基于TRIZ的树脂混凝土搅拌机清洗模块创新设计

肖一浩XIAO Yi-hao；王继荣②WANG Ji-rong；秦江涛QIN Jiang-tao；李军LI Jun

（①青岛大学机电工程学院，青岛 266071；②青岛大学威海创新研究院，威海 264200）

0 引言

树脂混凝土作为建筑材料相较于传统混凝土表面光滑，抗腐蚀性强，对某些特殊场景有更好的适用性，它是由合成树脂、砂石、填料组成，搅拌时加入硬化剂和促进剂，然后填充到模具中，振捣或压制几分钟即可脱模，得到树脂混凝土构件，其中的原材料比例为：不饱和聚酯树脂9%-20%、石英石（粒径2-5mm）10%-40%、石英石（粒径5-12mm）10%-40%、石英砂10%-20%、碳酸钙10%-20%、固化剂8-15%%、色浆。可以应选用单卧轴混凝土搅拌机作为树脂混凝土浇筑生产线的搅拌系统。单卧轴混凝土搅拌机搅拌质量好、卸料速度快、衬板及叶片使用寿命长等优点[1-2]。但考虑到要求机器安全稳定性能需要保证，连续出料，在浇筑口便于操作，投料需便捷，维修保养方便，螺杆清洗需便捷等，单卧轴混凝土搅拌机缺乏清洗模块，清洗方式复杂、耗时长、需要人工辅助清洗等缺点不适合树脂混凝土浇筑生产线的需求[3]，因此需要对传统的清洗方式进行改进，提高清洗效率，使用全自动清洗方式，使其满足自动化生产线的需求。现有的改进方法有：①通过流体连接器快速地手动与要通过流动路径的原料分配阀或与清洁源进行流体连接，流体将通过流动路径输送到搅拌筒内部以清洁流动路径和搅拌轴和搅拌铲片[4-5]；②通过处理器被配置为确定触发事件以启动搅拌组件的清洁循环以去除残留在搅拌筒中的混凝土，并且响应于检测到触发事件，通过使流体注入筒内来执行清洁循环[6]。本文基于TRIZ理论分析研究了搅拌机的清洗模块，希望得到更合理的解决方案。

1 树脂混凝土搅拌机的搅拌原理与问题分析

单卧轴树脂混凝土搅拌机有两块螺旋形状的搅拌叶片左右相反，物料在搅拌叶片的驱动下强迫物料在进行挤压和搓动等进行非常强烈的运动，加剧了搅拌的能力[7-8]。

树脂混凝土搅拌机缺乏单独的清洗模块，现有的清洗方式是将水倒入料筒内使主轴运转将主轴和搅拌铲片清洗干净或者用砂子清洗[9]，对于树脂混凝土浇筑自动化生产线现有的两种方法都存在缺陷，第一种用水搅拌清洗的方式对于高粘稠度和高附着度的树脂混凝土清洗效果不佳，第二种用水和砂子搅拌清洗的方式效果比单纯用水好，但是会有额外的产物出现，对于自动化生产线，多出一道清洗副产物处理工序会额外增加成产成本并且降低生产效率。（图1）

图1 单卧轴混凝土搅拌机

2 TRIZ理论概述与创新设计流程

经典形式的TRIZ方法论是由苏联发明家阿奇舒勒及其同事在第二次世界大战后开发的。在俄语（теория решенияизобретательскихзадач）中，Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，字面意思是：“解决发明相关任务的理论”，通过对专利的研究，对成功案例进行推广，从而成功地解决技术问题，逐步发展成为了一种解决问题，分析和预测工具[10-12]。TRIZ理论着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，基于技术的发展演化规律发明创造、解决难题并研究整个设计与开发过程[13-14]。近年来TRIZ理论在创新设计中得到了极为广泛地运用[15-17]。

TRIZ理论是一种问题解决方法，是建立了解决问题的通用模型并指明了其发展方向，目前在产品创新设计领域被广泛使用[18]。流程图见图2[19]。

图2 TRIZ理论解决问题的基本思路

3 运用TRIZ工具解决问题

3.1 系统功能分析

本研究对目前单卧轴树脂混凝土搅拌机的清洗方式进行分析，得出目前只是单纯的借助搅拌机的搅拌功能进行辅助清洗，清洗模块并未单独存在，清洗只是搅拌功能的一种附加项。系统的功能组件见表1。

