唐靜靜，楊 磊，徐雪萌，劉 權(quán)，李穎鵬，張東凱

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

利用大曲作為糖化劑和發(fā)酵劑釀造白酒是我國(guó)特有的釀酒工藝。曲塊質(zhì)量是影響白酒品質(zhì)和出酒率的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的曲塊制作為人工踩制，存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)能小、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、曲塊成型差異大等缺點(diǎn)。為了提高制曲效率，目前各大白酒廠普遍采用壓曲機(jī)一次性壓制曲塊，錘頭壓制時(shí)間短，沖擊力大，曲料中的水分無(wú)法充分流動(dòng)，導(dǎo)致曲塊存在質(zhì)量不穩(wěn)定、提漿效果差等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了不同程度的研究。張靜等［1］模擬人工踩曲，設(shè)計(jì)多次擠壓成型工藝，降低成型次數(shù)過(guò)少對(duì)曲塊品質(zhì)的影響。張明松等［2］用溝槽凸輪機(jī)構(gòu)替代曲柄連桿機(jī)構(gòu)，在同等生產(chǎn)效率的情況下提高壓曲效果。高劍等［3］確定多工位液壓式壓曲機(jī)的壓曲工藝參數(shù)，為壓曲機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。學(xué)者們從不同的角度對(duì)壓曲機(jī)的某個(gè)技術(shù)難題進(jìn)行了探索，但較少?gòu)脑黾訅呵鷻C(jī)的捶打柔性角度，研究更接近人工踩曲工藝的壓曲機(jī)設(shè)計(jì)。本文采用TRIZ理論，針對(duì)現(xiàn)有壓曲機(jī)存在的問(wèn)題，從解決技術(shù)沖突的角度進(jìn)行分析，運(yùn)用發(fā)明原理確定壓曲機(jī)的設(shè)計(jì)方案，為壓曲機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新的研發(fā)思路。

1 TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving，發(fā)明問(wèn)題理論）是一種以技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化原理及沖突解決原理為核心的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新方法。該理論將工程技術(shù)與科學(xué)中面臨的問(wèn)題進(jìn)行分類，建立基于知識(shí)消除沖突的邏輯方法［4-5］。TRIZ中的沖突理論解決問(wèn)題流程如圖1所示。

圖1 沖突理論解決問(wèn)題流程Fig.1 Problem solving process by conflict theory

2 壓曲機(jī)技術(shù)沖突問(wèn)題分析

“曲塊質(zhì)量不穩(wěn)定，壓曲效果與人工踩曲差異大”是當(dāng)前各類壓曲機(jī)發(fā)展面臨的主要技術(shù)問(wèn)題。提升曲塊質(zhì)量穩(wěn)定性，縮小機(jī)械壓曲與人工踩曲差異，裝備的可制造性和復(fù)雜性，以及生產(chǎn)效率成為相互制約的因素［6-8］。

2.1 根因分析

壓曲機(jī)的曲塊制作質(zhì)量不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為曲料壓縮變形不一致，外皮容易干緊，內(nèi)部窩水，在后期儲(chǔ)存中易形成“芯爛皮不爛”。主要原因：一方面，壓制的次數(shù)過(guò)少，單點(diǎn)單次壓制使曲料未能達(dá)到變形要求；另一方面，錘頭的剛性沖擊過(guò)大，在快速?zèng)_擊壓制過(guò)程中，曲料中的水分流動(dòng)不夠充分，導(dǎo)致表面提漿效果差，內(nèi)部窩水較多。通過(guò)因果鏈分析，提取出影響壓曲機(jī)制作曲塊質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：壓制次數(shù)、壓制頻率、壓曲力值、壓制錘頭與曲料接觸部分的形狀。

