付  敏

（东北林业大学机电工程学院 哈尔滨 150040）

摘 要：本文系统全面地应用TRIZ理论进行了林木生物质高效精细粉碎机创新设计，在对实际问题分析的基础上，进行了系统功能分析以及根本原因分析；通过技术矛盾定义和创新原理应用、物理矛盾定义和分离方法应用、物场模型建立和标准解法应用，确定了粉碎机结构创新设计方案。

关键词：TRIZ；创新；设计；粉碎机

Abstract: The innovation Design of pulverizer for forest biomasses was made with TRIZ theories in this paper, the system function analysis and root reason analysis were carried on ; through definition of the technical contradictions and application of the inventive principles, definition of physical contradictions and application of separate principle, foundation of Substance-Field model and application of standard solve,an innovative scheme of pulverize structure was made sure.

Key words : TRIZ; innovation ;design; pulverizer

0  引言

TRIZ是源于前苏联，建立在专利基础上的一门科学的创造方法学，它成功地揭示了发明创新的背后所遵循的内在规律和原理^[1]。相对于传统的创新方法，TRIZ理论的特点是：①TRIZ从不逃避产品设计与开发过程中的工程矛盾，从不采取折衷矛盾或者妥协设计的做法，它强调产品设计与开发的目标是完全解决矛盾，最终以最低的成本、最小的副作用而获得最高的产品性能（理想解）；②TRIZ是基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程，而不是随机的试错式行为，因此，基于TRIZ理论的创新成果有着无与伦比的高效率和稳定性^[2]。

经过近60年的发展，TRIZ已成为解决发明问题的强有力方法学，在世界许多国家的企业得到了广泛应用，解决了无数的工程问题^[3]。

1  林木生物质粉碎设备现状

我国有着丰富的可利用的林木生物质资源，粉碎是生物质能源利用转化的前提条件。生物质原料经过粉碎，颗粒由大变小，物料单位质量的表面积增加，可以提高物理作用及化学反应的速度。一般而言，粉碎后的生物质原料粒度越细，后期加工利用效果越好。

目前，我国生物质粉碎机主要用于粉碎作物秸秆生产动物饲料，作其他用途的粉碎机大都是参照秸秆粉碎机标准设计的，其中锤片式粉碎机因结构简单、通用性好、适应性强等优点，应用最广。锤片式粉碎机结构如图1所示。工作时，物料由进料口均匀地喂入粉碎室，首先被锤片打击，得到一定程度的粉碎，同时以较高的速度甩向固定在粉碎室内部的齿板和筛网上，受到齿板的碰撞和筛网的搓擦而进一步粉碎。在粉碎室中如此重复进行，直至粉碎到可通过筛孔为止。

1—喂料斗 2—挡料板 3—锤片 4—锤板架5—筛网 6—齿板  图1 锤片式粉碎机

本课题设计的林木生物质粉碎机，要求将林木加工剩余物加工成毫米级粉体，生产能力为1000kg/h。而现有的锤片式粉碎机粉碎颗粒尺寸过大（多为10mm以上），不能满足后期加工利用的要求，且刀片磨损快、粉碎粒度不均匀、能耗高、度电产量低，难以适应大规模开发利用林木生物质能源的需求。

因此针对林木生物质的特性，以高效率和细粉碎粒度以及降低粉碎功耗为目标，应用TRIZ理论，研究林木生物质高效精细粉碎机的工作原理和各种实现方案，进行粉碎工艺与设备的创新设计，可以为推动我国生物质能源利用产业化的进程提供有力的保障，创造良好的经济和社会效益^[4]。

2  设计过程

2.1  问题描述

设计要求：设计一台生物质粉碎机，用该机械可以直接把各种树皮含量高、韧性大、径级小的灌木、枝条类林木加工剩余物加工成毫米级粉体，生产能力为1000kg/h。通过查询、调研，没有可以满足上述要求的粉碎机产品，拟借鉴锤片式粉碎机的结构。

现有方案的主要缺点：粉碎粒度过大，生产率低，能耗大。

2.2  系统功能分析

TRIZ理论的系统功能分析是从完成功能的角度来分析系统由哪些组件组成，组件间的相互作用是有利、有害还是中性的。在后续的解决方案中，设法调用相关资源，强化有利作用，消除有害作用，从而找到解决问题的多种途径^[5]。

