基于TRIZ的锤击剪切复合式秸秆微粉碎机概念设计

付敏，李萌，郝镒林，李荣峰，周柯成，谷志新

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

0 引言

微粉碎是指粉碎成品粒度为10～100μm的粉碎技术[1]。秸秆微粉碎后可以作为木塑复合材料、绝缘材料等多种产品的基质原料，也可以提取木质素、纤维素等营养成分，从而实现高品质精细化利用，使其不再局限于供热、饲料等低附加值领域，最终达到节约资源、保护环境的目的[2]，[3]。

相关学者针对秸秆粉碎技术和设备展开了研究。褚斌[4]研发了适用于藤茎类秸秆的大型立式粉碎机，该粉碎机采用双级串联锤片粉碎方式，出料粒度低于2 cm。祝志芳[5]设计的新型斩切式稻杆粉碎机，采用斩刀初切结合高速旋转刀辊和粉碎腔壁揉搓、撞击的粉碎方式，可将秸秆粉碎至1 cm以下。Phani Adapa[6]先采用蒸汽爆破预处理改善生物质原料的粉碎性能，再结合冲击式粉碎的方式，使出料粒度为1.6 mm。贺强[7]研发的农作物秸秆超细颗粒制备装置，采用先经过动刀和定刀铡切粗粉碎，后经过锤片和齿板搓擦、击打粉碎的组合式粉碎方式，使出料粒度为74μm。钟声标[8]设计的玉米秸秆超微粉碎机采用螺旋齿刀剪切、偏心挤压及撞击的粉碎方式，可将入料粒径小于10目的秸秆粉碎至400目。

市场上现有的规模化秸秆粉碎设备多为秸秆还田粉碎机、饲料产业的粉碎揉搓机等粗粉碎设备，存在粉碎粒度大、刀具磨损快、能耗高和产量低的问题。目前，有关秸秆微粉碎机的研究较少，且现有的秸秆微粉碎机不能兼顾细粉碎粒度和高生产率的要求，难以满足规模化、产业化的需求。针对上述问题，本文基于TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理论指导秸秆微粉碎机的概念设计，基于功能需求分析和科学效应确定秸秆微粉碎方法；应用TRIZ工具对粉碎机构、分级机构、入料机构进行设计，创新设计了一种锤击剪切复合式秸秆微粉碎机。

1 TRIZ简介

TRIZ是一种系统化的、结构化的解决发明问题的创新方法学，TRIZ的解题流程（图1）可分为4大部分[9]，[10]。第一部分为问题描述，即明确系统的功能、组成结构、相关技术参数，阐明存在的问题及问题解决目标。第二部分为分析问题，可选择的TRIZ工具有因果链分析、系统功能分析、理想解IFR（Ideal Final Result）、九屏幕法和资源分析。第三部分为应用解题工具求解新方案，可选择的TRIZ工具有矛盾分析、物场分析、小人法、科学效应库和技术系统进化法则[11]。第四部分为方案评价，即对所有概念方案从经济性、可实施性和先进性等多方面进行评价，筛选最终实施方案。

图1 TRIZ的解题流程Fig.1 Problem solving process of TRIZ

2 秸秆微粉碎机功能需求分析及微粉碎方法确定

2.1 秸秆微粉碎机功能需求分析

秸秆微粉碎机的主要功能为粉碎秸秆，辅助功能为分离秸秆微粉料、输送秸秆混料进入微粉碎室等。本文应用TRIZ工具确定秸秆微粉碎方法，并针对粉碎机构、分级机构和入料机构进行创新设计。

2.2 基于科学效应的秸秆微粉碎方法确定

①泛化功能:减小物料尺寸。

②效应查找和筛选:在文献[12]的科学效应总库中寻找能减小物料尺寸的效应并进行适用性评价（表1）。

表1 科学效应Table 1 Scientific effect

③微粉碎方法的确定:基于化学效应和生物效应的粉碎方法存在效率低，粉碎粒度不可控的问题。基于物理效应的粉碎方法具有操作简单、反应速度快、不产生污染性物质和化学垃圾的优点。在物理效应中，搅拌不适用于质量轻，韧性大的秸秆物料；研磨的效率较低，不适宜规模化生产；超声波用于秸秆粉碎，成本过高。综上，确定秸秆微粉碎方法为冲击式。

3 基于TRIZ的秸秆微粉碎机概念设计

3.1 原型系统工作原理及存在的问题

经过文献检索和市场调研，笔者发现冲击式微粉机的粉碎盘转速高、入风量大，适用于加工化工原料、橡胶、中药、饲料等热敏性物料和纤维性物料[13]。但是，将其应用于纤维状秸秆时，存在原料适应性差、粉碎效率低的问题，所以本文拟以冲击式微粉机为原型进行改进创新。

