基于TRIZ理论的禽肉定量包装装置创新设计

陆尚平，刘存香，陆美文，庞晓勤

广西水利电力职业技术学院（南宁 530023）

禽肉休闲食品越来越受到人们的喜爱，对禽肉进行袋装包装是禽肉包装食品生产过程中的一道重要工序，也就是将炒制过的禽肉按一定的质量规格进行称重装袋以便于贮藏、运输和方便食用。禽肉包装的主体功能是禽肉分离、称重和入袋。国内中小禽肉袋装食品包装企业在定量称重这一环节还是以人工称重为主，劳动强度大，工作繁琐，人为误差波动性大[1]。食品包装有严格的质量控制要求，如国内沃尔玛等各大超市对袋装食品的质量控制要求其标称质量值误差在3%以内。以广西南宁道资餐饮管理有限公司生产的280 g袋装柠檬鸭为例，其误差不超过8.4 g，而所生产单块鸭肉质量为12～15 g，对自动化定量称重造成极大困难，国内外学者在禽肉自动化定量称重领域鲜有研究。为解决禽肉其块状、流动性差、软硬共体和单体重量差异大造成的定量包装难题，以TRIZ这一创新发明利器为指导，对现有通用定量称进行功能分析，并利用TRIZ理论的物场分析等工具对定量包装秤进行创新设计；探索禽肉分离、称重和移动的新方案，解决禽肉定量包装的分割移动和称重入袋难题。

1 TRIZ理论及物场分析

TRIZ理论（theory of inventive problem solving,TIPS）是前苏联发明家阿奇舒勒（Altschullcr U.S.）于1956年开始带领他的团队经过对世界各国约20万份优质专利文献的分析、比较、归纳和研究，提出的一套具有完整体系的发明问题解决理论和方法；主要包括技术矛盾和物理矛盾、八大进化趋势、39个通用工程参数、40条发明原理、76个标准解和效应知识库。TRIZ理论适用于设计人员掌握发明创造的规律，提高创新设计能力。TRIZ理论在现代制造业中获得广泛应用，越来越受到企业和科技人员重视。物场分析是TRIZ理论体系的组成之一，而产品是功能的一种实现，Altshuller G.S.认为所有功能都可以看作是有2个物质和一个场组成[2]。TRIZ中，采用两种物质和一种场的方式来表达技术系统中相互作用和能量转换关系的符号模型称为物质-场模型（Su-Field Models），简称物场模型，如图1（a）所示，其中S2表示工具，S1表示作用对象，F表示场[3-4]。图1（b）是物场分析的4种类型，它是选用标准解解决工程实际问题的依据。

图1 TRIZ的物场模型及类型

2 禽肉定量包装装置

2.1 禽肉包装问题

当前市场对禽肉制品的需求主要集中在酱香类、盐水类、风干类、特禽类及旅游休闲5类产品。以酱香类为例，其工艺为：原料→解冻→整理→卤腌→刷糖→油炸→卤煮→凉冷→称重、内包装→低温杀菌→外包装→冷藏[5]。其他类产品与之类似，均有“称重、内包装”这一环节。禽肉称重包装过程中，需要进行传送和称重2个主要功能环节；图2为广西某公司生产袋装柠檬鸭及包装，由于禽肉的块状、黏性和骨肉连体特性，其流动性差，对传送功能提出更高要求；另外，由于禽肉的块状特性，各块质量差异大，加上辅助调料品的质量差异，给定量称重精度控制带来极大挑战。

图2 柠檬鸭和包装

2.2 传统定量包装称分析

定量包装是指以销售为目的，在一定量限范围内，具有统一的质量、体积、长度的预包装。以质量为度量标准的定质量包装即定量包装称被广泛运用；市场上称重秤各式各样的，但是一般都包含送料机构、称重机构、夹袋装置、机架以及辅助机构，定量包装称是根据预先设定的量值，通过自动称量，把散装物料等量分装的称重装置[6-7]。对于中小企业而言，小量程定量包装称成为主流，它由机械称体和电子称量控制系统两部分组成。图3是一种定量包装称的整体结构，包括料仓、皮带装置、缓冲料斗、称重传感器、夹臂、光电开关、包装袋，以及控制部分的气缸、电磁阀、气压站、变频器和电机等[8-9]。其工作原理为物料利用重力从料仓中下落，通过由电机带动的皮带传送装置将物料往前推送，物料在皮带输出端下落，为减少物料冲量对称重的影响，下方设置缓冲漏斗；称重传感器将物料质量经转换得到的电信号传送到称重控制器，控制器根据设定质量数值与实际值的比较来控制电机进而控制皮带传送，同时控制器对气缸的伸缩控制实现夹臂的控制。

图3 定量包装称整体结构图

3 基于TRIZ理论的禽肉定量包装装置设计

定量包装称的主体功能为物料传送和称重。利用TRIZ理论的功能分析与功能建模方法，对传统粉状与颗粒状典型定量包装称进行组件分析、相互作用分析，建立的定量包装称功能模型如图4所示。定量包装称的料仓功能是容纳物料，并利用重力场实现物料的分离。对于禽肉的定量包装，采用如图3所示设备，其目标对象为禽肉，将功能模型分析图中物料改为具体的禽肉，而禽肉的物理特性为骨肉共体、黏连和块状，传统定量包装称依靠单一重力场难以将禽肉分离；其物场模型体现为料仓的分离功能不足，由物场模型建立的定量包装功能模型如图5所示，由TRIZ物场分析的功能不足特性及标准解解决思路为禽肉定量包装装置设计提供思路。

