基于TRIZ的粉末型腔填充装置创新设计

唐绍禹，吴杰，黄禹铭，邓兵兵，张辉

基于TRIZ的粉末型腔填充装置创新设计

唐绍禹，吴杰*，黄禹铭，邓兵兵，张辉

（西华大学 机械工程学院，四川 成都 610039）

根据对现有粉末型腔填充相关专利的分析，目前粉末型腔填充装置存在粉末跟随填充时间短、工作效率低、粉末阻塞的问题，运用因果分析法分析当前粉末型腔填充装置存在的不足之处，采用最终理想解（IFR）获取解决问题的理论模型，同时对模型的技术矛盾采用TRIZ理论的39个通用工程参数与40个发明原理进行分析，最终创新提出一种粉末型腔填充装置的设计方案，该设计可以增加粉末型腔填充装置的填充时间，提高其工作效率。

粉末型腔填充；TRIZ；填充时间

粉末型腔填充装置，是指将物料填充于某一个形状固定的内部，物料主要分为粉末、颗粒等，填料方式分为散装填料和规整填料，填料装置的性能主要取决于填料存在的较大空隙和较大表面积、填料层中气流的均匀分布、填料表层存在的良好均匀分布性。

对目前国内填充装置专利进行分析得知，大多数都会存在跟随时间较短、物料填充精度不高、容易造成物料堵塞、成本高等问题。于是就此问题设计了相关装置，如：伏国旺[1]设计了利用振动棒对储存仓进行振动防止粉末堵塞送料管；牛泽志[2]发明了一种利用气缸的伸缩推动拉料杯，设置手轮螺杆的旋转控制料杯高度从而实现计量准确，提高效率降低成本；李国英等[3]设计了利用弹簧将底板固定在传送带上进行灌粉，可防止粉末从高处下落而造成冲击力太大现象；以上装置分别解决在原有设备所出现的问题，但在工作效率上还是存在着比较大的问题。为此，本文利用TRIZ创新理论，重点解决粉末型腔填充装置存在粉末跟随填充时间短、工作效率低、粉末阻塞的问题。

1 TRIZ理论及IFR分析

TRIZ理论成功揭示了创造发明的原理和内在规律，它选择直接面对矛盾，从而去解决问题而不是去妥协[4-6]，图1为TRIZ理论步骤。

图1 TRIZ理论步骤

开始解决问题时，通过理想化来定义方向和位置，以保证问题在解决过程中沿着目标前进，从而得到最终理想解（Idea Final Result，IFR）。根据IFR的步骤进行分析：

（1）对现有的问题进行描述：需要将粉末进行填充，要求精度高，工作效率快。

（2）问题解决的IFR描述：要求设备简单，方便施工人员进行操作。

（3）分析现有的可利用的资源：驱动装置、传动装置、传送带。

（4）得到接近IFR的技术方案：首先通过驱动装置振动使粉末掉入型腔，其次传动装置带动传送带运输粉末，最后填充至指定位置中。

该方法是系统在原有的设施中通过最小程度的改变能够实现最大程度的服务，最终得到接近的IFR的技术方案。

2 问题剖析

2.1 选择对象

选取“粉末and灌装and传送带”为关键词进行专利检索[7]，得到与本文匹配度较高的二项专利：《一种聚合氯化铝粉末输送装置》（申请号：201721725336.X）[8]和《一种新型粉末灌装机》（申请号：201520229275.2）[3]。通过对权利要求书与发明内容的对比，发现其共有的特点与差异如下：此二种装置结构类似，都有运输装置和进料装置，其中前者还具有变频驱动装置；二者都存在跟随时间短、工作效率低的问题。但前者具有更好的驱动装置，因此本文选取《一种聚合氯化铝粉末输送装置》作为研究对象。

