肖一浩XIAO Yi-hao；王繼榮②WANG Ji-rong；秦江濤QIN Jiang-tao；李軍LI Jun

（①青島大學(xué)機電工程學(xué)院，青島 266071；②青島大學(xué)威海創(chuàng)新研究院，威海 264200）

0 引言

樹脂混凝土作為建筑材料相較于傳統(tǒng)混凝土表面光滑，抗腐蝕性強，對某些特殊場景有更好的適用性，它是由合成樹脂、砂石、填料組成，攪拌時加入硬化劑和促進劑，然后填充到模具中，振搗或壓制幾分鐘即可脫模，得到樹脂混凝土構(gòu)件，其中的原材料比例為：不飽和聚酯樹脂9%-20%、石英石（粒徑2-5mm）10%-40%、石英石（粒徑5-12mm）10%-40%、石英砂10%-20%、碳酸鈣10%-20%、固化劑8-15%%、色漿?？梢詰?yīng)選用單臥軸混凝土攪拌機作為樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線的攪拌系統(tǒng)。單臥軸混凝土攪拌機攪拌質(zhì)量好、卸料速度快、襯板及葉片使用壽命長等優(yōu)點[1-2]。但考慮到要求機器安全穩(wěn)定性能需要保證，連續(xù)出料，在澆筑口便于操作，投料需便捷，維修保養(yǎng)方便，螺桿清洗需便捷等，單臥軸混凝土攪拌機缺乏清洗模塊，清洗方式復(fù)雜、耗時長、需要人工輔助清洗等缺點不適合樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線的需求[3]，因此需要對傳統(tǒng)的清洗方式進行改進，提高清洗效率，使用全自動清洗方式，使其滿足自動化生產(chǎn)線的需求?，F(xiàn)有的改進方法有：①通過流體連接器快速地手動與要通過流動路徑的原料分配閥或與清潔源進行流體連接，流體將通過流動路徑輸送到攪拌筒內(nèi)部以清潔流動路徑和攪拌軸和攪拌鏟片[4-5]；②通過處理器被配置為確定觸發(fā)事件以啟動攪拌組件的清潔循環(huán)以去除殘留在攪拌筒中的混凝土，并且響應(yīng)于檢測到觸發(fā)事件，通過使流體注入筒內(nèi)來執(zhí)行清潔循環(huán)[6]。本文基于TRIZ理論分析研究了攪拌機的清洗模塊，希望得到更合理的解決方案。

1 樹脂混凝土攪拌機的攪拌原理與問題分析

單臥軸樹脂混凝土攪拌機有兩塊螺旋形狀的攪拌葉片左右相反，物料在攪拌葉片的驅(qū)動下強迫物料在進行擠壓和搓動等進行非常強烈的運動，加劇了攪拌的能力[7-8]。

樹脂混凝土攪拌機缺乏單獨的清洗模塊，現(xiàn)有的清洗方式是將水倒入料筒內(nèi)使主軸運轉(zhuǎn)將主軸和攪拌鏟片清洗干凈或者用砂子清洗[9]，對于樹脂混凝土澆筑自動化生產(chǎn)線現(xiàn)有的兩種方法都存在缺陷，第一種用水?dāng)嚢枨逑吹姆绞綄τ诟哒吵矶群透吒街鹊臉渲炷燎逑葱Ч患眩诙N用水和砂子攪拌清洗的方式效果比單純用水好，但是會有額外的產(chǎn)物出現(xiàn)，對于自動化生產(chǎn)線，多出一道清洗副產(chǎn)物處理工序會額外增加成產(chǎn)成本并且降低生產(chǎn)效率。（圖1）