冲击式微粉机的工作原理如图2所示。物料经过螺旋进料器进入机架与导流环之间的粉碎室，在粉碎室内高速旋转锤盘的冲击下，撞击定子内圈而被粉碎，粉碎后的物料在气流的吸力作用下，符合粒度要求的物料克服粉粒自重越过导流环进入分级室；当吸力大于离心力和重力时，微粉粒从分级叶轮的叶片间隙通过，并被收集；其余物料沿导流环落在粉碎室被重复粉碎[13]。

图2 冲击式微粉机结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the micro-grinder with impacting

3.2 粉碎机构设计

粉碎机构的作用是将秸秆混料的尺寸减小到300目以上。针对冲击式微粉机粉碎粒度大的问题，应用TRIZ工具中的因果链分析、九屏幕法和IFR对粉碎机构进行设计。

3.2.1 因果链分析

通过粉碎机构因果链分析（图3），得到8个导致冲击式微粉机粉碎效率低的原因节点，为粉碎机构的设计和求解提供了方向。

图3 粉碎机构因果链分析Fig.3 Cause-effect chains analysis of the crushing mechanism

3.2.2 九屏幕法求解

TRIZ中的九屏幕法从时间和系统两个维度对问题系统的现状、过去和未来进行分析，以此突破对问题系统的认知局限，寻找更多的解题资源。通过对冲击式微粉机的九屏幕分析（图4），提出2个概念方案。

图4 冲击式微粉机九屏图Fig.4 9 screen approach of the micro-grinder with impacting

由子系统未来资源提出概念方案1（图5）:在锤盘内圈添加剪切刀具，使物料受到冲击和剪切复合粉碎作用。

图5 动刀盘示意图Fig.5 Schematic diagram of the moving cutterhead

由子系统的未来资源提出概念方案2（图6）:添加带有切削刀具的定刀盘，增强对物料的剪切粉碎作用。

图6 定刀盘示意图Fig.6 Schematic diagram of the fixed cutterhead

3.2.3 IFR求解

IFR是一种突破固有思维惯性的解决问题工具。应用IFR的解题流程如下所示。

①设计的最终目标是什么?秸秆粉碎至300目以上且生产率达600 kg/h。

②最终理想解是什么?秸秆原料自己减少尺寸到需要的粒度。

③达到理想解的障碍是什么?秸秆没有动力系统，不能产生剪切、摩擦和冲击作用。

④出现这种障碍的原因是什么?秸秆颗粒自身特性；没有额外的动力系统。

⑤不出现这种障碍的条件是什么?改变秸秆特性；使用机械结构给秸秆颗粒施加作用力。

⑥创造这些条件所用的资源是什么?物质资源:秸秆原料、锤盘和定子内圈；能量资源:风能、机械能和磁场；参数资源:形状、湿度、温度和速度。

由物质资源中“锤盘”提出概念方案3:将两个锤盘相对安装在反向旋转的轴上，增加对秸秆的研磨粉碎作用。

由物质资源中“定子内圈”提出概念方案4:将定子内圈与秸秆混料冲击处改为锯齿状结构，增加有效撞击面积。

由参数资源中“湿度”提出概念方案5:秸秆混料经烘干预处理或在入料口安装烘干装置，使秸秆保持干燥，更容易被粉碎。

3.2.4 粉碎机构组成及工作原理

图7为粉碎机构的结构示意图。粉碎机构由冲击锤头、动刀盘、齿圈、剪切刀具、定刀、定刀盘和粉碎轴组成。秸秆混料由定刀盘中心进入微粉碎室，先在定刀盘内圈的定刀和剪切刀具的作用下被剪切粉碎，之后在离心力作用下运动到定刀盘外圈，最后在冲击锤头和齿圈作用下被撞击、摩擦粉碎。

图7 粉碎机构示意图Fig.7 Schematic diagram of the crushing mechanism

3.3 分级机构设计

分级机构的作用是将符合粒度要求的秸秆微粉料和秸秆混料分离开，便于秸秆微粉料的收集。本文应用TRIZ工具中的系统功能分析和技术矛盾对分级机构进行设计。

3.3.1 系统功能分析求解

技术系统名称:分级机构。

系统功能:分离秸秆混料和秸秆微粉料。系统作用对象:秸秆混料和秸秆微粉料。

系统组件:电机、主轴、气流、导流环、分级叶轮、锤盘和定子内圈。

超系统组件:机架和风机。

分析功能对象、系统组件和超系统组件间的作用关系，建立如图8所示的分级机构功能模型。

图8 分级机构功能模型Fig.8 Function model of the screening mechanism

由系统功能分析提出概念方案6:将分级叶轮安装在分级轴上，锤盘安装在粉碎轴上，两轴转速不同，从而满足粉碎和分级的不同转速要求。

3.3.2 技术矛盾分析求解

确定待解决的技术矛盾发生在分离秸秆微粉料量增加与定子内圈和锤盘对秸秆混料的粉碎力降低之间，发生在减小主轴转速的时候。

查找发生技术矛盾的参数:改善的参数是NO.26-物质的量；恶化的参数是NO.10-力。查找矛盾矩阵表，得到推荐的创新原理为NO.35-物理或化学参数改变原理、NO.14-曲面化原理和NO.03-局部质量原理。