2.2 问题阐述

对所选对象进行分析[9]，可将其分为驱动装置、传动装置、进料装置三部分。其工作方式为：通过变频驱动装置驱动传送带运输粉末，物料在自身重力的作用下进行填料，封装部分设有压力传感器对粉末及时准确地定量并将信号传输给成品传感器，从而自动输送产品。该装置虽然提高了装粉的精度，但是仍然存在跟随时间较短、工位较少的问题。为了进一步使粉末可以持续有效地进行填充，充分保证稳定的工作速度和填充效果，本文对该设备进行详细分析并进行改进。

2.3 因果分析

对于待解决问题的原因首先需要分清因果地位，其次注重因果对应，结果是由某个原因引起的，某个原因产生了某个结果[10-11]。它们是相互一一对应的，不能混淆，最后学会循因导果、执果索因，利用不同的思维方式从不同的方向进行因果分析，有利于对技术进行第二次开发。因此本文可以根据原因和结果关系导出造成装置工作效率低下的鱼骨图，如图2所示，根据对鱼骨图的分析，可以更加直观的找出问题的原因，使其进一步完善该产品设计的功能完整性与设计合理性。图2反映出该产品结构灵活性不高、周期时间较长等问题从而降低该装置的整体工作效率。

图2 鱼骨图分析

3 基于TRIZ理论的创新设计

3.1 矛盾解决原理分析

通过对所存在的现象总结为[12-13]：力（驱动装置对料槽产生振动）与适应性及多样性（运输装置的匹配性）、运动物体的长度（物料填充的量）与物质损失（溢出的物料）、运动物体作用时间（物料填充的时间）与生产率（单位时间的工作量）、可靠性（物料准确填充至指定位置）与可操作性（出现误差及时调整）之间的矛盾。通过阿奇舒勒矛盾矩阵表，可形成本问题的子矩阵，如表1所示。

通过筛选表1中的发明原理，得到可利用的发明原理为：7（套装）、11（预先应急措施）、18（振动），所以具体方式为：①采用驱动装置只针对料箱产生振动；②传送带外设置密封块防止物料泄漏；③设置传感器，当设备填充发生错位时应及时做出调整。

表1 矛盾冲突矩阵

3.2 粉末型腔填充装置的结构设计

根据因果分析法、IFR法与矛盾解决原理剖析，最终得到问题的解决方案与装置如图3所示，提供了一种粉末型腔填充装置，通过传送带运输粉末，设置多个型腔孔使粉末持续有效地进行填充，充分保证稳定的工作速度和填充效果，解决了常规填料装置存在诸多不足。

该粉末型腔填充装置，包括填料装置和运输装置。填料装置包括密封块、传送带、料槽、电机A和振动装置，在密封块的侧面上设有安装槽，安装槽的两个槽壁分别与密封块的顶面和底面连通，安装槽的槽底与密封块的侧面连通，传送带的外壁与安装槽的槽壁接触，在传送带的内壁两端均设有带轮，带轮与传送带的内壁配合，在带轮的侧面上安装有电机B，带轮与电机B电连接，在传送带的外壁上设有若干个间隔均匀的型腔孔，料槽的底部与密封块的顶部开口配合，电机A和振动装置安装在密封块的顶部，振动装置与电机A电连接。运输装置包括底座，底座设置在密封块的底部，在底座的顶面上设有若干个间隔均匀并匀速移动的棒料。由于装置在运行过程中会存在误差，于是在密封块的侧面上安装有传感器。可以监控传送带上的型腔孔与两个棒料之间的空腔是否对应，然后再决定是否控制带轮的速度。

工作时，在装粉阶段，启动电机B使传送带开始工作，然后启动电机A使振动装置工作，使料槽中的粉末掉入传送带上的型腔孔中；在运输阶段，传送带运动将粉末运输到装置下部的密封块底部，此时装置两侧与密封块是紧密贴合状态；在填料阶段，此时型腔孔与每两个棒料之间的空腔刚好对应，在自身重力的作用下型腔孔中的粉末会掉落到空腔中；达到粉末填充的目的，同时可以保证稳定的工作速度和填充效果。

