基于TRIZ 理论的环锤式破碎机新型环锤设计

李正峰

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153）

环锤式破碎机具有结构简单，破碎比大，生产效率高等特点，可进行干、湿两种形式破碎，在煤矿行业应用广泛［1］。在使用过程中，环锤式破碎机环锤磨损快，易断裂，成为该机的突出问题。为此，我们运用TRIZ 理论对环锤使用中遇到的问题进行分析，寻找解决问题的创新思路，最后根据“复合材料”的发明原理及实际要求，提出新型环锤的设计方案，达到了延长使用寿命，提高生产率，节省维修费用的目的。

1 环锤式破碎机工作原理

如图1所示，环锤式破碎机由电动机带动转子体高速转动，环锤铰接在转子体上的锤销上，环锤一方面随转子体公转，一方面绕锤销作自转运动。当物料进入环锤式破碎机后，受到高速运转的环锤的冲击作用而破碎，被破碎的物料同时从环锤处获得动能，高速度地冲向反击板。在第二次破碎后，落到筛板上，受到环锤的挤压、研磨以及物料之间的相互作用而进一步破碎，再通过筛孔排出［1］。

目前环锤多为圆环状，又称为圆锤，由高锰钢铸造而成，其外环面作为打击面，与物料撞击时为线接触，由于接触面积小，环锤容易磨损。高锰钢虽然具有良好的铸造性能和耐磨性能，但塑性和韧性较差，当外环面磨损到一定程度，因横截面积变小而断裂，必须及时更换，使用寿命较短。

图1 环锤式破碎机结构图

2 TRIZ 理论的基本原理和方法

TRIZ 理论在20世纪40年代末由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒提出，阿奇舒勒相信发明事件的基本法则和一般规律客观存在，创新绝不是灵感的突现和随机的探究。他和他的团队寻找技术创新的通用模式，研究分析了世界各国约250万件发明专利，然后进行提炼和归纳，总结出来TRIZ 的基本原理和方法［2］。

TRIZ 理论认为产品系统中存在着矛盾，这些矛盾可分为物理矛盾、技术矛盾和管理矛盾，而管理矛盾通常可以转化成技术矛盾来解决［3］，因此，TRIZ 理论主要研究前两种矛盾，并提供相应的解决工具。针对相应的技术矛盾或物理矛盾，可以利用TRIZ 理论的40个发明原理进行解决。

基于TRIZ 理论的产品创新设计流程如图2所示。

图2 基于TRIZ 的产品创新设计流程

3 环锤式破碎机环锤的矛盾分析

确定环锤式破碎机环锤为创新研究对象，通过对目前环锤存在问题的分析，发现存在技术矛盾，尝试采用矛盾矩阵表选择解决技术矛盾的方法。

技术矛盾指当技术系统的某一个特性或参数得到改善的同时，导致另一个特性或参数发生恶化而产生的矛盾［3-4］。其矛盾呈现以下特征：在某一方面强化有用功能，导致另一方面出现有害功能，反之亦然；增强有用功能或弱化有害功能，引起系统或系统局部产生不能预计的有害作用。可见，产生技术矛盾的这两个参数是对立统一的，互相制约依存，存在紧密的相关性。

创新设计的目的在于提高环锤强度和硬度，延缓环锤损坏，延长使用寿命。对同一材料而言，强度和硬度提高，塑性和韧性就会降低；而延缓环锤损坏，可以加大环锤圆截面尺寸，但这又增加了环锤重量。

如何将一个具体的工程问题转化并表达为一个TRIZ 问题，TRIZ 理论利用39个通用工程参数来描述工程中出现的技术参量。在问题的定义分析过程中，选择39个通用工程参数中相适应的参数来表述系统的性能，将一个具体的问题用TRIZ 的通用语言表述出来。

如果提高环锤强度和硬度，则降低了材料的塑性和韧性，导致环锤容易断裂（恶化了产生的有害因素）；而减缓环锤损坏，则需要增加环锤重量。根据39个通用工程参数，定义环锤的技术矛盾分别为“强度”与“物体（环锤）产生的有害因素”之间的矛盾；“物体（环锤）损坏”与“运动物体（环锤）的重量”之间的矛盾。其中，对应矛盾矩阵表的序号14“强度”和序号23“物体损坏”是欲改善的参数，序号31“物体产生的有害因素”和序号1“运动物体的重量”是被恶化的参数。

如何改善环锤“强度”而不会导致“产生有害因素（降低材料的塑性和韧性）”，如何减缓“环锤损坏”而不增加“环锤重量”，通过查找矛盾矩阵表获得解决这一问题的思路。针对这两对矛盾，矛盾矩阵表推荐了7条发明原理。经过比较分析，发现用第40条“复合材料”发明原理解决这一问题。

4 新型环锤设计方案

“复合材料”发明原理提示我们可以用复合材料代替均质材料，或者添加增强材料。笔者结合环锤的工作要求和结构特点，提出两种新型环锤设计方案。

1）方案一。

现有高锰钢环锤在较大冲击力作用下可使表面产生加工硬化现象，表面硬度较高。但环锤表面磨损是不均匀的，在冲击力作用下，其薄弱截面就会断裂。根据复合材料发明原理，在环锤的高锰钢基体内镶铸钢环。如图3所示，环锤呈圆环状，其横截面为圆形，环锤内镶铸与其同心的钢环，钢环材料为强度高、塑性好的中碳钢，这种钢环市场上有各种规格，可以直接选用，价格低廉。在铸造环锤时将其放在模子里就可以了，其作用类似于放在混凝土里的钢筋，从而解决了环锤容易断裂的问题。这种环锤铸造工艺简单，成本增加很少，但延长了环锤使用寿命［5］。

图3 方案一

2）方案二。

希望环锤外环面有足够的硬度与耐磨性，承受与物料碰撞的冲击力，内部材料塑性和韧性较好，显然单一的高锰钢材料不能满足这一要求。

如图4所示，首先用强度较高、塑性较好的中碳钢压铸成型锤体，锤体外环面还均布设有圆弧状齿槽，然后在外面镶铸高铬铸铁［6］。高铬铸铁是继高锰钢和镍硬Ⅳ铸铁后的第3代耐磨材料，它的硬度可达到60 HRC，其组织中容易形成显微硬度较高的M7C3型碳化物，该类型碳化物的数量越大，耐磨性越好，但高铬铸铁冲击韧性差，如果环锤整体用铬铸铁铸造，极易断裂［7］。而将其镶铸在中碳钢的锤体上，镶铸的界面呈冶金结合，前者的硬质相M7C3型碳化物还会部分地漂移和扩散到中碳钢锤体中，使环锤打击面既耐磨又耐冲击，不会产生断裂，充分发挥了两种材料的优势。

图4 方案二

5 结语

结合环锤式破碎机环锤锤本身结构特点和使用要求，运用 TRIZ 理论的发明原理，设计出两种复合材料的新型环锤。方案一适用于小型规格的环锤式破碎机；方案二适用于中型以上规格的环锤式破碎机。在碎煤试用中，其使用寿命是现有环锤的3～5倍，降低了维修费用，提高了生产率。