張 輝 吳 杰 黃禹銘 鄧兵兵 唐紹禹

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

空腔粉末填料裝置根據(jù)其填料的對(duì)象不同可以分為液體填料裝置、膏體填料裝置、顆粒填料裝置和粉末填料裝置。傳統(tǒng)的填料裝置都是單頭立體螺桿式或量杯式的，但存在工作效率不高、填料速度較慢等劣勢(shì)，如今已經(jīng)很難滿足客戶或廠家的需求了。

通過(guò)對(duì)填料裝置專利申請(qǐng)總體概況分析可知，當(dāng)前我國(guó)一些公司加大了對(duì)填料裝置的研究，申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，特別是醫(yī)藥類有限公司。但這些專利產(chǎn)品大多存在著易堵塞、跟隨時(shí)間短、精度要求高和控制復(fù)雜等問(wèn)題。吳奇明等[1]設(shè)計(jì)了一種利用齒輪齒條壓料的粉末填料裝置，提高了裝粉的精度，減少了粉末浪費(fèi)量。陳云等[2]發(fā)明了一種利用氣缸推動(dòng)的空腔粉末填料裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊有利于粉末的均勻混合。吳肖等[3]將滾筒式洗衣機(jī)與填料裝置相結(jié)合，發(fā)明了一種滾筒式填料裝置。在上述填料裝置的設(shè)計(jì)研究中，均解決了原有設(shè)備的部分使用問(wèn)題，但在效率與速度上仍然存在著較大的問(wèn)題，本文利用TRIZ理論與發(fā)明方法，進(jìn)一步解決填料裝置效率低，易阻塞等問(wèn)題。

1 TRIZ理論

TRIZ理論，翻譯為“發(fā)明問(wèn)題的解決理論”，是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的[4]。自從阿奇舒勒在1956年發(fā)表了第一篇有關(guān)于TRIZ的論文開(kāi)始，各地的發(fā)明家便開(kāi)始了對(duì)創(chuàng)新理論工具的梳理。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，如今TRIZ理論已經(jīng)成為了一套解決新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)實(shí)際問(wèn)題的十分成熟的九大經(jīng)典理論體系，其包括：TRIZ的技術(shù)系統(tǒng)八大進(jìn)化法則、最終理想解、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)及阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和四大分離原理、物—場(chǎng)模型分析、發(fā)明問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問(wèn)題解決算法、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識(shí)庫(kù)。運(yùn)用TRIZ理論的一般過(guò)程為，確定問(wèn)題所在-建立問(wèn)題模型-工具求解-判斷是否達(dá)到理想解-若未達(dá)到理想解則重復(fù)此過(guò)程[7]。圖1所示為TRIZ理論的詳細(xì)步驟。

2 問(wèn)題分析

2.1 選擇對(duì)象

本文通過(guò)對(duì)專利庫(kù)中相關(guān)專利進(jìn)行檢索[5-6]，以空腔、粉末(作用對(duì)象)、填料(作用方式)關(guān)鍵詞作為限制對(duì)象，最終檢索到與本文主題匹配度較高的兩項(xiàng)專利：《一種型腔粉末填充裝置》(申請(qǐng)?zhí)枺?01720749530.5)；《粉末成型機(jī)自動(dòng)上料裝置》(申請(qǐng)?zhí)枺?01320572872.6)。筆者重點(diǎn)研究了上述專利的權(quán)力要求說(shuō)明書以及發(fā)明內(nèi)容。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)上述兩項(xiàng)專利共有的特點(diǎn)與差異得出以下結(jié)論。

兩種裝置結(jié)構(gòu)模塊相似，都由驅(qū)動(dòng)裝置，壓料裝置和進(jìn)料裝置組成，《粉末成型機(jī)自動(dòng)上料裝置》還具有傳動(dòng)裝置。相比較而言，兩者都存在著填料速度慢的問(wèn)題，且前者具有復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此本文選取《粉末成型機(jī)自動(dòng)上料裝置》作為研究對(duì)象。

2.2 問(wèn)題描述

根據(jù)對(duì)上述所選現(xiàn)有對(duì)象的分析，可將其分為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓料裝置和進(jìn)料裝置4個(gè)部分，該專利的工作方式如下：

(1)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(凸輪盤)旋轉(zhuǎn)。

(2)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(導(dǎo)桿與齒輪組)上下運(yùn)動(dòng)。

(3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓料裝置上下運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)料裝置投入的粉末壓出腔體，完成填料。

該裝置雖然提高了裝粉的精度，粉末浪費(fèi)較少，但仍然存在著填充效率不高，設(shè)備不適用于長(zhǎng)期工作等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高壓料的速度以及效率，提高設(shè)備的穩(wěn)定性與耐用性，本文將對(duì)該設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的分析以及改進(jìn)現(xiàn)有的不足。

2.3 因果分析

因果分析法是利用事物發(fā)展變化的因果關(guān)系來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法[10]。本文根據(jù)原因鏈與結(jié)果鏈?zhǔn)崂沓鲈斐缮鲜鏊x對(duì)象速度慢效率不高的魚骨圖，如圖2所示。通過(guò)對(duì)魚骨圖的分析，可以找出問(wèn)題參數(shù)，以及判斷裝置的設(shè)計(jì)合理性和功能完整性。圖2中反映出該裝置構(gòu)造贅余、易磨損、不利于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)作、壓料裝置數(shù)量不足等問(wèn)題從而造成整體壓料速度慢，效率不高的問(wèn)題。