2.2 技術(shù)沖突與發(fā)明原理

為提高曲塊質(zhì)量穩(wěn)定性，采用多點(diǎn)多頻次壓制技術(shù)，需要增加曲塊的壓制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但會(huì)提高設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，增加設(shè)備的可制造性成本。將“多點(diǎn)多頻次壓制”“設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜”與“可制造性”用通用工程參數(shù)描述，轉(zhuǎn)換為T(mén)RIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突。改善的參數(shù)：No.12形狀；惡化的參數(shù)：No.36裝置的復(fù)雜性、No.32可制造性。

為降低壓曲機(jī)的壓曲效果與人工踩曲效果的差異，需要調(diào)整壓制錘頭結(jié)構(gòu)，增加錘頭的沖壓柔性度，但會(huì)增加“錘頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性”、降低“錘頭的適用性”。用通用工程參數(shù)表述，改善的參數(shù)：No.12形狀、No.10力；惡化的參數(shù)：No.36裝置的復(fù)雜性、No.35適用性及多用性。

根據(jù)相應(yīng)的工程參數(shù)，在沖突矩陣中查找對(duì)應(yīng)解決問(wèn)題的發(fā)明原理［9］，構(gòu)建如表1所示的沖突矩陣。

表1 沖突矩陣Tab.1 Conflict matrix

綜合考慮壓曲工藝及壓曲機(jī)實(shí)際工況等因素，選擇發(fā)明原理1分割原理、15動(dòng)態(tài)化、16近似化、17多維化、26復(fù)制原則、35改變參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。1分割原理主要是針對(duì)“多點(diǎn)多頻次”壓制過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將其分成獨(dú)立的部分設(shè)計(jì)，便于安裝拆卸。利用26復(fù)制原則設(shè)計(jì)壓制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，降低裝置的復(fù)雜性。運(yùn)用17多維化原理思考從增加壓制工位到細(xì)化錘頭單元，提高“多點(diǎn)多頻次”效果。15動(dòng)態(tài)化原理、35改變參數(shù)原理和16近似化原理主要針對(duì)“壓曲機(jī)壓曲效果與人工踩曲差異較大”的問(wèn)題，改變錘頭的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)柔性沖壓結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面來(lái)提高錘頭在壓制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)適用性。利用16近似化原理，一方面改進(jìn)錘頭的壓制表面，使其接近人工踩曲的曲塊表面形狀；另一方面，模擬人腳小面積接觸、多次踩踏的工況，將傳統(tǒng)的一體式錘頭分割成若干個(gè)部分，結(jié)合錘頭的動(dòng)態(tài)適應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以提高錘頭壓制曲塊與人工踩曲的近似度。

3 壓曲機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

利用分割原理和多維化原理，改變?cè)袉喂の粔褐平Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)多工位的壓曲機(jī)。壓曲機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多工位壓曲機(jī)總體方案示意Fig.2 Schematic diagram of the overall scheme of the multistation koji block press

參考人工踩曲過(guò)程，將壓曲工序設(shè)計(jì)為“加料—預(yù)壓整形—一次捶打—二次捶打—三次捶打—脫?！?，工序臺(tái)上設(shè)有相應(yīng)的6個(gè)工序位置。

