秸秆压块机创新设计论文

1TRIZ理论

1.1TRIZ理论概述

TRIZ理论在解决不同领域的创新问题时有相对应的解题模式。首先对问题进行定义，通过对问题分析设定IFR，确定矛盾属性，最后通过选择合理工具解决矛盾。水平I的调整有多种方向，具体细化到调整各个因子以达到系统功能的要求。技术矛盾是两个参数之间的矛盾，它的存在是影响系统功能最主要的因素，解决矛盾的途径可用发明原理和阿奇舒勒矛盾矩阵表。发明原理是阿奇舒勒通过对大量发明专利进行研究、分析和总结得出的40条应用原理，具有普遍应用性。为避免将40个发明原理都分析一遍，阿奇舒勒矛盾矩阵表解决技术矛盾的主旨是明确一对所要解决的技术矛盾后直接查询即可得到解决方案的应用工具，通过阿奇舒勒矛盾矩阵确定的发明原理，结合实际需要解决的矛盾，确定组合应用原理方案。阿奇舒勒矛盾矩阵表经过多年的改进，2003年重新提出更加完整的矩阵表：参数由39个变为48个，并不再出现空格。

1.2TRIZ理论的应用

TRIZ理论在几十年的发展中，欧美等发达国家对TRIZ理论的应用深入企业，德国所有名列世界500强的企业都在应用该理论，如西门子、奔驰、宝马、大众等著名公司都有专门机构及负责人开展对TRIZ理论知识的培训。美国最成功的实例福特汽车公司，由TRIZ创新的产品为其每年带来超过10亿美金的销售利润。我国对TRIZ理论引入的时间较晚，并大多应用于电子信息集成方面，工程实例中未见显赫的成就，但也解决了工程实例中的设计难题，同时产生了巨大的经济效益。例如，为保证联接结构的稳定性，对可拆卸联接设计进行改进；为避免摩擦力矩增加而降低减速器性能，对摩擦片采用双层结构设计保持力学性能等。TRIZ理论近年来在车辆工程上对微小零部件的创新改进解决了较大的性能问题。由于TRIZ理论诞生的本质是对发明专利的研究总结，可见，该理论极其适合工程领域中对存在显著问题的改进设计及已有设备的创新设计。

2基于TRIZ的立式环模秸秆压块机创新设计

2.1立式环模秸秆压块机的矛盾

立式环模秸秆压块机的工作部件为环模及压辊，成型过程在压辊与环模围成的成型室中完成。主动部件压辊将原料不断送入环模，堆积的物料将不断被压辊挤压、压缩出环模，由于自身重力掉落。立式环模秸秆压块机虽解决了活塞冲压式成型机和螺旋挤压式成型机的关键部件磨损严重导致的关键部件寿命短和单机生产量低的问题[，但尚未在此基础上提高生产率。生产率的提高会导致设备的功率增加而使吨产品能耗降低，影响设备的性能。阿奇舒勒总结的48个通用工程参数中，对立式环模秸秆压块机的创新设计参数确定为生产率的提高对功率的增加；生产率的提高对静止物体消耗的能量（能量是静止物体做功的一种量度，能量包括电能、热能及核能等）的增加。图1为TRIZ理论在立式环模成型机上的解题步骤。

2.2创新设计的矛盾解决原理

创新设计中核心问题是解决矛盾，矛盾又分为管理矛盾、技术矛盾和物理矛盾。对立式环模秸秆压块机的创新设计需要解决的矛盾为技术矛盾。技术矛盾对应的48个通用特征参数为No.44生产率、No.17静止物体消耗的能量和No.18功率。阿奇舒勒矛盾矩阵表是TRIZ理论中创新解决技术矛盾的主要工具，浓缩了对大量专利研究所取得的成果。为方便查找，结合工程参数与发明原理建立的关系，整理成48×48的矩阵。对阿奇舒勒矛盾矩阵表的应用见表1。相对应应用于创新设计的40条发明原理见表2，其中No.17维数变化原则对立式环模压块机关键部件的创新设计也具有意义，列支说明。

2.3发明原理的应用

根据阿奇舒勒矛盾矩阵表确定的发明原理组合对立式环模秸秆压块机进行以解决生产率低、能耗高为目的的创新设计分析。应用No.1分割原则和No.5组合原则，将成型室中的模块设计成独立、可拆卸的分体式部分，模块组合成完整的环模；对于主要失效形式为摩擦磨损的模块，可进行局部替换，避免整铸时局部磨损严重失效导致的更换整体造成的成本增加。应用No.2抽取原则和No.3局部质量原则，将物体中的关键部件———环模与压辊挑选、分离出来；为提高生产率保证关键部件连续工作，模块、压辊表面进行喷涂处理以提高其耐磨强度。

3试验

3.1试验仪器及参数

2014年9月在河北省邢台市某生物质成型燃料厂进行压块成型调试与生产性试验，试验采用自然晾晒24h以上的糠醛渣为原料，粒度为6~0.15mm，含水率为26.2%。测试仪器：1011A型电热鼓风干燥箱、PL2002型电子天平（精度0.01g）、KEW6310型电能质量分析仪、KER2400型转鼓试验机等。试验参数包括成型率、生产率、吨料能耗、密度、机械耐久性。

3.2结果与分析

试验设备模辊间隙为1.2mm，主轴转速为163r/min。试验结果如表3所示。试验结果表明，在正常运行状态下，立式双层环模压块机的产品各项性能指标均能够达到设计标准。其中，上、下层环模成型燃料的密度有所差距，但均达到＞1.0g/cm3的高密度标准。立式双层环模成型压块机的产品试验结果表明：设备生产率为2519kg/h，产品能耗为25.86kWh/t；上层环模产品密度为1.13g/cm3，下层密度为1.22g/cm3；成型燃料上层产品机械耐久性为96%，下层为97.7%；成型率为96.2%。试验结果说明：基于TRIZ理论设计的成型结构，不仅能够提高设备的工作小时的生产率，吨料能耗没有呈相应比例的增加，能够满足生活生产对产率的需求；而且物料的密度较大，出现下层产品质量大于上层物料的现象，对产品质量的密度呈可观性影响；由于密度的差别，对产品的机械耐久性也存在相应的差别。

4结论

运用TRIZ理论，对立式环模压块机的生产率低、功率高的问题进行分析；对系统进行问题分析，设定系统中的最终理想解（IFR），确定技术矛盾（提高生产率将会导致功耗与能量的升高），运用阿奇舒勒矛盾矩阵表确定40条发明原理中适合解决系统矛盾的原理。确定创新设计方案：利用原则1与原则5将模块设计成独立、可拆卸的分体式；原则2与原则3对模块表面混合粉末进行表面喷涂；原则4将模块改进为非对称形式，定位孔中心线与环模孔中心线偏差4.3°；原则17将单层模块改进为双层模块。立式双层环模成型压块机的产品经试验测试，设备生产率为2519kg/h，产品能耗为25.86kWh/t；上层环模产品密度为1.13g/cm3，下层密度为1.22g/cm3；成型燃料上层产品机械耐久性为96%，下层为97.7%；成型率为96.2%。结果表明，基于TRIZ理论对成型关键部件的设计明显提高了设备的工作小时的生产率，而吨料能耗没有呈相应比例的增加；双层成型压块质量均满足高密度产品要求，为提高成型设备的生产质量需求提供可靠数据。

作者:张妍 姚宗路 赵立欣 郭占斌 孟海波 丛宏斌 霍丽丽 单位:农业部规划设计研究院