圖1 單臥軸混凝土攪拌機

2 TRIZ理論概述與創(chuàng)新設(shè)計流程

經(jīng)典形式的TRIZ方法論是由蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒及其同事在第二次世界大戰(zhàn)后開發(fā)的。在俄語（теория решенияизобретательскихзадач）中，Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，字面意思是：“解決發(fā)明相關(guān)任務(wù)的理論”，通過對專利的研究，對成功案例進行推廣，從而成功地解決技術(shù)問題，逐步發(fā)展成為了一種解決問題，分析和預(yù)測工具[10-12]。TRIZ理論著力于澄清和強調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律發(fā)明創(chuàng)造、解決難題并研究整個設(shè)計與開發(fā)過程[13-14]。近年來TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計中得到了極為廣泛地運用[15-17]。

TRIZ理論是一種問題解決方法，是建立了解決問題的通用模型并指明了其發(fā)展方向，目前在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域被廣泛使用[18]。流程圖見圖2[19]。

圖2 TRIZ理論解決問題的基本思路

3 運用TRIZ工具解決問題

3.1 系統(tǒng)功能分析

本研究對目前單臥軸樹脂混凝土攪拌機的清洗方式進行分析，得出目前只是單純的借助攪拌機的攪拌功能進行輔助清洗，清洗模塊并未單獨存在，清洗只是攪拌功能的一種附加項。系統(tǒng)的功能組件見表1。

表1 功能組件分析

3.2 因果分析

因果鏈分析通過建立初始缺點與底層缺點的邏輯關(guān)系，找到解決問題的突破口[20]。因果分析是通過構(gòu)建因果分析事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果的分析方法。原則上應(yīng)先從根本原因著手解決問題。[21]。根據(jù)對以上組件的分析，通過使用故障樹分析法得出：其直接原因是清洗時候的強度不夠、效率低下、會產(chǎn)生副產(chǎn)物。經(jīng)過對主要問題分析得到兩對關(guān)鍵物理矛盾：①清洗時間要足夠短，清洗效果又要足夠好。②清洗步驟要足夠少以便簡化生產(chǎn)線工序，清洗過程中會有副產(chǎn)物產(chǎn)生。在這一多因素問題中，提高清洗效率是本項目最有效的解決辦法，而在提高清洗效率的方法中，構(gòu)建清洗模塊使其實現(xiàn)自動化又是最有效的解決辦法。因果鏈分析圖見圖3。

圖3 因果鏈分析圖

3.3 尋找問題實質(zhì)

將樹脂混凝土攪拌機清洗模塊面臨的具體問題描述進行匯總分析，得出目前實現(xiàn)其清洗模塊最大的困難是如何實現(xiàn)攪拌機的高效清潔，即：①如何越過攪拌鏟片清洗攪拌主軸；②清洗過程如何不產(chǎn)生副產(chǎn)物。

針對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方面，TRIZ理論主要提出了技術(shù)進化理論、沖突解決原理、等創(chuàng)新工具，將選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ邔σ陨蠁栴}進行逐一解決[22]，首先進行最終理想解分析。（表2）

表2 最終理想解

3.4 物理矛盾分析

使用物理矛盾工具解決攪拌主軸刮板如何通過攪拌鏟片的問題。在既要保證清潔刮板對攪拌鏟片不會阻擋使得攪拌過程順利的同時以便實現(xiàn)對攪拌主軸的清潔這一矛盾中，可以將其歸納為在攪拌筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)這一參數(shù)上出現(xiàn)的復(fù)雜性與適應(yīng)性兩個對立面，針對這一問題可以采用物理矛盾中的空間分離原理進行解決，根據(jù)空間分離原理中的發(fā)明原理中的分割原理，將結(jié)構(gòu)分為兩部分，既能保證刮板能夠順利通過攪拌鏟片，又能實現(xiàn)對攪拌主軸的清洗。

3.5 物場分析

使用物場分析工具解決清潔刮板對樹脂混凝土攪拌過程產(chǎn)生阻礙的問題。構(gòu)建此問題的物場模型：機械場（F）、攪拌鏟片（S1）、清潔刮板（S2）。通過分析發(fā)現(xiàn)，攪拌鏟片（S1）對清潔刮板（S2）生成障礙部分的是攪拌鏟片（障礙部分）阻礙清潔刮板的運動，見圖4。接下來采用“產(chǎn)生有害作用時，引入變形的第三種物質(zhì)S”這一標(biāo)準(zhǔn)解法，將全部安裝在攪拌主軸上的攪拌鏟片改為部分固定在攪拌筒上并與清潔刮板相結(jié)合形成全新的攪拌鏟片S2，使攪拌鏟片既能實現(xiàn)攪拌功能，又能成為清潔刮板的連接機構(gòu)。