壓曲機(jī)采用電機(jī)、凸輪分割器帶動(dòng)回轉(zhuǎn)工序臺(tái)運(yùn)動(dòng)，固定在回轉(zhuǎn)工序臺(tái)上的模盒隨之運(yùn)動(dòng)。曲料由料斗填充入進(jìn)料工位的模盒后，工序臺(tái)帶動(dòng)模盒轉(zhuǎn)動(dòng)60°，到達(dá)預(yù)壓整形工位。各工位錘頭連接緊湊型氣缸，安裝在錘頭固定板上。錘頭固定板由其上方的液壓缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速升降運(yùn)動(dòng)。錘頭上的氣缸可驅(qū)動(dòng)錘頭進(jìn)行高頻率升降，模擬人腳多點(diǎn)多頻次踩曲動(dòng)作。當(dāng)工序臺(tái)帶動(dòng)有曲料的模盒運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)工位時(shí)，凸輪間歇分割器上的光電傳感器接收到信號(hào)并反饋給控制系統(tǒng)，液壓電磁閥打開(kāi)，液壓油缸伸出，帶動(dòng)錘頭安裝板整體下移。每個(gè)錘頭安裝板下安裝有16個(gè)錘頭，每個(gè)錘頭上對(duì)應(yīng)1個(gè)帶導(dǎo)桿的氣缸。當(dāng)液壓缸驅(qū)動(dòng)錘頭安裝板下壓到設(shè)定位置后，由行程限位傳感器將信息反饋給控制系統(tǒng)，液壓缸帶動(dòng)錘頭安裝板停止運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)電磁閥打開(kāi)，氣缸驅(qū)動(dòng)每個(gè)錘頭進(jìn)行多頻次升降運(yùn)動(dòng)，模擬人腳踩壓曲料。當(dāng)踩壓時(shí)間結(jié)束，氣動(dòng)閥關(guān)閉，氣缸縮回，液壓缸收縮，提起錘頭安裝板到指定位置，工序臺(tái)再旋轉(zhuǎn)60°，帶動(dòng)模盒轉(zhuǎn)移至下一工位。經(jīng)過(guò)3次捶打成型的曲塊被模盒帶至脫模工位后，該工位底部留有出料口，脫模錘頭下移，將壓制好的曲塊從模盒中壓落到傳送帶上輸出。

4 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

4.1 回轉(zhuǎn)工序臺(tái)

回轉(zhuǎn)工序臺(tái)主要包括模盒回轉(zhuǎn)焊接件、底板、回轉(zhuǎn)主軸、電機(jī)和凸輪分割器等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪分割器將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成分割精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)的間歇式運(yùn)動(dòng)［10-11］。設(shè)計(jì)壓曲機(jī)生產(chǎn)效率為500塊/h，凸輪分割器為六分度，輸出軸每轉(zhuǎn)動(dòng)和停頓的分割時(shí)間可依據(jù)工序數(shù)量、工序執(zhí)行所需時(shí)間進(jìn)行選擇和調(diào)整。

圖3 回轉(zhuǎn)工序臺(tái)Fig.3 The rotary operation stage

模盒焊接件上焊接有6個(gè)均勻分布的模盒工位，每個(gè)模盒工位上有2個(gè)模盒。焊接件與回轉(zhuǎn)主軸連接，當(dāng)電機(jī)和凸輪分割器帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主軸帶動(dòng)模盒焊接件轉(zhuǎn)動(dòng)。底板固定在壓曲機(jī)機(jī)架上，在模盒底部形成密封。在脫模工位處，底板開(kāi)設(shè)有落料口，成型的曲塊脫模后從落料口落至傳送帶上。模盒的大小根據(jù)曲塊的大小制定，深度根據(jù)曲塊的厚度及曲料的壓縮比確定。為便于曲塊脫模，設(shè)計(jì)模盒壁板與垂直方向夾角為3°～5°［12］。

4.2 預(yù)壓整形工位

預(yù)壓整形的作用是大幅度擠壓料粒之間的空氣，縮小料粒間的間隙，防止在捶打時(shí)料粒飛濺。為防止物料濺出，預(yù)壓頭對(duì)曲料的壓力不宜過(guò)大；為保證生產(chǎn)效率，預(yù)壓頭的擠壓速度不宜過(guò)小。在曲料初期階段，由于料粒間的間隙大，空氣是影響曲料壓縮的主要因素，而預(yù)壓頭的壓制速度對(duì)壓力和壓縮量的影響較小。圖4所示為不同壓制速度對(duì)曲料壓縮量的影響［13］。

圖4 不同壓制速度下壓力與壓縮量的關(guān)系Fig.4 The relationship between pressure and compression amount at different pressing speeds

預(yù)壓頭機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 預(yù)壓頭機(jī)構(gòu)Fig.5 Prepress head mechanism

