楊志冬， 田智輝， 趙宏江， 趙 晨， 張善根

（1. 陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，陜西 咸陽 712000；2. 安康市漢濱區(qū)縣河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，陜西 安康 725000）

0 引言

在料倉(cāng)的使用過程中由于物料的內(nèi)力大于重力的作用，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)拱現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)于此問題主要是通過改變料倉(cāng)結(jié)構(gòu)或增加相應(yīng)的破拱裝置來解決，目前最常用的破拱方法有高壓流化破拱、振動(dòng)破拱和機(jī)械強(qiáng)制破拱幾類或者通過上述方法進(jìn)行組合形成新的破拱方式[1-11]。

陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所生產(chǎn)的CJ50K 型自動(dòng)稱量機(jī)采用絞龍式機(jī)械破拱裝置，在推廣過程中部分企業(yè)產(chǎn)品為粉狀生物有機(jī)肥，根據(jù)生物有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，肥料的含水率最高可達(dá)30%，由此引發(fā)有機(jī)肥的黏性增加，料倉(cāng)結(jié)拱條件強(qiáng)化，原有的破拱裝置不能滿足生產(chǎn)要求[12-13]。通過采用TRIZ 原理并結(jié)合相關(guān)專利分析，研究完成的四連桿式破拱裝置，驅(qū)動(dòng)氣缸完成1～3 次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)生物有機(jī)肥的破拱，破拱范圍大，破拱后料倉(cāng)內(nèi)部物料產(chǎn)生的流動(dòng)為整體流動(dòng)，流動(dòng)形式理想。

1 問題描述

原有CJ50K 型自動(dòng)稱量機(jī)料倉(cāng)破拱裝置選用減速電機(jī)功率3 kW，輸出扭矩1 074 N·m，造價(jià)6 200 元。當(dāng)物料含水率增加后，在重力場(chǎng)的作用下極易發(fā)生擠壓變實(shí)形成黏附拱和壓縮拱[14]。破拱時(shí)絞龍回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)的結(jié)拱會(huì)被破壞，然而周圍的肥料依舊會(huì)黏附在料倉(cāng)的內(nèi)壁，現(xiàn)場(chǎng)破拱效果如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)破拱效果Fig. 1 Arch breaking effect observed in production site

2 裁剪

首先通過功能模型分析對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行分解，得到標(biāo)準(zhǔn)、不足、過剩及有害作用[15]。分析系統(tǒng)中部件之間的相互作用 ，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥結(jié)拱導(dǎo)致供料失敗的根本有害因素為“物料含水率過高，使物料黏附性增強(qiáng)”，對(duì)應(yīng)原件為“水”，由于水為前期發(fā)酵工藝中的必要條件，因而需要尋找下一根本有害因素原件。第二根本有害因素為“黏附”，對(duì)應(yīng)原件為“料倉(cāng)、主軸、絞龍”，由于物料的存儲(chǔ)功能仍需要料倉(cāng)完成，因此裁剪目標(biāo)定為絞龍和主軸，當(dāng)絞龍、主軸被裁剪掉后，相對(duì)應(yīng)的附屬裝置也失去了原來的作用并被一起裁剪掉，裁剪后的模型僅剩料倉(cāng)，失去了破拱的功能，是個(gè)問題模型。

3 利用TRIZ 工具解決問題

由裁剪結(jié)果可知，現(xiàn)有的絞龍破拱裝置并不適用于解決濕黏物料的結(jié)拱問題，不具備在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的空間，需要研究新的破拱裝置。依據(jù)TRIZ 理論有4 種解決方法，替代順序如表1 所示[16]。