圖4 物場分析模型

4 清洗模塊設(shè)計方案

基于TRIZ理論，單臥軸樹脂混凝土攪拌機清洗模塊分為清潔模塊和移動模塊。移動模塊采用電機驅(qū)動滾珠絲杠，清潔模塊采用的是針對單臥軸混凝土攪拌機設(shè)計的攪拌鏟片，清潔鏟片分布于攪拌鏟片的空隙中間固定位置處，便于計算機的控制，減少運算量。對原有的攪拌筒進行了改進，清潔鏟片的形狀設(shè)計為和攪拌鏟片相同的螺旋形，可以代替一部分?jǐn)嚢桤P片，通過計算得到清潔鏟片和主軸攪拌鏟片重合時的位置，去除主軸攪拌鏟片的相應(yīng)部分，確保清潔鏟片能夠順利通過攪拌鏟片，防止機器卡死損壞。攪拌機的清洗模塊示意圖如圖5所示。

圖5 攪拌機清洗模塊示意圖

攪拌機工作過程中，攪拌鏟片在筒內(nèi)做前進運動，清潔鏟片被固定靜止不動，因為在攪拌鏟片上留出了供清潔鏟片通過的位置，所以不會影響主軸攪拌鏟片的前進。由于二者形狀相似，固定不動的清潔鏟片在攪拌過程中也會實現(xiàn)攪拌鏟片的功能，相較于傳統(tǒng)攪拌機而言，清潔刮板就會起到加速攪拌的作用，增加了攪拌鏟片的密度，提高攪拌效率。

清潔過程可以分為三步：①在攪拌機內(nèi)注入清水，電機驅(qū)使清潔鏟片靠近攪拌鏟片，移動到固定位置后跟隨攪拌鏟片做同步運動，清潔鏟片會因為攪拌鏟片的旋轉(zhuǎn)將殘留物刮掉，進行攪拌鏟片的清洗；②攪拌鏟片與清潔鏟片反向轉(zhuǎn)動驅(qū)使清潔鏟片向另一側(cè)的攪拌鏟片靠近，攪拌主軸也在電機的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，在這個過程中將會完成對攪拌主軸的清洗，直到兩者到達相應(yīng)的距離；③當(dāng)清潔鏟片移動到另一側(cè)后隨攪拌鏟片同步運動，完成另一側(cè)的清洗，最后復(fù)位。

通過清潔鏟片在攪拌筒內(nèi)的移動，筒內(nèi)的攪拌鏟片和主軸都得到了清洗，因為采用的是刮板式清理方式，相較于單一水洗式針對黏度大的混凝土?xí)懈玫那逑葱Ч⑶仪逑催^程會在電機的控制下自主完成，減少人工輔助，提高混凝土澆筑生產(chǎn)線的效率。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用TRIZ理論進行樹脂混凝土攪拌機清洗模塊的設(shè)計，根據(jù)分割原理和創(chuàng)新原理設(shè)計出了單臥軸樹脂混凝土攪拌機清洗模塊的總體方案，針對樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線進行了清洗優(yōu)化，該方案清潔鏟片跟隨攪拌鏟片一起運動輔助攪拌，能夠?qū)嚢桤P片和主軸進行清潔，針對樹脂混凝土澆筑生產(chǎn)線進行了清洗優(yōu)化，提高了攪拌清潔效率。但是并不能輔助攪拌筒內(nèi)壁的清潔，仍需要結(jié)合人工洗進行清潔，在接下來的工作中，將針對攪拌筒內(nèi)壁進行清潔模塊設(shè)計。