经过创新设计后该装通过设置多个型腔孔，可以使粉末持续有效地进行填充，提高了填充的跟随时间，并且充分保证稳定的工作速度和填充效果，其次设置的传感器可以监控传送带上的型腔孔与棒料之间的空腔是否对应，然后再决定是否控制带轮的速度。

1.密封块；2.料槽；3.振动装置；4.电机A；5.传送带；6.棒料A；7.棒料B；8.底座；9.带轮；10.传感器；11.电机B。

4 总结

本文采用专利检索的手段，选出与本文装置相接近的对象，其次利用因果分析法对现有填充装置所存在的问题进行分析，针对最终理想解（IFR）获取问题解决模型，再根据矛盾解决原理将装置存在的问题转换成TRIZ标准问题，对应其中的发明创新原理，很大程度改善该类装置存在的不足，提高该类设备的工作效率。本文基于TRIZ创新发明的粉末填充装置的设计思路，为解决填充装置提供了新的解决措施，对相关研究工作具有一定的参考价值。

[1]伏国旺. 一种粉末灌装装置：中国，CN201922094140.0[P]. 2020-11-28.

[2]牛泽志. 一种气动量杯填料装置：中国，CN201710206313.6[P]. 2017-03-31.

[3]李国英，杨士娟. 一种新型粉末灌装机：中国，CN20152022 9275.2[P]. 2015-04-16.

[4]林琳，李小涛，徐永利. 国内TRIZ理论及方法的研究热点及发展趋势[J]. 广东工业大学学报，2021，38（2）：11-19.

[5]吴杰，李华，姚进. 基于TRIZ的点接触弹流牵引力测试仪的创新设计[J]. 润滑与密封，2015，40（2）：80-84.

[9]杨勤，李炜烙，周艾，等. 基于TRIZ理论的行李箱创新设计[J]. 图学学报，2020，42（1）：159-163.

[7]李辉，谭润华. 专利规避设计方法[M]. 北京：高等教育出版社，2017.

[8]黄祥虎，刘丰珩，李震. 一种聚合氯化铝粉末输送装置：中国，CN201721725336.X[P]. 2017-12-13.

[9]沈萌红. TRIZ理论即机械创新实践[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

[10]朱玉杰，曹家平，高志勇. 基于TRIZ理论的智能汽车窗帘设计[J]. 重庆理工大学学报，2020，34（12）：54-58.

[11]王立新，张玉环. 基于TRIZ的动静压滑动轴承油腔结构创新设计[J]. 润滑与密封，2021，46（2）：73-78.

[12]张芳兰，杨明朗，刘卫东. 基于QFD/TRIZ集成模型的产品创新设计[J]. 制造业自动化，2014，36（7）：101-104.

[13]韩彦良. 基于TRIZ理论功能裁剪的产品创新设计[J]. 制造业自动化，2013，35（1）：150-152，156.

Innovative Design of Powder Cavity Filling Device Based on TRIZ

TANG Shaoyu，WU Jie，HUANG Yuming，DENG Bingbing，ZHANG Hui

(School of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu610039, China)

According to analysis of the existing patents related to powder cavity filling, the current device has the problems of insufficient powder filling time, low work efficiency and powder blocking. This paper analyzes the shortcomings of the current powder cavity filling device by using the causal analysis method, and obtains the theoretical model to solve the problem by using the IFR method. At the same time, t-test is used to analyze the technical contradictions of the model on the basis of the analysis of 39 general engineering parameters and 40 invention principles of TRIZ theory, finally a design scheme of powder cavity filling device is proposed, which can increase the filling time of powder cavity filling device and improve its work efficiency.

powder cavity filling；TRIZ；filling time

TH692.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.009

1006-0316 (2022) 10-0058-04

2021-09-09

西华大学人才引进项目（Z201017）

唐绍禹（1998－），男，湖南永州人，硕士研究生，主要研究方向为阻尼器的控制，E-mail：xh_tsy@163.com。

吴杰（1991－），男，四川巴中人，博士，副教授，主要研究方向为新型传动技术，E-mail：jiewu09323@mail.xhu.edu.cn。