表1 問題模型解決方法Tab. 1 Problem model solution

3.1 料倉(cāng)自身能夠解決黏濕物料的結(jié)拱問題

早期的研究證明，當(dāng)料倉(cāng)采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)，選用低摩擦系數(shù)的材料，將倉(cāng)壁形狀設(shè)計(jì)為內(nèi)凸的指數(shù)曲線或雙曲線，均能提高物料的整體流動(dòng)性，減少結(jié)拱的出現(xiàn)[1]。目前的料倉(cāng)多為方倉(cāng)和筒倉(cāng)，少數(shù)情況下會(huì)采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)，或選擇低摩擦系數(shù)的材料作為料倉(cāng)內(nèi)襯，但設(shè)計(jì)成為內(nèi)凸的指數(shù)曲線或雙曲線的料倉(cāng)基本沒有，主要原因在于加工制造難、成本高。通過提取相應(yīng)的矛盾因素，查找矛盾矩陣表找到并篩選發(fā)明原理，結(jié)果如表2 所示。

表2 提高料倉(cāng)理想化程度發(fā)明原理Tab. 2 Invention principle of improving idealization degree of stock bin

由于料倉(cāng)自身有密封性及剛性要求，因而分割原理在此處的應(yīng)用更偏向于提高系統(tǒng)的可分性。通過在料倉(cāng)內(nèi)側(cè)設(shè)置可動(dòng)的弧形襯板，既滿足了上述要求，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)料倉(cāng)的分割。當(dāng)料倉(cāng)側(cè)壁（弧形襯板）變成可動(dòng)后，反向作用原理—讓物體原有不動(dòng)部分變得可動(dòng)，動(dòng)態(tài)特性及空間維數(shù)變化也隨之實(shí)現(xiàn)。發(fā)明原理機(jī)械系統(tǒng)的替代及氣壓和液壓結(jié)構(gòu)，通常的實(shí)現(xiàn)方式為，用氣缸或液壓缸驅(qū)動(dòng)分割后的料倉(cāng)側(cè)壁，或以可控充氣（充液）結(jié)構(gòu)替換原有的料倉(cāng)側(cè)壁，將料倉(cāng)內(nèi)部的恒定場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜?dòng)場(chǎng)。

3.2 超系統(tǒng)組件能夠解決黏濕物料的結(jié)拱問題

由于裁剪后的模型僅剩料倉(cāng)，因而解決方法2 在這里并不適用。外界環(huán)境存在的超系統(tǒng)，除了重力場(chǎng)、水外，還存在空氣、電場(chǎng)和壓縮空氣3 個(gè)常用場(chǎng)。該技術(shù)系統(tǒng)建立的相關(guān)物場(chǎng)模型如圖2 所示，其中料倉(cāng)為S1、有機(jī)肥為S2、重力場(chǎng)為F，該物場(chǎng)模型中有用及有害作用同時(shí)存在，可應(yīng)用76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行求解法中S1.2 中拆解物場(chǎng)模型來解決問題，其中第1.2 子類包含的標(biāo)準(zhǔn)解如表3 所示[16]。

表3 第1.2 子類包含的標(biāo)準(zhǔn)解Tab. 3 Standard solutions of subclass 1.2

圖2 物質(zhì)-場(chǎng)分析模型Fig. 2 Model for material and field analysis

S1.2.1 解，當(dāng)前的系統(tǒng)料倉(cāng)完成對(duì)有機(jī)肥的容納屬于有用作用，但料倉(cāng)側(cè)壁與有機(jī)肥之間的過度摩擦則屬于有害作用，可以在S1 和S2 之間引入低摩擦系數(shù)的材料S3 消除有害作用，如在倉(cāng)壁上復(fù)合低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯或?qū)}(cāng)壁材質(zhì)改為304 不銹鋼。

S1.2.2 與S1.2.3 可以結(jié)合起來運(yùn)用，對(duì)料倉(cāng)內(nèi)的有機(jī)肥S2，可以引入超系統(tǒng)中的壓縮空氣（物質(zhì)），增大有機(jī)肥S2 顆粒間的空隙，提升物料的流動(dòng)性、減輕黏附性，減少結(jié)拱的發(fā)生。對(duì)料倉(cāng)S1 進(jìn)行改進(jìn)，在上述3.1 節(jié)已結(jié)合發(fā)明原理提出了相應(yīng)的方法。

S1.2.4 解，重力場(chǎng)F 可以將有機(jī)肥S2 從料倉(cāng)S1 中排出屬于有用作用，但又是結(jié)拱出現(xiàn)的主要因素，在上述3.1 節(jié)中引入了相應(yīng)的機(jī)械場(chǎng)，可在結(jié)拱時(shí)啟動(dòng)該場(chǎng)來消除有害作用。

