基于TRIZ理论的FT651叶片垂直分片机分片刀驱动系统改造

文/河南中烟工业有限责任公司安阳卷烟厂 孟瑾中国烟草总公司职工进修学院 王德吉

1 前言

叶片垂直分片机是烟草行业制丝生产线叶片段的关键设备，位于真空回潮机的前段，功能是将经过打叶复烤、醇化、拆包后的烟垛逐刀均切成片，以利于后道工序的处理[1]。

FT651叶片垂直分片机采用“两刀五片”分片模式，双联气缸带动横移动架左右移动，实现刀尖的定位；电机通过传动链带动纵移动架上下运动，完成分切，实现分片功能[2]。经调查，在生产过程中，经常出现烟垛切分不均匀，造成切分后烟块的大块率过高、影响真空回潮效果的现象；同时，刀柄固定部位和分片刀移动架产生严重变形，每年需更换两组刀片。为此，我们以TRIZ 创新理论为指导，探索解决垂直分片机烟垛切分不均匀及移动架产生变形问题的方法。

2 TRIZ 理论的应用

TRIZ理论以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学和思维科学的研究成果为根基和支柱，以技术系统进化法则为理论基础，包括了技术系统和技术过程、（技术系统进化过程中产生的）矛盾、（解决矛盾所用的）资源、（技术系统的进化方向）理想化等基本概念[3]。图1所示为TRIZ理论基本体系结构，提供了分析工程问题所需的方法，包括矛盾分析、功能分析、资源分析和物场分析等，同时还提供了相应的问题求解工具，包括技术矛盾创新原理、物理矛盾分离原理、科学原理知识库和发明问题标准解法等[4]。TRIZ理论针对复杂问题的求解提供了发明问题解决算法（ARIZ），同时TRIZ理论还包括了一些创新思维的方法，例如九屏幕法、智能小人法、金鱼法等等。

TRIZ理论的核心是技术系统进化原理：技术系统根据客观发展规律进行自我发展，这些客观规律是可以被认识的，并可利用这一客观规律有意识的解决发明问题。按这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是进化的推动力[5]。其求解过程如图2所示：

图2 TRIZ解决问题的过程

图1 TRIZ理论基本体系结构

从TRIZ解决问题的过程可以看出，TRIZ的求解过程是基于标准问题的标准解，可以用39个工程参数将实际遇到的问题表达成为标准问题所描述的矛盾解决矩阵，然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、标准解等，求出该TRIZ问题的标准解，最后在标准解的基础上，将其具体化得到实际问题的新原理解（新概念）[6]。

3 基于TRIZ理论的FT651叶片垂直分片机分片刀驱动系统改造

3.1 设备现状及问题

FT651叶片垂直分片机工作流程为：当装有待分片烟垛的周转箱到达分切位置定位后,夹紧装置夹紧周转箱；纵移动架下行令位于左右相距约425mm的两排切刀插入烟垛；随后汽缸动作，分切装置的两排切刀把切开的烟片分开一定距离，纵移动架和切刀上行回位；在汽缸的作用下，两排切刀移动到相距145mm的位置后再次下行，切刀插入位于周转箱中间的未分片的烟垛内将烟垛分片，最终整个烟垛被分成五部分，之后纵移动架和切刀上行回位[7]。

图3 改造前分切刀驱动系统示意图

如图3所示，由于分片刀驱动系统中用于控制分片刀位置的双联气缸行程不可调整，因此分片刀刀距不可调整。进行第二刀分片时，双联气缸活塞杆全部伸出完成定位后，刀体内侧间的间距仅为80mm，烟坯被夹在刀柄内侧强行挤压至周转箱底部，导致分片不均匀，分切效果差，而且底部烟叶因挤压产生结块。同时，因分片刀夹着烟坯强行下行会产生巨大的反作用力，造成刀柄固定部位和分片刀驱动系统的机架严重变形，影响设备正常使用，降低设备使用寿命。

我们需要解决的就是在进行第二刀分切时，使分片刀夹着烟坯能够顺利下行，烟坯不再受到强行挤压。在改造过程中要保证改动最小、整体分片效果及整个系统的安全性。

3.2 确定矛盾双方

烟坯之所以会被夹在刀柄内侧遭受强行挤压，是由于在进行第二刀分切时，刀体内侧间的间距太小，而用于控制分片刀位置的双联气缸行程无法调整，因此，需采取两项工作：1）改变气缸结构，使气缸伸长量实现可控；2）增加电气控制，并保证系统的安全性。将矛盾双方转化为TRIZ语言，即TRIZ理论为工程问题的矛盾双方分别提供的39个参数。即将实现气缸伸长量可控转化为提高自动化程度，将增加电气控制、保证系统的安全性转化为可靠性及增加系统的复杂性。

