陸尚平，劉存香，陸美文，龐曉勤

廣西水利電力職業(yè)技術學院（南寧 530023）

禽肉休閑食品越來越受到人們的喜愛，對禽肉進行袋裝包裝是禽肉包裝食品生產(chǎn)過程中的一道重要工序，也就是將炒制過的禽肉按一定的質量規(guī)格進行稱重裝袋以便于貯藏、運輸和方便食用。禽肉包裝的主體功能是禽肉分離、稱重和入袋。國內(nèi)中小禽肉袋裝食品包裝企業(yè)在定量稱重這一環(huán)節(jié)還是以人工稱重為主，勞動強度大，工作繁瑣，人為誤差波動性大[1]。食品包裝有嚴格的質量控制要求，如國內(nèi)沃爾瑪?shù)雀鞔蟪袑Υb食品的質量控制要求其標稱質量值誤差在3%以內(nèi)。以廣西南寧道資餐飲管理有限公司生產(chǎn)的280 g袋裝檸檬鴨為例，其誤差不超過8.4 g，而所生產(chǎn)單塊鴨肉質量為12～15 g，對自動化定量稱重造成極大困難，國內(nèi)外學者在禽肉自動化定量稱重領域鮮有研究。為解決禽肉其塊狀、流動性差、軟硬共體和單體重量差異大造成的定量包裝難題，以TRIZ這一創(chuàng)新發(fā)明利器為指導，對現(xiàn)有通用定量稱進行功能分析，并利用TRIZ理論的物場分析等工具對定量包裝秤進行創(chuàng)新設計；探索禽肉分離、稱重和移動的新方案，解決禽肉定量包裝的分割移動和稱重入袋難題。

1 TRIZ理論及物場分析

TRIZ理論（theory of inventive problem solving,TIPS）是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒（Altschullcr U.S.）于1956年開始帶領他的團隊經(jīng)過對世界各國約20萬份優(yōu)質專利文獻的分析、比較、歸納和研究，提出的一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論和方法；主要包括技術矛盾和物理矛盾、八大進化趨勢、39個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、76個標準解和效應知識庫。TRIZ理論適用于設計人員掌握發(fā)明創(chuàng)造的規(guī)律，提高創(chuàng)新設計能力。TRIZ理論在現(xiàn)代制造業(yè)中獲得廣泛應用，越來越受到企業(yè)和科技人員重視。物場分析是TRIZ理論體系的組成之一，而產(chǎn)品是功能的一種實現(xiàn)，Altshuller G.S.認為所有功能都可以看作是有2個物質和一個場組成[2]。TRIZ中，采用兩種物質和一種場的方式來表達技術系統(tǒng)中相互作用和能量轉換關系的符號模型稱為物質-場模型（Su-Field Models），簡稱物場模型，如圖1（a）所示，其中S2表示工具，S1表示作用對象，F(xiàn)表示場[3-4]。圖1（b）是物場分析的4種類型，它是選用標準解解決工程實際問題的依據(jù)。

圖1 TRIZ的物場模型及類型

2 禽肉定量包裝裝置

2.1 禽肉包裝問題

當前市場對禽肉制品的需求主要集中在醬香類、鹽水類、風干類、特禽類及旅游休閑5類產(chǎn)品。以醬香類為例，其工藝為：原料→解凍→整理→鹵腌→刷糖→油炸→鹵煮→涼冷→稱重、內(nèi)包裝→低溫殺菌→外包裝→冷藏[5]。其他類產(chǎn)品與之類似，均有“稱重、內(nèi)包裝”這一環(huán)節(jié)。禽肉稱重包裝過程中，需要進行傳送和稱重2個主要功能環(huán)節(jié)；圖2為廣西某公司生產(chǎn)袋裝檸檬鴨及包裝，由于禽肉的塊狀、黏性和骨肉連體特性，其流動性差，對傳送功能提出更高要求；另外，由于禽肉的塊狀特性，各塊質量差異大，加上輔助調料品的質量差異，給定量稱重精度控制帶來極大挑戰(zhàn)。