預(yù)壓整形工位的工作流程：液壓缸帶動(dòng)預(yù)壓頭在空行程階段以8 mm/s的速度快速下降；當(dāng)預(yù)壓頭開(kāi)始與曲料接觸時(shí)，預(yù)壓速度調(diào)整為6 mm/s；壓制曲料4 s后，預(yù)壓頭停止下移；保持5 s后，空行程快速上移，回到工作初始位置，完成1個(gè)預(yù)壓整形周期。在預(yù)壓頭與曲料開(kāi)始接觸過(guò)程中，預(yù)壓壓力從0逐漸加大到1 kN。

4.3 捶打工位

曲料被擠壓時(shí)，壓縮變形3個(gè)階段的變化如圖6所示。

圖6 壓力與曲料壓縮量關(guān)系Fig.6 Relationship between pressure and compression amount of koji material

第一階段，壓力值與曲料壓縮量之間近似線性關(guān)系，料粒間隙較大，壓縮量受壓力影響較大，壓力值范圍為0～1 kN；第二階段，料粒間隙較小，曲料被壓制，料粒產(chǎn)生較小的彈性變形，進(jìn)行捶打踩曲使料粒間的水分規(guī)則流動(dòng)，利于曲塊成型，壓力值范圍為1～6 kN；第三階段，料粒間發(fā)生塑性變形，顆粒形成嵌合狀態(tài)，壓縮量變化較小，曲料處于塊體成形狀態(tài)，壓力值＞6 kN。

根據(jù)曲料變形規(guī)律，結(jié)合動(dòng)態(tài)化原理和改變參數(shù)原理，將一次捶打設(shè)置在第二變形階段初期，作用是促進(jìn)曲料內(nèi)部的水分流動(dòng)，使曲塊成形時(shí)水分分布均勻，捶打壓力設(shè)置在1～1.5 kN；將二次捶打設(shè)置在曲料的第二變形后期階段，其作用是實(shí)現(xiàn)曲塊表面提漿，捶打壓力設(shè)置在1.5～3.5 kN；將三次捶打設(shè)置在曲料的第三變形階段，其作用是使曲塊最終成形，表面主觀性能達(dá)標(biāo)，捶打壓力設(shè)置為6 kN。

為了獲得較好的踩踏效果，模擬人腳在曲塊上的多點(diǎn)多頻踩踏，將每個(gè)模盒上方的錘頭均設(shè)計(jì)為8個(gè)獨(dú)立踩踏單元，每個(gè)單元由1個(gè)帶導(dǎo)桿的緊湊型氣缸控制。為簡(jiǎn)化壓曲機(jī)結(jié)構(gòu)，采用TRIZ復(fù)制發(fā)明原理設(shè)計(jì)捶打機(jī)構(gòu)。捶打機(jī)構(gòu)的三維簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 捶打機(jī)構(gòu)三維簡(jiǎn)圖Fig.7 schematic diagram of the beating mechanism

捶打過(guò)程中，錘頭對(duì)曲塊的踩踏頻次對(duì)曲塊表面提漿效果和內(nèi)部水分分布的均勻性有正向影響，如圖8所示。隨著踩踏頻次的增加，曲料內(nèi)部的空氣和水分流動(dòng)更加充分，并在曲料內(nèi)部形成更多的小麥漿液，曲塊表面提漿效果和水分分布均勻性更好。當(dāng)踩踏頻次超過(guò)12次后，曲料表面提漿效果和水分分布均勻性基本達(dá)到平衡。故設(shè)置1個(gè)捶打周期內(nèi)，單個(gè)錘頭單元的踩踏頻次為3次，曲塊表面區(qū)域內(nèi)共受到24次不同位置錘頭單元的捶打。

圖8 踩踏頻次對(duì)大曲表面提漿效果和內(nèi)部含水均勻性的影響Fig.8 The influence of the tread times on the effect of the surface slurry lifting and the uniformity of the internal water content