3 基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 小人法分析

小人法的一般步驟為：①建立問(wèn)題模型，將對(duì)象各部件想象成小人；②建立方案模型，使小人各司其職，從而較好地解決問(wèn)題；③將方案模型落實(shí)到實(shí)際技術(shù)的解決方案[9]。

將上述所選對(duì)象推演成小人模型，如圖3所示，用小人代替驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓料裝置及進(jìn)料裝置。結(jié)合需要解決的問(wèn)題，對(duì)小人實(shí)施不同的功能安排，重新組合，從而解決因果分析法中找出的問(wèn)題，得到改進(jìn)后的小人模型，如圖4所示。使用小人法分析原始問(wèn)題，打破了固有的思維定式，考慮到降低成本就要進(jìn)一步減化設(shè)備，從而可以取消或簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高壓料速度，可以增加作業(yè)數(shù)量，設(shè)置多個(gè)壓料裝置并行工作。

3.2 矛盾解決原理分析

綜合上述分析，我們可以將現(xiàn)有對(duì)象所存在的矛盾沖突的問(wèn)題歸納為：力(凸輪盤存在的沖擊力)與適應(yīng)性與多樣性(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的適用性)之間的矛盾、運(yùn)動(dòng)物體作用的時(shí)間(壓料裝置壓料的時(shí)間)與生產(chǎn)率(壓料量)之間的矛盾、應(yīng)力或壓力(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受的壓力)與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變形)之間的矛盾。根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣表，可建立本問(wèn)題的子矩陣，如表1所示。

篩選表1中的發(fā)明原理，得到可利用的發(fā)明原理有：2(抽取)、17(維數(shù)變化)。故具體方案為：(1)采用無(wú)沖擊摩擦小的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。(2)更改設(shè)備結(jié)構(gòu)，取消原有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如集成原有壓料裝置與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其構(gòu)成一個(gè)多自由度多功能的壓料機(jī)構(gòu)。(3)增加多個(gè)壓料桿同時(shí)工作。

表1 矛盾沖突矩陣

3.3 空腔粉末填料裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)因果分析法、小人法與矛盾解決原理分析，可得最終問(wèn)題解決方案。裝置圖如圖5所示。整個(gè)裝置以凸輪作為驅(qū)動(dòng)件，兩個(gè)凸輪分別賦予填料裝置左右移動(dòng)和上下移動(dòng)兩個(gè)自由度，其具體工作方式如下：

首先規(guī)定裝置的初始位置為凸輪Ⅱ6近端與推桿4接觸，滑動(dòng)料桿10貼近固定槽1的右端。兩個(gè)凸輪均受行程開(kāi)關(guān)12控制。

填料階段：凸輪Ⅱ6開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，滑動(dòng)料桿10向左移動(dòng)，底部出料口7被打開(kāi)，左側(cè)彈簧開(kāi)始被壓縮，凸輪Ⅰ3結(jié)合底端彈簧可帶動(dòng)壓料桿9往復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在出料口7連通過(guò)程中跟隨多次填料。

回程階段：當(dāng)凸輪Ⅱ6處于回程時(shí)，乃整個(gè)裝置的回程階段，此時(shí)壓縮的彈簧可供滑動(dòng)料桿10向右運(yùn)動(dòng)的推力。在滑動(dòng)料桿10到達(dá)初始位置時(shí)，觸碰到行程開(kāi)關(guān)12 ，進(jìn)而兩個(gè)凸輪均停止轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)裝置完成一輪作業(yè)。

裝粉階段：裝置回程完畢后回到初始位置，凸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，底部出料口7關(guān)閉，此時(shí)裝置處于裝粉階段，待定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢后，裝置將進(jìn)行下一輪作業(yè)。

需要說(shuō)明的是：為減小整個(gè)裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，滑動(dòng)料桿與固定槽之間采用導(dǎo)軌滑輪接觸；壓料桿與滑動(dòng)料斗之間也采用導(dǎo)軌滑輪接觸，如圖6所示；在減小摩擦力的情況下凸輪仍可能發(fā)生自鎖，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增大基圓半徑，減小壓力角；為防止啟動(dòng)時(shí)或啟動(dòng)后不久就碰到行程開(kāi)關(guān)導(dǎo)致第一輪作業(yè)不理想，應(yīng)該設(shè)置開(kāi)機(jī)時(shí)的一小段時(shí)間內(nèi)行程開(kāi)關(guān)定時(shí)器不起作用。

經(jīng)過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的空腔粉末填料裝置在保證原有裝置的功能與精度以外，加長(zhǎng)了加料工位長(zhǎng)度，延長(zhǎng)了加料時(shí)間，一次性可以完成多個(gè)工位加料，同時(shí)降低了整個(gè)裝置工作頻率使得設(shè)備可以長(zhǎng)期運(yùn)行，簡(jiǎn)化的裝置結(jié)構(gòu)，使裝置的可靠性得以提高。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決當(dāng)前空腔粉末填充裝置工作效率不高、填料速度較慢以及出口容易堵塞的問(wèn)題，本文對(duì)專利庫(kù)中相關(guān)專利進(jìn)行了檢索與分析，利用因果分析法分析當(dāng)前裝置，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的空腔填料裝置存在結(jié)構(gòu)冗余，磨損較大不利于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)和工位單一等問(wèn)題，從而造成填料速度緩慢。根據(jù)分析出的問(wèn)題，本文采用小人法獲取問(wèn)題解決模型，再根據(jù)矛盾解決原理，將設(shè)備中的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，結(jié)合相應(yīng)的發(fā)明創(chuàng)新原理，最終獲得了問(wèn)題的解決方案。