圖2 檸檬鴨和包裝

2.2 傳統(tǒng)定量包裝稱分析

定量包裝是指以銷售為目的，在一定量限范圍內(nèi)，具有統(tǒng)一的質量、體積、長度的預包裝。以質量為度量標準的定質量包裝即定量包裝稱被廣泛運用；市場上稱重秤各式各樣的，但是一般都包含送料機構、稱重機構、夾袋裝置、機架以及輔助機構，定量包裝稱是根據(jù)預先設定的量值，通過自動稱量，把散裝物料等量分裝的稱重裝置[6-7]。對于中小企業(yè)而言，小量程定量包裝稱成為主流，它由機械稱體和電子稱量控制系統(tǒng)兩部分組成。圖3是一種定量包裝稱的整體結構，包括料倉、皮帶裝置、緩沖料斗、稱重傳感器、夾臂、光電開關、包裝袋，以及控制部分的氣缸、電磁閥、氣壓站、變頻器和電機等[8-9]。其工作原理為物料利用重力從料倉中下落，通過由電機帶動的皮帶傳送裝置將物料往前推送，物料在皮帶輸出端下落，為減少物料沖量對稱重的影響，下方設置緩沖漏斗；稱重傳感器將物料質量經(jīng)轉換得到的電信號傳送到稱重控制器，控制器根據(jù)設定質量數(shù)值與實際值的比較來控制電機進而控制皮帶傳送，同時控制器對氣缸的伸縮控制實現(xiàn)夾臂的控制。

圖3 定量包裝稱整體結構圖

3 基于TRIZ理論的禽肉定量包裝裝置設計

定量包裝稱的主體功能為物料傳送和稱重。利用TRIZ理論的功能分析與功能建模方法，對傳統(tǒng)粉狀與顆粒狀典型定量包裝稱進行組件分析、相互作用分析，建立的定量包裝稱功能模型如圖4所示。定量包裝稱的料倉功能是容納物料，并利用重力場實現(xiàn)物料的分離。對于禽肉的定量包裝，采用如圖3所示設備，其目標對象為禽肉，將功能模型分析圖中物料改為具體的禽肉，而禽肉的物理特性為骨肉共體、黏連和塊狀，傳統(tǒng)定量包裝稱依靠單一重力場難以將禽肉分離；其物場模型體現(xiàn)為料倉的分離功能不足，由物場模型建立的定量包裝功能模型如圖5所示，由TRIZ物場分析的功能不足特性及標準解解決思路為禽肉定量包裝裝置設計提供思路。

圖4 定量包裝稱功能分析模型

圖5 禽肉定量包裝功能分析與物場分析圖

3.1 方案1：復雜物場模型轉化法

根據(jù)如圖5所示禽肉定量包裝的物場分析模型，針對料倉依靠重力分離禽肉作用不足的情形，可將問題轉化成復雜的物場模型，即建立鏈式物場模型或雙物場模型。由前期分析可知，由于重力場F1不足，在不增加新的系統(tǒng)元件和物質（禽肉產(chǎn)品外的其他物質）情況下采用雙物場，即通過引入第2個場F2增強F1的作用，禽肉分離的鏈式物場模型和雙物場模型如圖6（a）（b）所示，擬采用增加隔離板的上下振動來增強重力場F1的作用，加入機械場F2構建成重力場、機械振動場的雙物場模型；由以上設計思想設計的禽肉分離設計方案如圖6（c）所示。方案1在一定程度上增強禽肉的分離能力。

圖6 復雜物場模型解決方案

3.2 方案2：基于TRIZ裁剪規(guī)則的創(chuàng)新設計

裁剪是TRIZ對系統(tǒng)分析的一個有力工具，是通過刪除系統(tǒng)的某些組件，但同時保留這些組件的有用功能，實現(xiàn)降低成本和提高系統(tǒng)的理想度。裁剪規(guī)則有A、B、C三種，其剪裁規(guī)則C描述為技術系統(tǒng)或超系統(tǒng)中其他組件可以執(zhí)行功能載體A的功能，則可以裁剪功能載體A[3]?；谝?guī)則C與圖3的功能分析模型，若禽肉定量包裝稱的料斗可以執(zhí)行傳送帶對禽肉的移動功能和控制功能，則傳動帶可以移除；依據(jù)此思想，因料倉本身的重力可以移動物料，若將系統(tǒng)組件料倉的容納與分離功能轉移到傳送帶組件上，可形成新的創(chuàng)新設計方案。對傳送帶進行物場分析，如圖7（a）所示，由于傳送帶S2對禽肉S1的分離功能不足，可采用鏈式物場模型的方法加入另外一個超系統(tǒng)組件，即加入一種物質釘子S3，形成帶釘子的傳送帶促進分離。帶釘子的傳送帶能提升系統(tǒng)對禽肉的分離和傳送功能，但由于傳送帶上的禽肉整體單方向移動，未能滿足禽肉包裝質量精度的要求，采用76標準解的第3類解即向超系統(tǒng)或微觀級轉化的方法，將帶釘子的傳送帶劃分為并行的J、K、L三組帶，中間K組的帶釘帶寬設置為3 cm以限制控制單塊禽肉通過，設計方案如圖7（b）所示；其工作原理為：將系統(tǒng)稱重過程分為粗稱和精稱兩階段，開始稱重的粗稱重階段，后階段為精稱重。開始稱重時J、K、L三組帶釘皮帶同時運行，稱重傳感器反饋禽肉質量偏差達設定值時，停止J、L組，保留K組皮帶轉動并落下單塊禽肉，實現(xiàn)精度稱重。