捶打工作流程：液壓缸帶動(dòng)捶打機(jī)構(gòu)空行程下降190 mm，錘頭位于曲料上方15 mm處；之后錘頭單元做3次升降踩踏動(dòng)作；完成捶打后，液壓缸帶動(dòng)捶打機(jī)構(gòu)空行程上升，回到初始位置。

在傳統(tǒng)制曲工藝中，人工壓曲是一個(gè)反復(fù)、柔性踩踏的過(guò)程。傳統(tǒng)曲塊用雙足踩出中間高、四邊低、松緊適宜的“龜背形”大曲，這種曲塊形狀有利于微生物的生長(zhǎng)和后期發(fā)酵?，F(xiàn)有壓曲機(jī)的壓制方式雖然提高了制曲效率，但由于錘頭缺乏彈性，在捶打過(guò)程中曲塊無(wú)法獲得柔性的剪切擠壓，容易造成曲塊表面過(guò)早形成干皮，而內(nèi)部水分很難揮發(fā)出來(lái)。采用近似化原理和分割原理，按照曲塊的“龜背”形狀設(shè)計(jì)錘頭表面，并將其設(shè)計(jì)成由8個(gè)獨(dú)立單元組成的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 錘頭單元結(jié)構(gòu)Fig.9 Hammerhead cell structure

為達(dá)到柔性捶打的效果，錘頭單元主體設(shè)計(jì)為柔性結(jié)構(gòu)，如圖10所示。采用彈簧作為彈性元件，內(nèi)置于錘頭中空部位。氣缸推桿經(jīng)固定塊與踩踏頭連接。當(dāng)氣缸推桿帶動(dòng)踩踏頭下移進(jìn)行踩曲時(shí)，彈簧受到壓縮，實(shí)現(xiàn)一定程度的緩沖回彈。彈簧的儲(chǔ)存和釋放能量使曲塊壓制過(guò)程更加連續(xù)、均勻，更加接近人工柔性踩壓過(guò)程。

圖10 柔性錘頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.10 Schematic diagram of the flexible hammer head structure

4.4 脫模工位

脫模工位的作用是將成型的曲塊進(jìn)行脫模，將其推出模盒并輸出。采用TRIZ復(fù)制原理，脫模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可與預(yù)壓成型機(jī)構(gòu)相同。在脫模過(guò)程中施加的力與其他力相比較小，可以忽略不計(jì)。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

多工位柔性壓曲機(jī)樣機(jī)如圖11所示。樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The prototype test data

圖11 多工位柔性壓曲機(jī)樣機(jī)Fig.11 Multi-station flexible koji block press prototype

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合地方標(biāo)準(zhǔn)DB52T 871—2014《醬香型白酒釀酒用大曲》要求［14］。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合TRIZ原理分析現(xiàn)有壓曲機(jī)的技術(shù)沖突問(wèn)題，將問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)化，依據(jù)沖突矩陣明確“機(jī)—液—?dú)狻币惑w的多工位柔性壓曲機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并獲得初步的研究結(jié)果：（1）參考人工踩曲過(guò)程及已有研究，將壓曲工序設(shè)計(jì)為“加料—預(yù)壓整形—一次捶打—二次捶打—三次捶打—脫模”，解決現(xiàn)有壓曲機(jī)單次單點(diǎn)壓制的缺陷問(wèn)題。（2）利用凸輪間歇分割器完成多工位工序盤(pán)的間隙運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)多工位上壓制、捶打機(jī)構(gòu)的工作。（3）設(shè)計(jì)“多點(diǎn)多頻次”捶打方案，將錘頭設(shè)計(jì)成8個(gè)獨(dú)立可控的柔性捶打單元，實(shí)現(xiàn)人工踩曲效果。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的壓曲機(jī)所制得的曲塊在密度和水分分布上更加均勻，提漿效果較好。設(shè)計(jì)的壓曲機(jī)方案可行。