基于TRIZ 的托盘式茶叶烘箱结构优化设计

文/何 涛陈强曼 王成军 许 博黄 森

(1.美亚高新材料股份有限公司；2.安徽理工大学机械工程学院)

安徽省是我国优质的茶叶产区之一，中国十大名茶之中，出自安徽的就占了三个。烘箱是茶叶加工过程中烘干、提香的核心装备[1]，制茶工艺及技术的发展对传统托盘式茶叶烘箱的性能有了更高要求。传统茶叶烘箱托盘多为独立设置，在烘箱内自上而下呈层状叠加，热风口靠近底层，底层茶叶烘制完成后，需要将上层托盘逐层向下转移，过程复杂、效率低下；茶叶加工多在夜间，换盘频繁、时间控制不精确，且热风口单一，导致茶叶受热不一致，影响色泽、口感及香度。

TRIZ 理论涵盖了发现问题、分析问题、解决问题的一整套流程，借助其可得到解决技术系统问题的创新想法，TRIZ 理论在各领域均得到了广泛应用[2-3]。张颖颖等[4]结合创新理论与矛盾冲突找出了温室吊蔓器制作装备的设计方案；李祥松[5]运用TRIZ 理论研发了新截割头，提高掘进机的截割性能、降低截齿的磨损损耗；桓源等[6]运用40 个发明原理和矛盾矩阵分析提出了一种苹果分拣套袋装置；梁富文等[7]应用TRIZ 理论提出了一种电筒筒身压线机构的改良设计。本文基于TRIZ 理论，针对传统托盘式茶叶烘箱存在的不足，借助功能模型和因果分析找出问题的本源，并依据技术矛盾、物理矛盾以及物- 场模型方法提出了新的解决方案。

一、应用TRIZ 的问题分析

1.问题分析

传统茶叶烘箱结构如图1 所示，主要由支架、风机、托盘、燃烧室等部分组成，风机将燃烧室内高温气体输送至烘箱内底部风口，然后热风自下而上移动，由上风口排出。这种结构热风不能循环利用，人工调盘控制不精确，费时费力，且茶叶受热程度不一致。

图1 传统烘箱结构原理

2.功能组件分析

针对上述问题选择烘箱为技术系统，确定托盘、空气、风机、风口、加热板等为系统组件，人、柴火、茶叶和环境等为超系统组件，得到组件功能模型如图2所示。其中的有害作用包括人移动托盘，费时费力，控制难；风口位置单一，烘干效果差；柴火加热，供热不足，温控精度低。

图2 组件功能模型

3.因果分析

组件功能分析已经初步分析出影响茶叶品质的组件，但未找到根本原因，需要进一步开展因果分析。因果分析图如图3 所示，分析结果显示，茶叶品质欠佳的原因为：（1）风机转速不可调，导致空气温度调节不便；（2）人工移动托盘，致使茶叶烘干时间不一致；（3）风口设计不足，造成底层和上层茶叶受热不一致；（4）柴火供热不足，导致温控精度低，影响品质。

图3 因果分析图

二、应用TRIZ 的问题解决

1.技术矛盾法

技术矛盾法主要解决烘箱底层和上层茶叶受热不一致问题。现有的人工更换托盘位置调整茶叶受热时间和温度的方法效率低、工人劳动强度大、热量损耗大。根据阿奇舒勒矛盾矩阵，确定技术矛盾（改善茶叶烘干时间和温度；提高效率，降低加工能耗）、恶化参数（39 生产率；22 能量损失）及改进参数（15 运动物体作用时间，即移动托盘控制茶叶烘烤时间；17 温度，即茶叶烘烤温度）。

结合40 条发明原理给出的启示，确定有效原理14、15、17、19、21、28、35、38，提出如下创新方案。14 曲面化原理：平面托盘改为可弯曲的曲面带式托盘；15动态化原理：静止托盘改为可运动托盘；17 空间维数变化：单层刚性托盘改为多层柔性托盘；19 周期性作用：连续多次调整托盘改为间歇周期性调整；21 减少有害作用：正常烘干改为高温真空快速脱水；28 机械系统替代：机械安装托盘改为磁悬浮托盘；35 物理或化学参数改变原理：高温烘干改为低温烘干/速冻真空脱水；38 强氧化剂原理：绿茶属未发酵茶，不可取。舍弃不现实方案，最终可采用链板循环支撑方案，一次性调整12 层托盘，如图4 所示。

图4 技术矛盾法的解决方案

2.物理矛盾法

用物理矛盾法解决技术矛盾法未能解决的风口设计不足造成底层和上层茶叶受热不一致的问题。

首先找出物理矛盾参数，为进风口风速及风量。一方面要求风速快、风量大、提高烘干效率，另一方面希望速度慢、风量小、充分烘干、节约能耗。

然后应用空间分离原理解决物理矛盾。空间1 为顶层附近托盘（7 到12 层），理条后鲜茶叶含水量高，需大量快速热风将水分带走；空间2 为底层附近托盘（1 到6 层），半干茶叶含水量低，需慢热风充分干燥，节约能耗。空间1 和空间2 不存在交叉。

经上述分析，结合空间分离原理，得出物理矛盾解决方案如图5 所示，即针对烘箱上部托盘，在烘箱中间位置设置两个开度较大的可调风口2，在烘箱下部托盘设置两个开度较小的可调风口1。

图5 物理矛盾法的解决方案

3.物-场模型法

技术矛盾和物理矛盾法均不能解决的技术问题采用物- 场模型法解决。

问题一是柴火供热不足导致温控精度低、响应速度慢、污染环境严重。

解法一如图6(a)所示，增加新的物质和场，增强原来的效应。采用木柴+电热器（S3）组合加热，正常情况下用电，山区断电情况下用柴，以提高可靠性。

解法二如图6(b)所示，增加干燥器（场F3），吸收湿热空气中水分，调节湿度，增加干燥效率，实现热风循环利用。

问题二是风机转速不可控，温度调节不便。

解法如图6(c)所示，通过构造场，采用动态场替代静态场。原来的恒转速风机增加电子调速器，以实现实时调节风机转速的功能。

图6 物-场模型法的解决方案

三、优化结果

结合以上TRIZ 理论设计出的最终方案如图7 所示。增加了电加热方式及风速调节，采用多风口分区供热，在烘箱顶部增加干燥装置，实现热风循环，并针对托盘换位问题采用循环链板结构。通过改进，有效解决了传统托盘烘箱存在的系列技术难题，茶叶初烘良品率由80%提高至95%，并节约了能耗，提高了效率，降低了工人操作强度，取得了较好的应用效果，获得一项发明专利授权。

图7 最终优化方案

四、结语

基于TRIZ 方法对托盘式茶叶烘箱结构进行创新优化，借助组件功能和因果分析明确了茶叶受热不均的根本原因，并结合技术矛盾法找到了循环链板支撑及调位的解决方案；借助物理矛盾法，采用空间分离，增设了中间出风口的解决方案；最后根据物- 场模型法，增设了一个吸附干燥场和电加热器，实现热风循环利用。最终确定的综合解决方案，降低了劳动强度，提高了效率，节约了能耗，保证了茶叶烘干提香质量。研究可为托盘式茶叶烘箱结构优化设计提供新思路，进而为机电工程领域的设计人员使用TRIZ 方法开展结构优化提供参考。