基于TRIZ 理论的巴氏杀菌机优化设计

2020-12-01秦旭张科范伟

酒·饮料技术装备 2020年6期

秦旭张科范伟

引言

TRIZ 表示发明问题解决理论，是对数以百万的专利文献进行研究提炼出的一套解决复杂技术问题的系统方法[1-2]。TRIZ 在解决产品创新和产品进化过程中发挥着重要作用[3]。近年来，占地面积小，自动化程度高，操作简洁，行之有效的啤酒巴氏杀菌机[4]越来越受到客

户的青睐。目前，一些学者对巴氏杀菌机的研究主要集中在热力学分析、杀菌工艺参数优化、PU值控制系统、喷淋方式优化、节水节能等方面[5-8]，鲜有研究在满足啤酒杀菌工艺要求的前提下通过优化巴氏杀菌机结构适应市场小批量产能需求。本文运用TRIZ 理论对巴氏杀菌机占用空间大，产能需求限制等问题进行优化设计研究。

1 问题描述

目前市场上保有量较大的巴氏杀菌机，经过多代更迭后，结构较紧凑、能耗低、自动化程度具有较大提升。如下图1 所示为中辰轻机YJL 系列巴士杀菌机，其主体结构主要由机身框架1、管路系统2、进出瓶系统3、传动系统4、喷淋系统5、水箱6 等构成。在工作时，啤酒灌装封口结束后的容器进入杀菌机，电机驱动容器传送带经历升温、杀菌、降温三个过程。在这三个阶段，容器在升温区经受热水的喷淋，水的温度会逐渐升高，然后保持一定时间，直到啤酒中的PU 值达到我们需要的范围，此时容器在降温区受循环水喷淋温度开始下降直到达到出瓶温度后离开杀菌机。普通巴氏杀菌机可通过PU 值控制系统实现对杀菌过程中的自动化控制，而且降低了水资源的浪费，提高了经济效益[9-10]。普通巴氏杀菌机产量2 万瓶/时左右，高产的同时，设备体积也随之增大，其长度可达十几米，而小批量的产能需求在3000 瓶/时左右，生产空间有限。通过对其结构和功能分析可知，生产空间对设备体积影响较大的因素是设备的长度和宽度，显然，适合小批量生产、体积小巧的设备只需减小设备的长度和宽度。但在传动系统转速一定的情况下，减小设备长度导致容器在三个温区行程变短，容器在未满足杀菌工艺要求情况下被输送进入出瓶端。本文以YJL 系列巴氏杀菌机为原型，设计一款结构更加紧凑，且满足杀菌工艺要求的巴氏杀菌机。

图1 巴氏杀菌机主体结构

2 基于TRIZ 的可回转杀菌机设计过程

TRIZ 解决问题的核心思想是对使用通常方法不能直接解决的具体问题，将此问题转换为一个TRIZ 问题，利用TRIZ 工具得到标准解，应用技术知识转化为具体问题的解，最终得到具体问题的实际解[11]。TRIZ 理论解决问题的流程如下图2 所示。

图2 TRIZ 理论解决问题流程

2.1 定义最终理想解

理想解是TRIZ 分析问题的重要工具，当产品处于消除了原系统缺陷，保留了原系统有点，不会使系统变复杂，不会产生新的缺陷等特点的理想状态，称为理想解[12-13]。理想解是与技术无关的理想状态，当理想化水平趋向于无穷大状态时，得到的解决方案可称为最终理想解。确定巴氏杀菌机最终理想解的步骤为[14]：

1）最终设计目的

解决适合小批量生产、体积小等问题。

2）明确最终理想解

结构紧凑，占用空间小，满足杀菌工艺要求。

3）达到理想解的障碍

结构固化，不满足市场需求。

4）出现这种障碍的结果

设备体积不满足空间要求，未实现传动自动化。

5）不出现这种障碍的结果

结构的创新满足市场需求。

6）创造这些条件的可用资源

巴氏杀菌机结构和功能。

2.2 技术矛盾分析

TRIZ理论将工程中的矛盾分为技术矛盾和物理矛盾，技术矛盾指某一参数的改善导致另一参数的恶化，物理矛盾指同一参数产生互斥的现象[15-16]。

应用39 个通用技术参数将原始问题描述为标准工程参数：巴氏杀菌机体积减小即改善设备长度，导致设备的杀菌效果变差，改善的参数是杀菌机长度，恶化的参数为杀菌的可靠性。

根据TRIZ 理论矛盾定义，确定为技术矛盾，通过查找下表1 矛盾矩阵，得出15 号、29 号、28 号创新原理对解决上述问题有帮助，通过对以上原理分析后认为第15号原理：动态原则，将物体分为彼此相对移动的几个部分，有助于解决上述问题。因此提出概念方案1：针对巴氏杀菌机长度减小导致杀菌时间短、未达到杀菌工艺要求的问题，将杀菌机主传动由直线运动改为回转运动，提出一种可回转的巴氏杀菌机传动方案。

表1 矛盾矩阵

其方案1 如下图3 所示，容器在设备内部回转运动的长度为先前单向运动的两倍，根据设计经验，完全满足杀菌工艺要求。

图3 可回转的巴氏杀菌机传动方案示意

2.3 物理矛盾分析

通过对技术矛盾分析，得到解决矛盾的方案1。要实现可回转的传动方式，即传动轴驱动容器传送带既能向左运动，又能向右运动，这要求施加给传动轴一对反向驱动力，这是一组物理矛盾。在矛盾矩阵39 个工程参数中，力对应参数驱动力，如下表2 所示。

表2 物理矛盾分析

经过分析，这组物理矛盾在不同的空间内要求一对相反的驱动力，查找4 大分离原理对应的发明创造原理，可采用空间分离原理解决此矛盾。因此采用与空间分离原理对应的10 条发明原理，受发明原理1 分割启发，将整个传动部分以中心线为界分成两个独立的传动系统。因此，在方案1 的基础上提出方案2：针对巴氏杀菌机长度减小导致杀菌时间短、未达到杀菌工艺要求的问题，将杀菌机主传动部分转化成两个独立的直线运动，以此完成整个传动系统回转。

3 物场分析

物场分析是用符号语言清楚描述系统的功能，能准确描述系统的构成要素及各要素之间的关系。一个技术系统可能包含若干功能，所有功能都可分解为三个基本元素：两个物质一个场，每种功能的实现都是一种物质S2（工具）通过某种场F 对另一种物质S1（作用对象）产生作用的结果[17]。针对不同问题，S2 对S1 的作用可分为三个基本类型，分别为有效模型、效用不足模型以及有害作用模型。采用物场分析解决问题的基本步骤如下图4 所示。