    林木生物质粉碎机作为一个技术系统的主功能是粉碎φ60mm以下林木剩余物，子功能有切削、锤击、摩擦、碰撞、筛分、固定，主要组件有粉碎室、刀具（刀片、锤头）、转子、大尺寸木材、中等颗粒木片、小颗粒木屑。应用亿维讯公司的PRO/Innovator软件，逐一分析各组件间的相互作用，建立系统功能模型如图2所示。

图2 林木生物质粉碎机系统功能模型

在功能分析的基础上进行根本原因分析，可以在查询原因的过程中，将表象问题转化，得到更多解决问题的突破口，寻找更多解决问题的资源。

图3是系统分析模块产生的一个问题“筛网分离小木屑效率低”的根本原因分析示例。

图3 “筛网分离小木屑效率低”的根本原因分析

根本原因分析的目的，是在每一个原因上寻找可能的解决方案。以下是分析其中两个原因而产生的解决方案。

原因1：现有生物质粉碎机粉碎室多为圆形，转子带动锤刀高速旋转形成的环流层带动颗粒旋转，使得颗粒切向速度很快，从而使颗粒跨越筛孔时间过短，影响筛分效率。

解决方案：在筛网上加凸起的湍流板，如图4所示。湍流板设置为椭圆形的面，用耐磨材料制成。湍流板使物料环在筛面上高速移动时突遇外力作用而出现短暂的停顿，从而破坏环流层，降低颗粒切向速度，同时增强了对物料的剪切和碰撞作用，提高粉碎效率。

原因2：由于粉碎后的成品颗粒为1mm左右的木屑，重量轻、离心力小，从而导致颗粒的径向速度小，不易通过筛孔。

解决方案：采用吸风装置，使成品颗粒在鼓风机的吸力作用下，加速通过筛孔，提高筛分效率。

物理矛盾是指对系统的同一个参数有不同的要求。解决物理矛盾的方法是采用分离方法和查询知识库。分离方法有：空间分离、时间分离、条件分离、 整体与部分分离^[6]。

定义物理矛盾：一方面，木屑尺寸要小，以满足后续利用要求；另一方面木屑尺寸要大，以利于加工。

应用时间分离和空间分离原理，采用分级粉碎，一级粉碎室由削片部分和粉碎部分组成，主要对物料进行粗粉碎；二级粉碎室采用锤片式结构，对经过粗粉碎的物料进一步细粉碎，以达到要求的粉碎粒度。

技术矛盾是指改善技术系统的某个参数而导致另一个参数发生恶化产生的矛盾。TRIZ将导致技术矛盾的因素总结成39个通用技术参数，提供了40个解决技术矛盾的创新原理，根据40条创新原理和39个通用技术参数之间建立的对应关系形成的矛盾矩阵，可得到推荐的解决所定义技术矛盾的创新原理，即标准解。

定义技术矛盾：设计要求降低粉碎粒度，但会导致功耗增加。则改善的技术参数是：木屑的体积减小， 即第7个通用技术参数“运动物体的体积”；恶化的技术参数是：功率消耗增加，即第21个通用技术参数“功率”。由矛盾矩阵，得到推荐的创新原理为No. 35物理化学参数变化、No. 6多用性、No. 13反向作用、No. 18机械振动。

由创新原理No. 35“物理化学参数变化”得到的解决方案是：控制原料的含水率。

因为木材的塑性随含水率的增加而增大，所以原料含水率过高，会使切削力增大，功率消耗增加。而随着含水率的下降，木材发生干缩，胶束之间的内聚力增大，内摩擦系数增高，密度增大，使木材力学强度急剧增加，也会使切削力增大，功率消耗增加。可以通过实验测定切削力和原料含水率的关系，找到使切削力最小的最佳含水率。

由创新原理No. 6“多用性”得到的解决方案是：改进二级粉碎刀具结构，增加其多用性，使其既有切削又有锤打、撕裂作用。

现有锤片式粉碎机的刀具（锤片）形状如图5所示。改进后的刀具采用如图6(a)所示的锤片组和如图6(b)所示的L型甩刀锤片组合。锤片组提高了刀具的切削性，增加了破碎作用；L型甩刀锤片增大了旋转打击时与颗粒的接触面积，使物料受到的打击力增大，有助于提高粉碎效率。

