基于TRIZ的空腔粉末填料装置创新设计*

张 辉 吴 杰 黄禹铭 邓兵兵 唐绍禹

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

空腔粉末填料装置根据其填料的对象不同可以分为液体填料装置、膏体填料装置、颗粒填料装置和粉末填料装置。传统的填料装置都是单头立体螺杆式或量杯式的，但存在工作效率不高、填料速度较慢等劣势，如今已经很难满足客户或厂家的需求了。

通过对填料装置专利申请总体概况分析可知，当前我国一些公司加大了对填料装置的研究，申请了多项专利，特别是医药类有限公司。但这些专利产品大多存在着易堵塞、跟随时间短、精度要求高和控制复杂等问题。吴奇明等[1]设计了一种利用齿轮齿条压料的粉末填料装置，提高了装粉的精度，减少了粉末浪费量。陈云等[2]发明了一种利用气缸推动的空腔粉末填料装置，其结构紧凑有利于粉末的均匀混合。吴肖等[3]将滚筒式洗衣机与填料装置相结合，发明了一种滚筒式填料装置。在上述填料装置的设计研究中，均解决了原有设备的部分使用问题，但在效率与速度上仍然存在着较大的问题，本文利用TRIZ理论与发明方法，进一步解决填料装置效率低，易阻塞等问题。

1 TRIZ理论

TRIZ理论，翻译为“发明问题的解决理论”，是由前苏联发明家阿奇舒勒在1946年创立的[4]。自从阿奇舒勒在1956年发表了第一篇有关于TRIZ的论文开始，各地的发明家便开始了对创新理论工具的梳理。经过半个多世纪的发展，如今TRIZ理论已经成为了一套解决新产品开发实际问题的十分成熟的九大经典理论体系，其包括：TRIZ的技术系统八大进化法则、最终理想解、40个发明原理、39个工程参数及阿奇舒勒矛盾矩阵、物理矛盾和四大分离原理、物—场模型分析、发明问题的标准解法、发明问题解决算法、科学效应和现象知识库。运用TRIZ理论的一般过程为，确定问题所在-建立问题模型-工具求解-判断是否达到理想解-若未达到理想解则重复此过程[7]。图1所示为TRIZ理论的详细步骤。

2 问题分析

2.1 选择对象

本文通过对专利库中相关专利进行检索[5-6]，以空腔、粉末(作用对象)、填料(作用方式)关键词作为限制对象，最终检索到与本文主题匹配度较高的两项专利：《一种型腔粉末填充装置》(申请号：201720749530.5)；《粉末成型机自动上料装置》(申请号：201320572872.6)。笔者重点研究了上述专利的权力要求说明书以及发明内容。通过分析发现上述两项专利共有的特点与差异得出以下结论。

两种装置结构模块相似，都由驱动装置，压料装置和进料装置组成，《粉末成型机自动上料装置》还具有传动装置。相比较而言，两者都存在着填料速度慢的问题，且前者具有复杂的控制系统，因此本文选取《粉末成型机自动上料装置》作为研究对象。

2.2 问题描述

根据对上述所选现有对象的分析，可将其分为驱动机构、传动机构、压料装置和进料装置4个部分，该专利的工作方式如下：

(1)驱动机构(凸轮盘)旋转。

(2)驱动机构带动传动机构(导杆与齿轮组)上下运动。

(3)传动机构带动压料装置上下运动，将进料装置投入的粉末压出腔体，完成填料。

该装置虽然提高了装粉的精度，粉末浪费较少，但仍然存在着填充效率不高，设备不适用于长期工作等问题。为了进一步提高压料的速度以及效率，提高设备的稳定性与耐用性，本文将对该设备进行详细的分析以及改进现有的不足。

2.3 因果分析

因果分析法是利用事物发展变化的因果关系来进行预测的方法[10]。本文根据原因链与结果链梳理出造成上述所选对象速度慢效率不高的鱼骨图，如图2所示。通过对鱼骨图的分析，可以找出问题参数，以及判断装置的设计合理性和功能完整性。图2中反映出该装置构造赘余、易磨损、不利于设备长期运作、压料装置数量不足等问题从而造成整体压料速度慢，效率不高的问题。

