基于TRIZ理论的共振混合机优化设计

陆志猛 温常琰 孙 涛 王青松

(湖北航鹏化学动力科技有限责任公司，湖北 襄阳 441003)

0 引言

混合操作在工业生产中非常普遍，从基本的化学工业到精细化工工业，从材料生产与加工到高楼大厦的平地而起、桥梁的两岸架接，都不能缺少混合操作，特别在军工、复合材料、陶瓷、冶金、医药、食品、饲料等行业更加突出。混合设备利用设备力和重力等，可以将多种物料配合成均匀的混合物，如将水泥、砂、碎石和水混合成混凝土湿料等；可以增加物料接触表面积，以促进化学反应；还能够加速物理变化，例如粒状溶质加入溶剂，通过混合设备的作用加速溶解混匀。

共振混合机是一种新型的高效混合设备。共振混合技术基于机械共振理论的应用，在混合过程中，系统的电机旋转产生的机械能通过弹簧质量块系统转化成低频振动能，自动检测和控制使系统达到并保持共振状态，实现最佳的混合效果。传统混合系统的设计会专门避免设备运行在共振状态；然而，共振混合机正确地去利用“共振”，实现了物料混合。

共振混合机运行时出现一些不良现象，如噪音大、物料混合过程中不稳定，振幅或加速度有一定波动、系统会产生部分故障，密封不严、传感器信号不好等。本文拟通过TRIZ理论分析，开展共振混合技术研究，满足技术系统新要求，提升系统稳定性和效率。

1 TRIZ概述

TRIZ理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500人/年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的发明问题解决理论。

TRIZ由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成，是指导人们进行创新活动的科学方法理论。前苏联科学家G.S.Altshuler在对创新方法及专利规整做了大量共作后，得出了3个基本认识：发明专利虽数目庞大，但有一个共同点，就是应用了数目不多的一般性原理；像社会系统一样，技术系统可以通过解决矛盾而得到发展。因此，真正的创新是解决矛盾，妥协的解决方案最多只能算优化；技术系统的进化遵循一定的模式和规律。这就是说，技术系统的发展(在一定限度内)是可预测的。阿奇舒勒以这3个基本认识为出发点，根据辩证法、认识论和系统论的思想，总结出了技术系统进化法则和构建在基本原理基础上的求解发明问题的技术、方法和工具体系，创立了TRIZ，并经过几十年发展，现已形成TRIZ理论体系。

2 TRIZ理论分析问题

2.1 共振混合机工作原理

共振混合机是让设备在共振条件下，实现多种物料的高效混合。混合过程物料运动如图1所示，密闭容器在低频共振条件下，物料在轴向方向产生振动，产生无数个微混合区，每个微混区的直径约50μm。对于含流体物料的混合，系统声学现象促进物料混合；对于固-固物料的混合，物料颗粒间的碰撞促进混合。在固-固物料的混合过程中，固体颗粒的碰撞运动效果与振幅、频率以及加速度等因素密切相关。在共振条件下，颗粒物料之间形成无数个无序的混合区，同时也产生大混合区。

图1 共振混合机工作原理

2.2 问题分析

2.2.1 系统结构

工作流程简介：人工或自动把待混合物料放入共振混合系统负载组件，系统启动并快速达到共振状态，在一定振幅和加速度状态下快速完成物料混合。共振混合机结构示意如图2所示。

共振混合机由机械系统、控制系统、热水系统和真空系统等组成，其中机械系统包括机架、驱动组件、反作用单元和负载组件。反作用单元位于机架中间，通过弹簧与机架的上板和下板连接；激振单元位于反作用单元中间，通过弹簧与反作用单元的上板和下板连接；负载单元位于机架和反作用单元之间，分别通过多组弹簧与机架和反作用单元相连接。

