經(jīng)過近60年的發(fā)展，TRIZ已成為解決發(fā)明問題的強有力方法學(xué)，在世界許多國家的企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，解決了無數(shù)的工程問題。
1、林木生物質(zhì)粉碎設(shè)備現(xiàn)狀
我國有著豐富的可利用林木生物質(zhì)資源，粉碎是生物質(zhì)能源利用轉(zhuǎn)化的前提條件。生物質(zhì)原料經(jīng)過粉碎，顆粒由大變小，物料單位質(zhì)量的表面積增加，可以提高物理作用及化學(xué)反應(yīng)的速度。一般而言，粉碎后的生物質(zhì)原料粒度越細(xì)，后期加工利用效果越好。
目前，我國生物質(zhì)粉碎機(jī)主要用于粉碎農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)動物飼料，作其他用途的粉碎機(jī)大都是參照秸稈粉碎機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，其中錘片式粉碎機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、適應(yīng)性強等優(yōu)點，應(yīng)用最廣。錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，物料由進(jìn)料口均勻地喂入粉碎室，首先被錘片打擊，進(jìn)行一定程度的粉碎，同時以較高的速度甩向固定在粉碎室內(nèi)部的齒板和篩網(wǎng)上，受到齒板的碰撞和篩網(wǎng)的搓擦而進(jìn)一步粉碎。在粉碎室中如此重復(fù)進(jìn)行，直至物料被粉碎到可通過篩孔為止，富通新能源銷售秸稈粉碎機(jī)、秸稈揉搓機(jī)等粉碎機(jī)械設(shè)備。
文中所設(shè)計的林木生物質(zhì)粉碎機(jī)，要求將林木加工剩余物加工成mm級粉體，生產(chǎn)能力為1 000 kg/h。而現(xiàn)有的錘片式粉碎機(jī)粉碎顆粒尺寸過大（多為10 mm以上），不能滿足后期加工利用的要求，且刀片磨損快、粉碎粒度不均勻、能耗高、度電產(chǎn)量低，難以適應(yīng)大規(guī)模開發(fā)利用林木生物質(zhì)能源的需求。
因此，針對林木生物質(zhì)的特性，以高效率和細(xì)粉碎粒度及降低粉碎功耗為目標(biāo)，應(yīng)用TIIZ理論研究林木生物質(zhì)高效精細(xì)粉碎機(jī)的工作原理和各種實現(xiàn)方案，進(jìn)行粉碎工藝與設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計，可以為推動我國生物質(zhì)能源利用產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程提供有力的保障，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。。
2、設(shè)計過程
2.1問題描述
設(shè)計要求：設(shè)計一臺生物質(zhì)粉碎機(jī)，用該機(jī)械可以直接把各種樹皮含量高、韌性大、徑級小的灌木、枝條類林木加工剩余物加工成mm級粉體，生產(chǎn)能力為1 000 kg/h。通過查詢、調(diào)研，沒有可以滿足上述要求的粉碎機(jī)產(chǎn)品，擬借鑒錘片式粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有方案的主要缺點：粉碎粒度過大，生產(chǎn)率低，能耗大。
2.2系統(tǒng)功能分析
TRIZ理論的系統(tǒng)功能分析是從完成功能的角度來分析系統(tǒng)由哪些組件組成，組件間的相互作用是有利、有害還是中性的。在后續(xù)的解決方案中，設(shè)法調(diào)用相關(guān)資源，強化有利作用，消除有害作用，從而找到解決問題的多種途徑。
林木生物質(zhì)粉碎機(jī)作為一個技術(shù)系統(tǒng)的主功能是粉碎∮60mm以下林木剩余物，子功能有切削、錘擊、摩擦、碰撞、篩分和固定，主要組件有粉碎室、刀具（刀片、錘頭）、轉(zhuǎn)子、大尺寸木材、中等顆粒木片、小顆粒木屑。應(yīng)用億維訊公司的Pto/lnno-vator軟件逐一分析各組件間的相互作用，建立系統(tǒng)功能模型，如圖2所示。