3.3 系統(tǒng)外的新組件能夠解決黏濕物料的結(jié)拱問題

獲取新組件的最佳途徑是對(duì)現(xiàn)有相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行分析，提取具有借鑒價(jià)值的方法和結(jié)構(gòu)，同時(shí)就專利中存在的問題進(jìn)行分析，找到相應(yīng)的解決方法。本次知識(shí)產(chǎn)權(quán)共計(jì)檢索分析專利779 件，去噪后剩余33 件，由于振動(dòng)破拱裝置對(duì)黏性大、板結(jié)嚴(yán)重的物料效果一般，在剔除與“振動(dòng)破拱”的相關(guān)專利后，形成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息調(diào)查簡(jiǎn)表，如表4 所示[8,17-27]。

表4 知識(shí)產(chǎn)權(quán)調(diào)查Tab. 4 Intellectual property survey

上述專利中出現(xiàn)的方法與結(jié)構(gòu)，多為由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)破拱桿、破拱套、沖擊架、沖擊叉、弧形板、格網(wǎng)，或與高壓氣體、液體進(jìn)行組合完成破拱，與上述3.1 節(jié)、3.2 節(jié)中的解決方法有相通之處。其中多數(shù)專利為授權(quán)發(fā)明專利，并且在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用，體現(xiàn)了其應(yīng)用價(jià)值和可靠性。專利中的裝置在完成破拱工作時(shí)，料倉(cāng)內(nèi)部的物料會(huì)受到剪切、擠壓、沖擊，所需的驅(qū)動(dòng)力及能耗都很大，這也是多數(shù)驅(qū)動(dòng)裝置選液壓油缸的主要原因。通過提取專利中相應(yīng)的矛盾因素，查找矛盾矩陣篩選出的發(fā)明原理如表5 所示。

表5 提取專利中矛盾因素篩選的發(fā)明原理Tab. 5 Invention principle of extracting contradiction factors from patents

質(zhì)量補(bǔ)償原理是通過尋找一種相反的作用，以減弱某種效應(yīng)尋求對(duì)抗或平衡的方式[28]。結(jié)拱時(shí)系統(tǒng)中料倉(cāng)側(cè)壁產(chǎn)生的力垂直方向與重力平衡，水平方向相互平衡是一對(duì)對(duì)抗力，倉(cāng)壁之間力的傳遞是借助物料來實(shí)現(xiàn)的。從能量傳遞法則的角度分析，在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化過程中最好用一種能量（或場(chǎng)）貫穿系統(tǒng)的整個(gè)工作過程，減少因能量形式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的能量損失[16]。將兩側(cè)的弧形襯板用連桿進(jìn)行鉸接，確保能量的有效傳遞，兩側(cè)弧形襯板受到物料的壓力基本相同，起到了質(zhì)量補(bǔ)償?shù)淖饔?。?yīng)用預(yù)先作用原理，提前設(shè)置好兩側(cè)弧形襯板的初始位置，增加其不對(duì)稱性確保破拱順利完成。

4 設(shè)計(jì)方案

最終解決方案如圖3 所示，利用料倉(cāng)內(nèi)部的空間資源，在料倉(cāng)的兩側(cè)增加由氣缸驅(qū)動(dòng)的弧形襯板，弧形襯板底端與可調(diào)拉桿進(jìn)行鉸接，上端與料倉(cāng)鉸接形成四連桿機(jī)構(gòu)。將原有固定不動(dòng)的料倉(cāng)側(cè)壁以可動(dòng)的弧形襯板替代，既滿足了料倉(cāng)側(cè)壁的動(dòng)態(tài)化和曲面化要求，也保證了原有料倉(cāng)的完整性和剛性要求；兩側(cè)的弧形襯板受到料倉(cāng)內(nèi)部物料的壓力相當(dāng)，通過可調(diào)拉桿相互抵消，氣缸的驅(qū)動(dòng)力可通過可調(diào)拉桿進(jìn)行有效的傳遞，減少了因弧形襯板對(duì)物料擠壓導(dǎo)致的能量損失。襯板材料選用摩擦系數(shù)小的不銹鋼，可減少物料的黏附，同時(shí)將氣缸經(jīng)電磁閥排出的低壓氣體引入料倉(cāng)，進(jìn)一步促進(jìn)物料的流動(dòng)性。方案中增設(shè)了防溢板，位于弧形襯板底端，兩側(cè)與弧形襯板進(jìn)行鉸接，其主要功能為防止物料反溢至弧形襯板與料倉(cāng)側(cè)壁之間造成系統(tǒng)失效。