图4 定量包装称功能分析模型

图5 禽肉定量包装功能分析与物场分析图

3.1 方案1：复杂物场模型转化法

根据如图5所示禽肉定量包装的物场分析模型，针对料仓依靠重力分离禽肉作用不足的情形，可将问题转化成复杂的物场模型，即建立链式物场模型或双物场模型。由前期分析可知，由于重力场F1不足，在不增加新的系统元件和物质（禽肉产品外的其他物质）情况下采用双物场，即通过引入第2个场F2增强F1的作用，禽肉分离的链式物场模型和双物场模型如图6（a）（b）所示，拟采用增加隔离板的上下振动来增强重力场F1的作用，加入机械场F2构建成重力场、机械振动场的双物场模型；由以上设计思想设计的禽肉分离设计方案如图6（c）所示。方案1在一定程度上增强禽肉的分离能力。

图6 复杂物场模型解决方案

3.2 方案2：基于TRIZ裁剪规则的创新设计

裁剪是TRIZ对系统分析的一个有力工具，是通过删除系统的某些组件，但同时保留这些组件的有用功能，实现降低成本和提高系统的理想度。裁剪规则有A、B、C三种，其剪裁规则C描述为技术系统或超系统中其他组件可以执行功能载体A的功能，则可以裁剪功能载体A[3]。基于规则C与图3的功能分析模型，若禽肉定量包装称的料斗可以执行传送带对禽肉的移动功能和控制功能，则传动带可以移除；依据此思想，因料仓本身的重力可以移动物料，若将系统组件料仓的容纳与分离功能转移到传送带组件上，可形成新的创新设计方案。对传送带进行物场分析，如图7（a）所示，由于传送带S2对禽肉S1的分离功能不足，可采用链式物场模型的方法加入另外一个超系统组件，即加入一种物质钉子S3，形成带钉子的传送带促进分离。带钉子的传送带能提升系统对禽肉的分离和传送功能，但由于传送带上的禽肉整体单方向移动，未能满足禽肉包装质量精度的要求，采用76标准解的第3类解即向超系统或微观级转化的方法，将带钉子的传送带划分为并行的J、K、L三组带，中间K组的带钉带宽设置为3 cm以限制控制单块禽肉通过，设计方案如图7（b）所示；其工作原理为：将系统称重过程分为粗称和精称两阶段，开始称重的粗称重阶段，后阶段为精称重。开始称重时J、K、L三组带钉皮带同时运行，称重传感器反馈禽肉质量偏差达设定值时，停止J、L组，保留K组皮带转动并落下单块禽肉，实现精度称重。

图7 基于TRIZ裁剪规则解决方案

3.3 方案3：基于检测和测量标准解的创新设计

禽肉定量称重装置的另外一个核心功能是称重，属于物场分析与76个标准解第四类即检测与测量标准解的范畴。如图3与图4所示，传统经典定量包装秤通过测量分离出物料的质量信息来测量，属于增量式的测量方式；由于物料运动，物料下落的冲量给称量精度带来强大干扰，正如图3装置中增加缓冲料斗以折中解决，对于块状禽肉称重来说效果甚微。标准解对于不易测量的系统可采用间接方法即通过改进系统以系统的变化来代替探测或者测量。将系统对图2包装袋及物料的质量测量，改变为系统对料斗与物料质量的测量如图8（a）物场模型所示；分离物料的质量Gi由式（1）获得。

式中：G0为初始料斗及物料质量；Gi为第i袋物料质量。

新的系统设计是将信号传感器安装于料斗下方，同时为保证物料从料斗到包装袋移动过程中的物料流失，要求从料头所流出物料要全部放置于包装袋中，可采取以下方法：在料斗出仓口下方放置包装袋，去除传送带，形成创新设计方案，如图8（b）所示，即料头实现物料分离、传送和称重的集合功能。为增强料斗的分离能力，综合考虑粗称重与精称重的要求，在料斗底部设计一个螺旋推进分离器，设计仅可以容下一块禽肉螺距4 cm的螺旋杆。在粗称重阶段，仓门全部打开，在精称重阶段，仓门开度为1个螺距。

图8 基于检测和测量标准解的设计方案

3.4 方案评价

由TRIZ理论设计开发出的3种禽肉定量包装装置各有其优缺点，为进一步对创新方案进行有效评估，采用结果清晰且可对比性强的模糊综合评判（FCE）法进行方案评价[10]。其思路为确定隶属度函数，通过专家组评议求得权重向量，建立创新设计方案的模糊综合评判。评价因子确定采用专家投票方式[11]。

式中：u1为可靠性；u2为适应条件；u3为测量精度；u4为经济性；u5为工作效率。

3种设计方案对应方案集：V={V1,V2,V3}；由专家用评分办法确定的权重集合A=（0.18，0.17，0.22，0.25，0.18），综合评判采用B=U·A，方案评价结果如表1所示。

根据最大隶属原则并计算B。由表1数据评价结果B可知b3＞b2＞b1，3种方案以方案3为最优方案。

表1 创新设计方案模糊综合评判表

4 结论

禽肉定量包装是当前禽肉生产中小企业急需解决的问题，而市场上尚无适合中小企业需要的相关产品，相关研究也鲜有报道。以传统定量包装秤为原型，通过TRIZ理论的功能分析、物场分析和标准解等工具对产品进行创新开发，并对创新方案进行综合评价，创新实践表明，所述方法和方案为禽肉定量包装设备的设计与制造提供参考依据和方向指导，提高产品开发的效益。