Pro/lnnovator軟件自動將系統(tǒng)分析模塊產(chǎn)生的所有問題列表，如：大尺寸木材磨損刀片、小顆粒木屑堵塞篩網(wǎng)、大尺寸木材顆�；蛔�、篩網(wǎng)分離小木屑效率低等，提供多個解決問題的路徑。
2.3根本原因分析
在功能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行根本原因分析，可以在查詢原因的過程中，將表象問題轉(zhuǎn)化，得到更多解決問題的突破口，尋找更多解決問題的資源。
圖3是系統(tǒng)分析模塊產(chǎn)生的一個問題“篩網(wǎng)分離小木屑效率低”的根本原因分析示例。
根本原因分析的目的是在每一個原因上尋找可能的解決方案。以下是分析其中兩個原因而產(chǎn)生的解決方案。
原因1：現(xiàn)有生物質(zhì)粉碎機(jī)粉碎室多為圓形，轉(zhuǎn)子帶動錘刀高速旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)流層帶動顆粒旋轉(zhuǎn)，使得顆粒切向速度很快，從而使顆�？缭胶Y孔時間過短，影響篩分效率。
解決方案：在篩網(wǎng)上加凸起的湍流板，如圖4所示。湍流板設(shè)置為橢圓形的面，用耐磨材料制成。湍流板使物料環(huán)在篩面上高速移動時突遇外力作用而出現(xiàn)短暫的停頓，從而破壞環(huán)流層，降低顆粒切向速度，同時增強了對物料的剪切和碰撞作用，提高粉碎效率。
原因2：由于粉碎后的成品顆粒為l mm左右的術(shù)屑，質(zhì)量小、離心力小，從而導(dǎo)致顆粒的徑向速度小，不易通過篩孔。
解決方案：采用吸風(fēng)裝置，使成品顆粒在鼓風(fēng)機(jī)的吸力作用下加速通過篩孔，提高篩分效率。
2.4物理矛盾定義和分離方法應(yīng)用
物理矛盾是指對系統(tǒng)的同一個參數(shù)有不同的要求。解決物理矛盾的方法是采用分離方法和查詢知識庫。分離方法有：空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分分離。
定義物理矛盾：一方面，木屑尺寸要小，以滿足后續(xù)利用要求；另一方面，木屑尺寸要大，以利于加工。
應(yīng)用時間分離和空間分離原理，采用分級粉碎，一級粉碎室由削片部分和粉碎部分組成，主要對物料進(jìn)行粗粉碎；二級粉碎室采用錘片式結(jié)構(gòu)，對經(jīng)過粗粉碎的物料進(jìn)一步細(xì)粉碎，以達(dá)到要求的粉碎粒度。
2.5技術(shù)矛盾定義和創(chuàng)新原理應(yīng)用
技術(shù)矛盾是指改善技術(shù)系統(tǒng)的某個參數(shù)而導(dǎo)致另一個參數(shù)發(fā)生惡化產(chǎn)生的矛盾。TRIZ將導(dǎo)致技術(shù)矛盾的因素總結(jié)成39個通用技術(shù)參數(shù)，提供了40個解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理，根據(jù)40條創(chuàng)新原理和39個通用技術(shù)參數(shù)之間建立的對應(yīng)關(guān)系形成的矛盾矩陣，可得到推薦的解決所定義技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理，即標(biāo)準(zhǔn)解。
定義技術(shù)矛盾：設(shè)計要求降低粉碎粒度，但會導(dǎo)致功耗增加。則改善的技術(shù)參數(shù)是：木屑的體積減小，即第7個通用技術(shù)參數(shù)“運動物體的體積”；惡化的技術(shù)參數(shù)是：功率消耗增加．即第21個通用技術(shù)參數(shù)“功率”。由矛盾矩陣得到推薦的創(chuàng)新原理為№35物理化學(xué)參數(shù)變化、№6多用性、N0 13反向作用、№18機(jī)械振動。
由創(chuàng)新原理№35“物理化學(xué)參數(shù)變化”得到的解決方案是：控制原料的含水率。
因為木材的塑性隨含水率的增加而增大，所以原料含水率過高，會使切削力增大，功率消耗增加。而隨著含水率的下降，木材發(fā)生干縮，膠束之間的內(nèi)聚力增大，內(nèi)摩擦因數(shù)增高，密度增大，使木材力學(xué)強度急劇增加，也會使切削力增大，功率消耗增加�？梢酝ㄟ^實驗測定切削力和原料含水率的關(guān)系，找到使切削力最小的最佳含水率。
