基于TRIZ 的生物质成型机创新设计

2021-01-22刘威

科学技术创新 2021年3期

刘威

(新疆维吾尔自治区工业经济和信息化研究院，新疆乌鲁木齐830000)

“绿水青山就是金山银山”是新时期建设“资源节约型，环境友好型”社会的重要途径。生物质能源是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质成型机是一种将粉碎状生物质原料，经过压缩成型，制成颗粒或棒状、块状燃料，可以做为燃炉、锅炉、发电炉的燃料等用途的设备。

目前市场上的生物质成型机多采用环模压辊式结构，存在着可靠性差、辊模磨损严重、原料适应能力差、模孔易堵塞等问题，成为制约生物质成型燃料规模化和产业化发展的瓶颈。

1 问题分析

系统组成：现有环模压辊式成型机主要组成有：模孔、压辊、环模盘、电机、主轴等。

系统功能：压缩秸秆的体积。

环模压辊式成型机工作原理如图1 所示：

图1 环模压辊式生物质成型机工作原理示意图

由电动机通过联轴器带动主轴旋转，主轴通过压辊连接板带动压辊公转，压辊同时还绕压辊轴自转，由于摩擦和挤压，秸秆粉碎物的存放空间不断缩小，从而进入并通过成型模孔。已经成型的压块燃料从环模孔中不断被挤出，在自身重力作用下，折成一定长度的成型块料，从环模孔出口处落下。设备工作期间，经常发生闷车现象，需停机维修，影响生产率；需要经常检修、清理、更换设备的主要零部件压辊和环模盘，因为其磨损严重；秸秆粉碎物容易滞留在成型模孔中，导致成型模孔堵塞，使设备运行强制中断，从而不能进行正常生产，降低了设备生产率，影响了秸秆压块的品质，降低了环模盘的使用寿命，增加了设备的维修成本。

2 S- 曲线分析

图2 系统的生命曲线图

如图所示，为秸秆压块成型机的S 形进化曲线。经查阅相关资料可知秸秆压块成型机的相关专利集中在发明专利上，性能参数较好，但对于某些装置还需要进一步的优化。综上，我们判断秸秆压块成型机处于成长期。

针对成长期的战略如下：（1）实现最优化是发展工程系统的主要方法；（2）不断把系统应用到新的领域；（3）尽可能找到折中和降低劣势的解决方案。

3 系统分析- 九屏图

九屏图不仅仅要考虑到当前系统，也要以空间为轴考虑到它的子系统和超系统。从子系统的将来获取资源，采用智能传料与精准压缩系统，利用智能方式实现生物质燃料的压块成型（如图3）。

4 金鱼法

利用金鱼法，将环模盘分割成由多个环模块组成，物料由一个环模孔进，以增加环模孔的进料量，由两个环模孔出，来满足生物质燃料的形状要求，在两个环模孔中间隔板端部倒角，减小进料阻力（表1）。

5 技术矛盾分析

5.1 提取技术矛盾及原问题技术矛盾的表述（如图4）

表1 金鱼法应用流程表

图3 环模压块机系统的九屏图

图4

确定要解决的技术矛盾为TC-（1），它发生在（秸秆）与（压辊）之间，发生在（秸秆挤压成型）的时候。

5.2 问题模型——对应的39 个通用工程参数

表2 矛盾矩阵表

5.3 解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为：19、30、35、2，提出技术方案：

由NO2 抽取原理启发得到：将压辊和环模盘改为行星轮式的具有咬合功能的辊模，减小和秸秆散粒的摩擦面积，同时增大对秸秆散粒的挤压压强。如图5 所示。

图5 压辊结构示意图

由N35 物理或化学参数改变原理启发得到：压辊表层采用耐磨材料制造（芯部保持韧性，提高表面硬度和耐磨性），并进行热处理。

6 技术系统进化法则

6.1 系统完备性进化法则

通过完备性法则得出，将集中控制箱更换为可调节式远程指令操作，将增加整机的智能化，较少人为操作问题的发生。

6.2 系统动态性进化法则（图6）

技术系统的动态性应该沿着增加结构柔性，可移动性，可控性的方向进化，以适应环境状况或执行方式的变化。秸秆压块成型方式向增加自由度进化：得出在成型室增加增压装置，产生足够的压强，利用压强实现对进孔碾压料的推送作用。

图6 生物质成型机系统完备性图

图7 啮合式生物质压块成型机

6.3 提高理想度法则

系统的理想度定义为所有的有用功能与有害功能和成本之和的比值，技术系统改进的一般方向是最大化理想度的比值，努力提升其理想度水平。均料装置提高理想度：引入静电场。使秸秆颗粒吸附在环模孔表面，形成颗粒层。

7 最终实施方案

综合方案后确定最终实施方案，如图7 所示，设计出啮合式生物质燃料成型机。工作时启动机架下方的电机，电机通过联轴器带动主轴转动，主轴转动带动压辊连接板旋转，压辊连接板转动带动压辊轴旋转；压辊在压辊轴上绕主轴转动，同时在原料摩擦力的作用下，压辊同时分别以和主轴相反的方向自转；在压辊公转和自转的同时作用下，生物质粉碎物的空间不断被压缩，在物料、环模、压辊三者的摩擦作用下，生物质成型压块就会从模孔中不断被挤压出来；被挤压出来的生物质成型压块由料斗处滑落、收集，最终获得成品。