圖7 基于TRIZ裁剪規(guī)則解決方案

3.3 方案3：基于檢測和測量標準解的創(chuàng)新設計

禽肉定量稱重裝置的另外一個核心功能是稱重，屬于物場分析與76個標準解第四類即檢測與測量標準解的范疇。如圖3與圖4所示，傳統(tǒng)經(jīng)典定量包裝秤通過測量分離出物料的質量信息來測量，屬于增量式的測量方式；由于物料運動，物料下落的沖量給稱量精度帶來強大干擾，正如圖3裝置中增加緩沖料斗以折中解決，對于塊狀禽肉稱重來說效果甚微。標準解對于不易測量的系統(tǒng)可采用間接方法即通過改進系統(tǒng)以系統(tǒng)的變化來代替探測或者測量。將系統(tǒng)對圖2包裝袋及物料的質量測量，改變?yōu)橄到y(tǒng)對料斗與物料質量的測量如圖8（a）物場模型所示；分離物料的質量Gi由式（1）獲得。

式中：G0為初始料斗及物料質量；Gi為第i袋物料質量。

新的系統(tǒng)設計是將信號傳感器安裝于料斗下方，同時為保證物料從料斗到包裝袋移動過程中的物料流失，要求從料頭所流出物料要全部放置于包裝袋中，可采取以下方法：在料斗出倉口下方放置包裝袋，去除傳送帶，形成創(chuàng)新設計方案，如圖8（b）所示，即料頭實現(xiàn)物料分離、傳送和稱重的集合功能。為增強料斗的分離能力，綜合考慮粗稱重與精稱重的要求，在料斗底部設計一個螺旋推進分離器，設計僅可以容下一塊禽肉螺距4 cm的螺旋桿。在粗稱重階段，倉門全部打開，在精稱重階段，倉門開度為1個螺距。

圖8 基于檢測和測量標準解的設計方案

3.4 方案評價

由TRIZ理論設計開發(fā)出的3種禽肉定量包裝裝置各有其優(yōu)缺點，為進一步對創(chuàng)新方案進行有效評估，采用結果清晰且可對比性強的模糊綜合評判（FCE）法進行方案評價[10]。其思路為確定隸屬度函數(shù)，通過專家組評議求得權重向量，建立創(chuàng)新設計方案的模糊綜合評判。評價因子確定采用專家投票方式[11]。

式中：u1為可靠性；u2為適應條件；u3為測量精度；u4為經(jīng)濟性；u5為工作效率。

3種設計方案對應方案集：V={V1,V2,V3}；由專家用評分辦法確定的權重集合A=（0.18，0.17，0.22，0.25，0.18），綜合評判采用B=U·A，方案評價結果如表1所示。

根據(jù)最大隸屬原則并計算B。由表1數(shù)據(jù)評價結果B可知b3＞b2＞b1，3種方案以方案3為最優(yōu)方案。

表1 創(chuàng)新設計方案模糊綜合評判表

4 結論

禽肉定量包裝是當前禽肉生產(chǎn)中小企業(yè)急需解決的問題，而市場上尚無適合中小企業(yè)需要的相關產(chǎn)品，相關研究也鮮有報道。以傳統(tǒng)定量包裝秤為原型，通過TRIZ理論的功能分析、物場分析和標準解等工具對產(chǎn)品進行創(chuàng)新開發(fā)，并對創(chuàng)新方案進行綜合評價，創(chuàng)新實踐表明，所述方法和方案為禽肉定量包裝設備的設計與制造提供參考依據(jù)和方向指導，提高產(chǎn)品開發(fā)的效益。