图2 共振混合机结构

2.2.2 问题分析

(1)现有方案的缺点。共振混合机在共振混合时，效率较低，稳定性较差，对工作环境有一定影响(噪音大)。

(2)待解决的问题。系统工作时对地作用力较小，快速实现物料共振混合，且系统可靠可控。

(3)对问题解决的预期目标。系统实现共振，且高效可控；系统符合工业使用条件(噪音、环境等条件)。

(4)最终理想结果。系统共振时对地面作用力为0；工作时，系统一直处于共振点，混合效率最高。

3 TRIZ理论解决问题

3.1 MPV分析

MPV分析主要确定VOC(市场价值参数)、SPV(战略价值参数)、MSPV(主要战略价值参数)、MFPV(主要功能价值参数)和MPV(主要价值参数)。经过分析，对各MFPV和MSPV重要度进行排序，经组合评分测算(见图3)，可知机械振动列第一位，加速度和系统共振列第二位，机械振动和系统共振是重点改进的方向。

图3 重要度排序

3.2 系统分析

系统分析主要从功能和组件两个方面进行。功能分析主要是针对系统的每一个满足人们需要的属性进行，基于功能实现，对包含系统的功能与不包含的功能边界进行明确，从系统抽象的功能角度来执行或完成其功能的状况；组件分析主要分组件列表、结构关系和组件模型，从系统具体的组件角度来分析每一个组件实现功能的能力。

(1)系统作用对象：物料；

(2)技术系统内系统组件：伺服电机、驱动连接板、负荷板、混合容器、夹具、传感器、反作用块、机架、弹簧、热水系统、真空系统；

(3)超系统组件：人、环境。

通过组件价值分析，发现反作用板的功能主要是平衡系统，若设计中让驱动和负荷两模块自身达到平衡，则反作用板拆剪后不影响系统功能，因此系统可以裁剪掉反作用板。

3.3 因果分析和物场分析

共振混合效率提升是优化设计的核心内容，从共振混合效率低下产生的因果链上，追根溯源，寻找问题产生的真正原因，寻找有效的方案，并在合适的节点上进行预防，分析过程如图4所示。

图4 功能分析FAST图

对各影响要素简要分析：物料质量波动和物料质量不匹配均与混合过程物料质量相关，噪音大采取措施就是降低噪音；润滑不良要增加润滑措施，金属件振动撞击就要去尽量避免撞击；信号反馈失真、程序计算错误、传感器异常等均需要加强系统可靠性。根据影响要素分析，选取物料质量和噪音大两个入手点，得出2个因果分析方案：以物料质量波动和物料质量不匹配作为入手点，可以增加配重模块；以噪音大作为入手点，可以增加隔音棉等隔音设施。

3.4 资源分析

先确定需要解决的问题点，然后进行资源分析：①发现和寻找资源，可以利用工具1九屏幕法，2组件分析法，3物场分析法等；②挖掘及探究资源(纵向)：利用九屏幕法、系统分析、物场分析、派生法进行挖掘和探究；③关联和组合资源(横向)：资源关联采用关联图法，资源组合采用矩阵图法；④资源评价和配置：评级标准是定量和定性，原则是尽可能地减少消耗资源，或用有限的资源产生最大的效益。系统进行资源分析，其中采用电机转速、振动系统的动能作为能量资源，均为系统内资源，变害为利；对现有技术系统的问题解决、功能拓展有很大的帮助。

3.5 矛盾分析

3.5.1 共振系统混合效率

针对如何提高共振系统混合效率进行矛盾分析，利用Pro/I矛盾分析向导进行分析，给出多用性原理16，使一个物体具备多项功能，消除了该功能在其它物体内存在的必要性(进而拆剪其他物体) 。