圖3 新型破拱裝置設(shè)計(jì)方案Fig. 3 Newly designed arch breaking device

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該破拱裝置能夠很好地完成顆粒及粉狀物料的破拱，針對(duì)含水率約30%的有機(jī)肥，當(dāng)料倉(cāng)發(fā)生結(jié)拱時(shí)，系統(tǒng)能夠很好地完成破拱。

5 生產(chǎn)線應(yīng)用

有機(jī)肥生產(chǎn)線布局如圖4 所示，其中配料倉(cāng)及稱量主機(jī)料倉(cāng)均采用了四連桿式破拱裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造維護(hù)成本低，完成后的破拱裝置制造價(jià)為1 121 元，僅為原有機(jī)械式破拱裝置的18%。

圖4 配方肥生產(chǎn)線布局Fig. 4 Brief layout of production line of formula fertilizer

該生產(chǎn)線采用六聯(lián)配料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)際生產(chǎn)過程中有機(jī)肥料倉(cāng)設(shè)置為2 個(gè)，其余料倉(cāng)原料為氮、磷、鉀單支肥料，以及含有菌種的有機(jī)質(zhì)基質(zhì)。設(shè)備運(yùn)行時(shí)各配料工位依次將物料按設(shè)定好的配比在倉(cāng)儲(chǔ)式膠帶秤完成計(jì)量，由倉(cāng)儲(chǔ)式膠帶秤將物料排入臥式混料機(jī)，混合完畢的物料由斗式提升機(jī)提升至自動(dòng)稱量機(jī)，最終完成稱量包裝。

當(dāng)料倉(cāng)發(fā)生結(jié)拱時(shí)，由氣缸驅(qū)動(dòng)四連桿破拱裝置中的弧形襯板進(jìn)行擺動(dòng)，襯板對(duì)物料的支持力發(fā)生改變，破壞了料倉(cāng)內(nèi)物料原有的結(jié)拱力平衡，在重力場(chǎng)的作用下物料開始下落，結(jié)拱現(xiàn)象得以消除，投入實(shí)際應(yīng)用的生產(chǎn)線如圖5 所示。

圖5 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 5 Production site

經(jīng)過驗(yàn)證該系統(tǒng)能耗小，實(shí)際使用過程中驅(qū)動(dòng)氣缸為SC63X100 型，完成1～3 次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)破拱，最大破拱能耗僅為0.623 kW，破拱范圍大，破拱后料倉(cāng)內(nèi)部物料產(chǎn)生的流動(dòng)為整體流動(dòng)，流動(dòng)形式理想，避免了物料在料倉(cāng)內(nèi)的長(zhǎng)期滯留，物料“先進(jìn)先出”且流動(dòng)速率穩(wěn)定[29]。

6 結(jié)束語

本研究是在實(shí)際生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，通過對(duì)現(xiàn)有料倉(cāng)破拱裝置出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，結(jié)合TRIZ 理論及專利分析完成的。裝置采用TRIZ 理論的質(zhì)量補(bǔ)償原理及預(yù)先作用原理，減少了破拱過程中因能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的能量損失，同時(shí)預(yù)先增加系統(tǒng)的不對(duì)稱性，確保了破拱過程的順利完成。該裝置具有制造成本低、破拱范圍大、能耗小和可靠性高的特點(diǎn)。文中破拱機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合為有機(jī)肥生產(chǎn)過程，對(duì)于其他場(chǎng)合的料倉(cāng)破拱也具有一定意義上的推廣價(jià)值。