3 基于TRIZ理论的创新设计

3.1 小人法分析

小人法的一般步骤为：①建立问题模型，将对象各部件想象成小人；②建立方案模型，使小人各司其职，从而较好地解决问题；③将方案模型落实到实际技术的解决方案[9]。

将上述所选对象推演成小人模型，如图3所示，用小人代替驱动机构、传动机构、压料装置及进料装置。结合需要解决的问题，对小人实施不同的功能安排，重新组合，从而解决因果分析法中找出的问题，得到改进后的小人模型，如图4所示。使用小人法分析原始问题，打破了固有的思维定式，考虑到降低成本就要进一步减化设备，从而可以取消或简化传动机构。为了进一步提高压料速度，可以增加作业数量，设置多个压料装置并行工作。

3.2 矛盾解决原理分析

综合上述分析，我们可以将现有对象所存在的矛盾冲突的问题归纳为：力(凸轮盘存在的冲击力)与适应性与多样性(传动机构的适用性)之间的矛盾、运动物体作用的时间(压料装置压料的时间)与生产率(压料量)之间的矛盾、应力或压力(传动机构承受的压力)与结构的稳定性(传动机构的变形)之间的矛盾。根据阿奇舒勒矛盾矩阵表，可建立本问题的子矩阵，如表1所示。

筛选表1中的发明原理，得到可利用的发明原理有：2(抽取)、17(维数变化)。故具体方案为：(1)采用无冲击摩擦小的驱动机构。(2)更改设备结构，取消原有的传动机构，如集成原有压料装置与传动机构，使其构成一个多自由度多功能的压料机构。(3)增加多个压料杆同时工作。

表1 矛盾冲突矩阵

3.3 空腔粉末填料装置创新设计

根据因果分析法、小人法与矛盾解决原理分析，可得最终问题解决方案。装置图如图5所示。整个装置以凸轮作为驱动件，两个凸轮分别赋予填料装置左右移动和上下移动两个自由度，其具体工作方式如下：

首先规定装置的初始位置为凸轮Ⅱ6近端与推杆4接触，滑动料杆10贴近固定槽1的右端。两个凸轮均受行程开关12控制。

填料阶段：凸轮Ⅱ6开始转动，滑动料杆10向左移动，底部出料口7被打开，左侧弹簧开始被压缩，凸轮Ⅰ3结合底端弹簧可带动压料杆9往复上下运动，从而实现在出料口7连通过程中跟随多次填料。

回程阶段：当凸轮Ⅱ6处于回程时，乃整个装置的回程阶段，此时压缩的弹簧可供滑动料杆10向右运动的推力。在滑动料杆10到达初始位置时，触碰到行程开关12 ，进而两个凸轮均停止转动，整个装置完成一轮作业。

装粉阶段：装置回程完毕后回到初始位置，凸轮停止转动，底部出料口7关闭，此时装置处于装粉阶段，待定时器计时完毕后，装置将进行下一轮作业。

需要说明的是：为减小整个装置在运动过程中的摩擦力，滑动料杆与固定槽之间采用导轨滑轮接触；压料杆与滑动料斗之间也采用导轨滑轮接触，如图6所示；在减小摩擦力的情况下凸轮仍可能发生自锁，设计时可适当增大基圆半径，减小压力角；为防止启动时或启动后不久就碰到行程开关导致第一轮作业不理想，应该设置开机时的一小段时间内行程开关定时器不起作用。

经过创新设计后的空腔粉末填料装置在保证原有装置的功能与精度以外，加长了加料工位长度，延长了加料时间，一次性可以完成多个工位加料，同时降低了整个装置工作频率使得设备可以长期运行，简化的装置结构，使装置的可靠性得以提高。

4 结语

为解决当前空腔粉末填充装置工作效率不高、填料速度较慢以及出口容易堵塞的问题，本文对专利库中相关专利进行了检索与分析，利用因果分析法分析当前装置，发现现有的空腔填料装置存在结构冗余，磨损较大不利于设备长期运转和工位单一等问题，从而造成填料速度缓慢。根据分析出的问题，本文采用小人法获取问题解决模型，再根据矛盾解决原理，将设备中的问题转化成TRIZ标准问题，结合相应的发明创新原理，最终获得了问题的解决方案。