形成方案：因增大电机功率后，电机自配循环水，可将该循环水用于物料加热，故可取消共振系统热水箱及加热系统。

3.5.2 弹簧强度

针对如何提高共振系统弹簧强度进行矛盾分析，利用Pro/I矛盾分析向导进行后，结合事先防范原理，采用事先准备好的应急措施，补偿物体相对较低的可靠性。

形成方案：提高弹簧强度，可以避免系统在共振混合时因弹簧断裂而出现故障，但弹簧材质改变会增大其制造难度，故应做好事先弹簧加工工艺。

3.5.3 工艺适应性

由于物流混合工艺要求混合时在一定温度，需要提前给物料加热，混合时物料颗粒间撞击，产生热量，又需要温度降低，不同时间对物料温度的要求形成了物理矛盾。

形成两个方案：工艺调整，将混合时产生的能力用于温度提升；将加热系统更换为智能温控系统，物料温度过高时，可降低加热温度或制冷，进行温度智能控制。

表1 方案汇总

3.6 物场分析与标准解

共振混合机加速度传感器紧固在负荷板上，系统工作时间较长或一段时间处于高加速度状态，传感器接头易松动，出现信号不良，影响系统工作。机械系统上的弹簧工作一段时间后，自身有疲劳，阻尼、刚度系数会有一定变化，通过负荷板传递给物料的弹性力发生变化，影响物料混合过程。

应用标准解法：1.2物场模型的破坏，1.2.1通过引入S3来消除有害作用，2.2.2引入S1或S2的变形来消除有害作用，2.2.3引入超系统物质来消除有害作用，2.2.4引入F2抵消有害作用，得到2个方案：增加紧固件和增加自适应控制。

3.7 知识库

借助中国知网知识库，输入查询词：共振混合，查询到相关专利和论文，结合检索专利《一种高固含量粘合剂体系的共振混合方法》CN201410799813.1和《一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台设计方法》CN201611230014.8，对振动系统负荷板结构进行简化，实现负荷板与混合容器快速连接。

结合知识库案例应用和相关经验得方案：负荷板与混合容器快速连接。

3.8 进化分析

综合国内外专利、文献知识以及S-曲线各阶段的特点，可知共振混合系统在国外处于成长期中后期，在国内处于婴儿期的末期。该技术在国内有较广泛的应用领域和良好的应用前景。共振混合进化树如图5所示。

图5 进化树分析

进化树分析得到2个方案：采用气动系统实现物料混合；智能控制系统(智能控温)。

4 产品验证

4.1 方案评价

通过TRIZ分析共得到21个方案(见表1)和4个专利点，结合方案评价结果，为更好实现共振混合机优化和提高共振混合系统的混合效率，把方案2、方案3、方案5、方案13、方案15等5个方案效果进行结合，形成一套完整、可实施的方案。

4.2 共振混合机制造

针对TRIZ分析，对共振混合机优化设计分别从驱动方式调整为电磁振动、振动系统优化为二自由度振动、增加隔音棉、加热系统采用智能温控系统和增加自适应控制等5个方案进行结合，对加工制造过程关键零件、关键工序进行交底，并对施工的全过程进行质量控制(见图6)。

图6 小型共振混合机

4.3 试验分析

采用优化后的共振混合机开展了硅橡胶绝热层材料混合试验，大幅提高绝热层2mm短纤维均匀分散性能，且无纤维断裂问题，解决了传统混合设备纤维分散不均和长纤维断裂问题，已开展绝热层烧蚀试验，效果良好。新型的共振混合机实现了原材料混合均匀性好，提高产品质量的稳定性和一致性。

图7 硅橡胶绝热层混合和烧蚀

5 结语

本文针对一种新型的共振混合机在工作时出现噪音大、物料混合过程中不稳定，振幅或加速度有一定波动等问题，通过TRIZ理论分析进行了创新研究，并应用TRIZ理论中MPV分析、系统分析、因果分析、资源分析、物场分析与标准解、知识库、进化分析等理论来具体分析问题，得到了21个方案和4个专利点。其中驱动方式调整为电磁振动、振动系统优化为二自由度振动、增加隔音棉、加热系统采用智能温控系统和增加自适应控制等5个方案已成功用于小型共振混合机研制，并开展了硅橡胶绝热层材料混合试验，实现了原材料混合均匀性好，提高了产品质量的稳定性和一致性。