幕法求解

TRIZ中的九屏幕法從時(shí)間和系統(tǒng)兩個(gè)維度對(duì)問(wèn)題系統(tǒng)的現(xiàn)狀、過(guò)去和未來(lái)進(jìn)行分析，以此突破對(duì)問(wèn)題系統(tǒng)的認(rèn)知局限，尋找更多的解題資源。通過(guò)對(duì)沖擊式微粉機(jī)的九屏幕分析（圖4），提出2個(gè)概念方案。

圖4 沖擊式微粉機(jī)九屏圖Fig.4 9 screen approach of the micro-grinder with impacting

由子系統(tǒng)未來(lái)資源提出概念方案1（圖5）:在錘盤內(nèi)圈添加剪切刀具，使物料受到?jīng)_擊和剪切復(fù)合粉碎作用。

圖5 動(dòng)刀盤示意圖Fig.5 Schematic diagram of the moving cutterhead

由子系統(tǒng)的未來(lái)資源提出概念方案2（圖6）:添加帶有切削刀具的定刀盤，增強(qiáng)對(duì)物料的剪切粉碎作用。

圖6 定刀盤示意圖Fig.6 Schematic diagram of the fixed cutterhead

3.2.3 IFR求解

IFR是一種突破固有思維慣性的解決問(wèn)題工具。應(yīng)用IFR的解題流程如下所示。

①設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是什么?秸稈粉碎至300目以上且生產(chǎn)率達(dá)600 kg/h。

②最終理想解是什么?秸稈原料自己減少尺寸到需要的粒度。

③達(dá)到理想解的障礙是什么?秸稈沒有動(dòng)力系統(tǒng)，不能產(chǎn)生剪切、摩擦和沖擊作用。

④出現(xiàn)這種障礙的原因是什么?秸稈顆粒自身特性；沒有額外的動(dòng)力系統(tǒng)。

⑤不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么?改變秸稈特性；使用機(jī)械結(jié)構(gòu)給秸稈顆粒施加作用力。

⑥創(chuàng)造這些條件所用的資源是什么?物質(zhì)資源:秸稈原料、錘盤和定子內(nèi)圈；能量資源:風(fēng)能、機(jī)械能和磁場(chǎng)；參數(shù)資源:形狀、濕度、溫度和速度。

由物質(zhì)資源中“錘盤”提出概念方案3:將兩個(gè)錘盤相對(duì)安裝在反向旋轉(zhuǎn)的軸上，增加對(duì)秸稈的研磨粉碎作用。

由物質(zhì)資源中“定子內(nèi)圈”提出概念方案4:將定子內(nèi)圈與秸稈混料沖擊處改為鋸齒狀結(jié)構(gòu)，增加有效撞擊面積。

由參數(shù)資源中“濕度”提出概念方案5:秸稈混料經(jīng)烘干預(yù)處理或在入料口安裝烘干裝置，使秸稈保持干燥，更容易被粉碎。

3.2.4 粉碎機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖7為粉碎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。粉碎機(jī)構(gòu)由沖擊錘頭、動(dòng)刀盤、齒圈、剪切刀具、定刀、定刀盤和粉碎軸組成。秸稈混料由定刀盤中心進(jìn)入微粉碎室，先在定刀盤內(nèi)圈的定刀和剪切刀具的作用下被剪切粉碎，之后在離心力作用下運(yùn)動(dòng)到定刀盤外圈，最后在沖擊錘頭和齒圈作用下被撞擊、摩擦粉碎。

圖7 粉碎機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the crushing mechanism

3.3 分級(jí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分級(jí)機(jī)構(gòu)的作用是將符合粒度要求的秸稈微粉料和秸稈混料分離開，便于秸稈微粉料的收集。本文應(yīng)用TRIZ工具中的系統(tǒng)功能分析和技術(shù)矛盾對(duì)分級(jí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3.1 系統(tǒng)功能分析求解

技術(shù)系統(tǒng)名稱:分級(jí)機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)功能:分離秸稈混料和秸稈微粉料。系統(tǒng)作用對(duì)象:秸稈混料和秸稈微粉料。

系統(tǒng)組件:電機(jī)、主軸、氣流、導(dǎo)流環(huán)、分級(jí)葉輪、錘盤和定子內(nèi)圈。

超系統(tǒng)組件:機(jī)架和風(fēng)機(jī)。

分析功能對(duì)象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件間的作用關(guān)系，建立如圖8所示的分級(jí)機(jī)構(gòu)功能模型。

圖8 分級(jí)機(jī)構(gòu)功能模型Fig.8 Function model of the screening mechanism

由系統(tǒng)功能分析提出概念方案6:將分級(jí)葉輪安裝在分級(jí)軸上，錘盤安裝在粉碎軸上，兩軸轉(zhuǎn)速不同，從而滿足粉碎和分級(jí)的不同轉(zhuǎn)速要求。

3.3.2 技術(shù)矛盾分析求解

確定待解決的技術(shù)矛盾發(fā)生在分離秸稈微粉料量增加與定子內(nèi)圈和錘盤對(duì)秸稈混料的粉碎力降低之間，發(fā)生在減小主軸轉(zhuǎn)速的時(shí)候。

查找發(fā)生技術(shù)矛盾的參數(shù):改善的參數(shù)是NO.26-物質(zhì)的量；惡化的參數(shù)是NO.10-力。查找矛盾矩陣表，得到推薦的創(chuàng)新原理為NO.35-物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼O.14-曲面化原理和NO.03-局部質(zhì)量原理。