3.3 矛盾矩阵的建立

在TRIZ矛盾矩阵列表中，从改善的特征中寻找到自动化程度，对应的编号为38；在恶化的特征中寻找到可靠性及系统的复杂性，对应的编号为27和36。矛盾双方组成冲突矩阵，如表1所示。

该矩阵表达了TRIZ提示的改进原理。通过查找表1冲突特性交汇处各编号所对应的原理，结合问题实际情况，拟采用编号为15,24所对应的发明原理，其创新思维方向如表2所示。

3.4 TRIZ方案的实施

根据冲突矩阵所提供的创新思维方向，我们对FT651叶片垂直分片机分片刀驱动系统进行改造。

1）要想使气缸伸长量实现可控，则必须改变气缸结构。采用动态特性原理中“使不动的物体可动或可自适应”的想法，在图1所示的分片机进料端分叉左气缸2和出料端分叉右气缸2上各安装一个SMC IP8101智能型定位器，用自制的安装板和固定件将双联气缸和智能型电气定位器整合为一体，实现气缸活塞杆伸长量在0～160mm内可调，改造后的分切刀驱动系统示意图如图4所示。

表1：FT651叶片垂直分片机分片刀驱动系统改造的冲突矩阵

表2：冲突解决原理

图4 改造后分切刀驱动系统示意图

2) 由创新思维方向的中介原理中采用“使用中介物传递或完成所需动作”的想法，改造压缩空气管路和控制线路，新增2个模拟量输出模块用于分叉气缸开度的设定，2个模拟量输入模块用于分叉气缸实际开度的反馈，并通过编程实现预设功能，使分切机第一刀分切模式不变，第二刀分切时，电气定位器根据操作人员在操作面板上设定的活塞杆伸长量控制气缸伸缩，来调节相对应切片刀刀体内侧之间的间距，对刀尖进行精确定位，彻底解决切片刀夹烟坯现象，实现烟坯的顺利分切。垂直分片机参数设置界面如图5所示。

4 应用效果

图5 改造后垂直分片机参数设置界面

通过此次改造，采用智能型电气定位器配合原气缸使用，使气缸活塞杆的伸长量可调，实现了分切刀间距无极可调、精确定位，分切过程中分切刀下行顺畅，解决了分切刀夹烟坯强行下行问题，杜绝了烟叶结块的产生，达到了烟坯分片均匀的目的，有效提升了真空回潮机的回透率。同时，减少了分片过程中因阻力过大产生的对刀架的反作用力，解决了刀柄固定部位和分片刀驱动系统的机架变形问题，延长了设备使用寿命，大幅减少了设备维修、维护工作量。

5 结论

TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，能够帮助我们系统地分析问题情境，快速发现问题本质或者矛盾，准确确定问题探索方向，突破思维障碍，打破思维定势，以新的视觉分析问题，进行系统思维。笔者运用TRIZ得到了FT651叶片垂直分片机分片刀驱动系统改造的创新解，实现了烟坯分片均匀的目的，延长了设备使用寿命，达到了提质降耗的目的。

[1] 张本甫.国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京:中央文献出版社,2013:11-13.

[2] 张建勋，刘俊峰. 制丝线FT651型叶片垂直分片机控制系统的改进方案[J]. 自动化应用,2012（2）：12-13，47.

[3] 根里奇·斯拉维奇·阿奇舒勒著；谭培波，茹海燕，Wenling Babbitt译. 创新算法—TRIZ、系统创新和技术创造力[M]. 湖北：华中科技大学出版社,2008.

[4] 郑称德.TRIZ理论及其设计模型[J].管理工程学报.2003,17（1）：84-87.

[5] 赵新军.技术创新理论(TRIZ)及应用[M]. 北京：化学工业出版社,2004.

[6] 刘华.基于TRIZ理论的产品概念设计方法及应用[D].南京：南京理工大学，2005.

[7] 李震宇，王迎彬，赵文龙，马剑坤. 垂直分片机分切机构技术改造[J] .中国设备工程，2013（4）：53-54.