应用NO.35-物理或化学参数改变原理提出概念方案7:在分级轴上安装抽吸扇叶，增大出料口的吸力，加快分离速度。

应用NO.14-曲面化原理提出概念方案8:设计曲面形状的叶片，在分级叶轮高度一定的情况下，增加叶片有效分离长度。

3.3.3 分级机构组成及工作原理

图9为分级机构的结构示意图。分级机构由分级室、分级轴、连接螺栓、抽吸扇叶、微粉碎室、分级叶轮、横梁和导流环组成。粉碎之后的秸秆混料在三级抽吸扇叶和分级叶轮产生的吸力和离心力作用下越过导流环进入分级室，符合粒度要求的秸秆微粉料经过分级叶轮被收集，不符合粒度要求的物料沿导流环内壁落回微粉碎室。

图9 分级机构示意图Fig.9 Schematic diagram of the screening mechanism

3.4 入料机构设计

入料机构的作用是将秸秆混料输送至微粉碎室。本文应用TRIZ工具中的功能裁剪和资源分析对入料机构进行设计。

3.4.1 功能裁剪求解

功能裁剪是现代TRIZ中分析问题和解决问题的工具之一，可以通过系统功能裁剪来实现产品朝着简化的方向进化。

选择功能裁剪组件:喂料器。

功能裁剪依据:喂料器对秸秆混料的输送能力不足。

分析其有用功能:输送秸秆混料进入粉碎室。

应用功能裁剪规则“问题组件的功能由功能对象自己实现”[12]，提出概念方案9:将螺旋进料器的有用功能由风扇产生的气流替代，在主轴上安装风扇，使得秸秆混料在负压空气的作用下进入粉碎室。

3.4.2 资源分析求解

资源是一切可被人类开发和利用的物质、能量和信息以及其他系统中能够用来解决问题的一切事物的总称，充分利用资源是提高系统理想度的重要手段之一。对冲击式微粉机进行资源分析，结果如表2所示。

表2 资源分析Table 2 Resource analysis list

由超系统的能量资源“重力场”提出概念方案10:采用重力垂直下落喂料方式。

由子系统的能量资源“风场”提出概念方案11:在入料室安装整流罩，增强气流输送效果。

由超系统的功能资源“敛捡功能”提出概念方案12:安装自动喂料的机械手，提高自动化程度。

3.4.3 入料机构组成及工作原理

图10为入料机构的结构示意图。入料机构由横梁、粉碎轴、入料室、入料口、进风口、负压风扇和整流罩组成。秸秆原料在重力作用下竖直下落，之后在负压风扇高速旋转产生的吸力作用下进入入料室，之后在整流罩的导流作用下，进入微粉碎室。

图10 入料机构示意图Fig.10 Schematic diagram of the feeding mechanism

4 整机结构及工作原理

综合各概念解，本文创新设计了一种如图11所示的锤击剪切复合式秸秆微粉碎机[14]。入料粒度小于1 mm的秸秆原料，通过负压风扇产生的负压气流被吸进入料室，继而进入微粉碎室，秸秆混料经过定刀盘内圈时，在相对运动的剪切刀具与定刀之间被剪切、撞击粉碎；当秸秆混料在离心力作用下运动到定刀盘外圈时，秸秆混料在高速运动的冲击锤头和齿圈间被冲击、摩擦粉碎；微粉碎后的秸秆在分级叶轮和抽吸扇叶产生的气流作用下越过导流环，粒度符合要求的微粉体通过分级叶轮后从出料口排出，不符合要求的粉体沿着导流环内壁落回微粉碎室被继续粉碎。

图11 锤击剪切复合式秸秆微粉碎机三维结构示意图Fig.11 Three-dimensional structural diagram of the hammershearing compound straw micro-grinder

5 结论

秸秆微粉碎后可作为新型节能环保原料，实现高品质精细化利用。本文基于TRIZ理论进行秸秆微粉机的概念设计，提出了一种定刀、动刀剪切和锤头、齿圈冲击复合的粉碎方式，更适于秸秆物料的微粉碎处理；采用分级叶轮结合风力抽吸的分级方式，以提高筛分效率避免出料堵塞；采用真空负压重力喂料结合自主风力输送的入料方法，以简化整机结构、降低粉碎室温度。在产品概念设计阶段应用TRIZ理论，可以弥补经验设计的不足，辅助设计人员获得高质量、多维度的创新方案。