图5 锤片的三维图

（a）锤片组               （b）L型甩刀锤片

图6 改进后的刀具

由创新原理No. 13“反向作用”没有得到适用的解决方案。

由创新原理No. 18“机械振动”得到的解决方案是：采用振动筛。

如图4所示，在筛网和机壳之间设置振动机构^[7]，筛网通过振动机构和机壳相连。当粉碎机在粉碎物料时，锤片打击物料，物料将动力传递到筛网上，筛网在振动机构上振动，使粉碎了的物料能及时通过筛网，提高筛分能力。

2.6  物场模型建立与标准解法应用

物场模型用来描述系统中的相互作用或行为，可以描述任何工程系统。物场模型可以揭示技术系统的功能机制，描述不同元素间发生的不足的、有害的、过度的或不需要的相互作用，应用76个TRIZ标准解解决相应问题^[8]。

对问题进行物—场分析可知，要粉碎的木屑为S1（目标物），刀具为S2（工具），切削力是F（机械场），如图7为该系统的物—场模型，现有系统完整，但S2对 S1的作用不足。应用标准解法“加入添加物”，构建复杂的物场模型如图8所示。解决方案为在粉碎室内壁上加装齿板(S3)，如图4所示，增加对物料的摩擦、剪切作用。

图7系统的物—场模型           图8新物—场模型

2.7 生成的备选方案

综合分析以上方案，得到创新设计如图9所示。

图9 粉碎机传动和结构示意图

工作原理：一级粉碎室里刀盘与锤片采用同轴结构，由电动机通过V带驱动，飞刀随着刀盘作平面运动，底刀固定不动。当待粉碎物料进入进料口后，刀盘转动使飞刀与底刀形成剪切，将枝条削成片状，通过刀盘上的窄缝进入粉碎室受到锤片的锤击作用。粉碎后的木屑通过一级筛网落入二级粉碎室，进一步受到锤片的打击作用和齿板的摩擦撞击作用而粉碎，过筛的成品颗粒在鼓风机的风力作用下飞出出料口。未被筛选的粗屑留在粉碎室继续粉碎，直至小于筛网孔被筛出。

3  结束语

本文应用TRIZ 理论进行了林木生物质粉碎工艺与设备的创新设计，解决了现有方案粉碎粒度过大，生产率低，能耗大的问题。

⑴采用分级粉碎工艺，一级粉碎室由削片部分和粉碎部分组成，完成粗粉碎；二级粉碎室采用锤片式结构，完成细粉碎，以达到要求的粉碎粒度。

⑵采用新型刀具组合形式，增加了刀具的多用性，使其既有切削又有锤打、撕裂作用，提高了粉碎效率。

⑶在筛网上设置凸起的湍流板、在粉碎室加装齿板，增强了对物料的摩擦、剪切和碰撞作用，降低了粉碎功耗。

⑷采用振动筛、吸风装置，增大了物料过筛能力，提高了设备的生产率。

TRIZ的问题模型与解法虽然有一定的局限性，而且将TRIZ标准解转化为实际解也需要丰富的专业背景知识，但TRIZ解决问题的系统化方法为解决问题提供了非常有效的工具，可以减少传统创新设计中试错法所耗费的时间、精力，大大加快创新步伐，提高创新质量。

参考文献：

[1] 赵敏，胡珏．创新的方法[M]．北京：当代中国出版社，2008.1

[2] 赵新军．技术创新理论（TRIZ）及应用[M]．北京：化学工业出版社，2004.2

[3] 黑龙江省科学技术厅．TRIZ理论入门导读[M]．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2007，10

[4] 付敏，王述洋．林木生物质高效精细粉碎研究现状及展望[ J ]．林业机械与木工设备，2008，5:8~10

[5] 东北林业大学，北京亿维訓科技有限公司．计算机辅助创新技术培训教程．哈尔滨：2008

[6] 檀润华．创新设计—TR IZ发明问题解决理论[M ]．北京：机械工业出版社， 2002.3

[7] 马俊，姚华强．一种振筛型锤片式粉碎机[P]．中国．ZL200620073376.6．2007.8.1

[8] [俄]尤里．萨拉马托夫．怎样成为发明家—50小时学创造[M]．北京：北京理工大学出版社，2006.11