由創(chuàng)新原理№6“多用性”得到的解決方案是：改進(jìn)二級粉碎刀具結(jié)構(gòu)，增加其多用性，使其既有切削又有錘打、撕裂作用。
現(xiàn)有錘片式粉碎機(jī)的刀具（錘片）形狀如圖5所示。
改進(jìn)后的刀具采用如圖6a所示的錘片組和如圖6b所示的L型甩刀錘片組合。錘片組提高了刀具的切削性，增加了破碎作用；L型甩刀錘片增大了旋轉(zhuǎn)打擊時與顆粒的接觸面積，使物料受到的打擊力增大，有助于提高粉碎效率。
由創(chuàng)新原理№13“反向作用”沒有得到適用的解決方案。
由創(chuàng)新原理№18“機(jī)械振動”得到的解決方案是采用振動篩。
如圖4所示，在篩網(wǎng)和機(jī)殼之間設(shè)置振動機(jī)構(gòu)，篩網(wǎng)通過振動機(jī)構(gòu)和機(jī)殼相連。當(dāng)粉碎機(jī)在粉碎物料時，錘片打擊物料，物料將動力傳遞到篩網(wǎng)上，篩網(wǎng)在振動機(jī)構(gòu)上振動，使粉碎了的物料能及時通過篩網(wǎng)，提高篩分能力。
2.6物場模型建立與標(biāo)準(zhǔn)解法應(yīng)用
物場模型用來描述系統(tǒng)中的相互作用或行為，可以描述任何工程系統(tǒng)。物場模型可以揭示技術(shù)系統(tǒng)的功能機(jī)制，描述不同元素間發(fā)生的不足的、有害的．過度的或不需要的相互作用，應(yīng)用76個TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解解決相應(yīng)問題。
對問題進(jìn)行物一場分析可知，要粉碎的木屑為S．（目標(biāo)物），刀具為S：（工具），切削力為F（機(jī)械場），圖7為該系統(tǒng)的物一場模型，現(xiàn)有系統(tǒng)完整，但S2對|s，的作用不足。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法“加入添加物”，構(gòu)建復(fù)雜的物場模型如圖8所示。解決方案為在粉碎室內(nèi)壁上加裝齒板(S3)，如圖4所示，增加對物料的摩擦、剪切作用。
2.7生成的備選方案
綜合分析以上方案，得到的創(chuàng)新設(shè)計如圖9所示。
工作原理：一級粉碎室里刀盤與錘片采用同軸結(jié)構(gòu)，由電動機(jī)通過V型帶驅(qū)動，飛刀隨著刀盤作平面運動，底刀固定不動。當(dāng)待粉碎物料進(jìn)入進(jìn)料口后，刀盤轉(zhuǎn)動使飛刀與底刀形成剪切，將枝條削成片狀，通過刀盤上的窄縫進(jìn)入粉碎室受到錘片的錘擊作用。粉碎后的木屑通過一級篩網(wǎng)落入二級粉碎室，進(jìn)一步受到錘片的打擊作用和齒板的摩擦撞擊作用而粉碎，過篩的成品顆粒在鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)力作用下飛出出料口。未被篩選的粗屑留在粉碎室繼續(xù)粉碎，直至小于篩網(wǎng)孔被篩出。
3、結(jié)束語
應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行了林木生物質(zhì)粉碎工藝與設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計，解決了現(xiàn)有方案粉碎粒度過大，生產(chǎn)率低，能耗大的問題。
(1)采用分級粉碎工藝，一級粉碎室由削片部分和粉碎部分組成，完成粗粉碎；二級粉碎室采用錘片式結(jié)構(gòu)，完成細(xì)粉碎，以達(dá)到要求的粉碎粒度。
(2)采用新型刀具組合形式，增加了刀具的多用性，使其既有切削又有錘打、撕裂作用，提高了粉碎效率。
(3)在篩網(wǎng)上設(shè)置凸起的湍流板、在粉碎室加裝齒板，增強了對物料的摩擦、剪切和碰撞作用，降低了粉碎功耗。
(4)采用振動篩、吸風(fēng)裝置，增大了物料過篩能力，提高了設(shè)備的生產(chǎn)率。
TRIZ的問題模型與解法雖然有一定的局限性，而且將TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為實際解也需要豐富的專業(yè)背景知識，但TRIZ解決問題的系統(tǒng)化方法為解決問題提供了非常有效的工具，可以減少傳統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計中試錯法所耗費的時間和精力，大大加快創(chuàng)新步伐，提高創(chuàng)新質(zhì)量。