應(yīng)用NO.35-物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)硖岢龈拍罘桨?:在分級(jí)軸上安裝抽吸扇葉，增大出料口的吸力，加快分離速度。

應(yīng)用NO.14-曲面化原理提出概念方案8:設(shè)計(jì)曲面形狀的葉片，在分級(jí)葉輪高度一定的情況下，增加葉片有效分離長(zhǎng)度。

3.3.3 分級(jí)機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖9為分級(jí)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。分級(jí)機(jī)構(gòu)由分級(jí)室、分級(jí)軸、連接螺栓、抽吸扇葉、微粉碎室、分級(jí)葉輪、橫梁和導(dǎo)流環(huán)組成。粉碎之后的秸稈混料在三級(jí)抽吸扇葉和分級(jí)葉輪產(chǎn)生的吸力和離心力作用下越過(guò)導(dǎo)流環(huán)進(jìn)入分級(jí)室，符合粒度要求的秸稈微粉料經(jīng)過(guò)分級(jí)葉輪被收集，不符合粒度要求的物料沿導(dǎo)流環(huán)內(nèi)壁落回微粉碎室。

圖9 分級(jí)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the screening mechanism

3.4 入料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

入料機(jī)構(gòu)的作用是將秸稈混料輸送至微粉碎室。本文應(yīng)用TRIZ工具中的功能裁剪和資源分析對(duì)入料機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4.1 功能裁剪求解

功能裁剪是現(xiàn)代TRIZ中分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工具之一，可以通過(guò)系統(tǒng)功能裁剪來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品朝著簡(jiǎn)化的方向進(jìn)化。

選擇功能裁剪組件:喂料器。

功能裁剪依據(jù):喂料器對(duì)秸稈混料的輸送能力不足。

分析其有用功能:輸送秸稈混料進(jìn)入粉碎室。

應(yīng)用功能裁剪規(guī)則“問(wèn)題組件的功能由功能對(duì)象自己實(shí)現(xiàn)”[12]，提出概念方案9:將螺旋進(jìn)料器的有用功能由風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流替代，在主軸上安裝風(fēng)扇，使得秸稈混料在負(fù)壓空氣的作用下進(jìn)入粉碎室。

3.4.2 資源分析求解

資源是一切可被人類開發(fā)和利用的物質(zhì)、能量和信息以及其他系統(tǒng)中能夠用來(lái)解決問(wèn)題的一切事物的總稱，充分利用資源是提高系統(tǒng)理想度的重要手段之一。對(duì)沖擊式微粉機(jī)進(jìn)行資源分析，結(jié)果如表2所示。

表2 資源分析Table 2 Resource analysis list

由超系統(tǒng)的能量資源“重力場(chǎng)”提出概念方案10:采用重力垂直下落喂料方式。

由子系統(tǒng)的能量資源“風(fēng)場(chǎng)”提出概念方案11:在入料室安裝整流罩，增強(qiáng)氣流輸送效果。

由超系統(tǒng)的功能資源“斂撿功能”提出概念方案12:安裝自動(dòng)喂料的機(jī)械手，提高自動(dòng)化程度。

3.4.3 入料機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖10為入料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。入料機(jī)構(gòu)由橫梁、粉碎軸、入料室、入料口、進(jìn)風(fēng)口、負(fù)壓風(fēng)扇和整流罩組成。秸稈原料在重力作用下豎直下落，之后在負(fù)壓風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力作用下進(jìn)入入料室，之后在整流罩的導(dǎo)流作用下，進(jìn)入微粉碎室。

圖10 入料機(jī)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the feeding mechanism

4 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

綜合各概念解，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種如圖11所示的錘擊剪切復(fù)合式秸稈微粉碎機(jī)[14]。入料粒度小于1 mm的秸稈原料，通過(guò)負(fù)壓風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓氣流被吸進(jìn)入料室，繼而進(jìn)入微粉碎室，秸稈混料經(jīng)過(guò)定刀盤內(nèi)圈時(shí)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剪切刀具與定刀之間被剪切、撞擊粉碎；當(dāng)秸稈混料在離心力作用下運(yùn)動(dòng)到定刀盤外圈時(shí)，秸稈混料在高速運(yùn)動(dòng)的沖擊錘頭和齒圈間被沖擊、摩擦粉碎；微粉碎后的秸稈在分級(jí)葉輪和抽吸扇葉產(chǎn)生的氣流作用下越過(guò)導(dǎo)流環(huán)，粒度符合要求的微粉體通過(guò)分級(jí)葉輪后從出料口排出，不符合要求的粉體沿著導(dǎo)流環(huán)內(nèi)壁落回微粉碎室被繼續(xù)粉碎。

圖11 錘擊剪切復(fù)合式秸稈微粉碎機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Three-dimensional structural diagram of the hammershearing compound straw micro-grinder

5 結(jié)論

秸稈微粉碎后可作為新型節(jié)能環(huán)保原料，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)精細(xì)化利用。本文基于TRIZ理論進(jìn)行秸稈微粉機(jī)的概念設(shè)計(jì)，提出了一種定刀、動(dòng)刀剪切和錘頭、齒圈沖擊復(fù)合的粉碎方式，更適于秸稈物料的微粉碎處理；采用分級(jí)葉輪結(jié)合風(fēng)力抽吸的分級(jí)方式，以提高篩分效率避免出料堵塞；采用真空負(fù)壓重力喂料結(jié)合自主風(fēng)力輸送的入料方法，以簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)、降低粉碎室溫度。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用TRIZ理論，可以彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足，輔助設(shè)計(jì)人員獲得高質(zhì)量、多維度的創(chuàng)新方案。