表1 功能组件分析

3.2 因果分析

因果链分析通过建立初始缺点与底层缺点的逻辑关系，找到解决问题的突破口[20]。因果分析是通过构建因果分析事件发生的原因和导致的结果的分析方法。原则上应先从根本原因着手解决问题。[21]。根据对以上组件的分析，通过使用故障树分析法得出：其直接原因是清洗时候的强度不够、效率低下、会产生副产物。经过对主要问题分析得到两对关键物理矛盾：①清洗时间要足够短，清洗效果又要足够好。②清洗步骤要足够少以便简化生产线工序，清洗过程中会有副产物产生。在这一多因素问题中，提高清洗效率是本项目最有效的解决办法，而在提高清洗效率的方法中，构建清洗模块使其实现自动化又是最有效的解决办法。因果链分析图见图3。

图3 因果链分析图

3.3 寻找问题实质

将树脂混凝土搅拌机清洗模块面临的具体问题描述进行汇总分析，得出目前实现其清洗模块最大的困难是如何实现搅拌机的高效清洁，即：①如何越过搅拌铲片清洗搅拌主轴；②清洗过程如何不产生副产物。

针对产品创新设计方面，TRIZ理论主要提出了技术进化理论、冲突解决原理、等创新工具，将选择适当的工具对以上问题进行逐一解决[22]，首先进行最终理想解分析。（表2）

表2 最终理想解

3.4 物理矛盾分析

使用物理矛盾工具解决搅拌主轴刮板如何通过搅拌铲片的问题。在既要保证清洁刮板对搅拌铲片不会阻挡使得搅拌过程顺利的同时以便实现对搅拌主轴的清洁这一矛盾中，可以将其归纳为在搅拌筒内部结构这一参数上出现的复杂性与适应性两个对立面，针对这一问题可以采用物理矛盾中的空间分离原理进行解决，根据空间分离原理中的发明原理中的分割原理，将结构分为两部分，既能保证刮板能够顺利通过搅拌铲片，又能实现对搅拌主轴的清洗。

3.5 物场分析

使用物场分析工具解决清洁刮板对树脂混凝土搅拌过程产生阻碍的问题。构建此问题的物场模型：机械场（F）、搅拌铲片（S1）、清洁刮板（S2）。通过分析发现，搅拌铲片（S1）对清洁刮板（S2）生成障碍部分的是搅拌铲片（障碍部分）阻碍清洁刮板的运动，见图4。接下来采用“产生有害作用时，引入变形的第三种物质S”这一标准解法，将全部安装在搅拌主轴上的搅拌铲片改为部分固定在搅拌筒上并与清洁刮板相结合形成全新的搅拌铲片S2，使搅拌铲片既能实现搅拌功能，又能成为清洁刮板的连接机构。

图4 物场分析模型

4 清洗模块设计方案

基于TRIZ理论，单卧轴树脂混凝土搅拌机清洗模块分为清洁模块和移动模块。移动模块采用电机驱动滚珠丝杠，清洁模块采用的是针对单卧轴混凝土搅拌机设计的搅拌铲片，清洁铲片分布于搅拌铲片的空隙中间固定位置处，便于计算机的控制，减少运算量。对原有的搅拌筒进行了改进，清洁铲片的形状设计为和搅拌铲片相同的螺旋形，可以代替一部分搅拌铲片，通过计算得到清洁铲片和主轴搅拌铲片重合时的位置，去除主轴搅拌铲片的相应部分，确保清洁铲片能够顺利通过搅拌铲片，防止机器卡死损坏。搅拌机的清洗模块示意图如图5所示。

图5 搅拌机清洗模块示意图

搅拌机工作过程中，搅拌铲片在筒内做前进运动，清洁铲片被固定静止不动，因为在搅拌铲片上留出了供清洁铲片通过的位置，所以不会影响主轴搅拌铲片的前进。由于二者形状相似，固定不动的清洁铲片在搅拌过程中也会实现搅拌铲片的功能，相较于传统搅拌机而言，清洁刮板就会起到加速搅拌的作用，增加了搅拌铲片的密度，提高搅拌效率。

清洁过程可以分为三步：①在搅拌机内注入清水，电机驱使清洁铲片靠近搅拌铲片，移动到固定位置后跟随搅拌铲片做同步运动，清洁铲片会因为搅拌铲片的旋转将残留物刮掉，进行搅拌铲片的清洗；②搅拌铲片与清洁铲片反向转动驱使清洁铲片向另一侧的搅拌铲片靠近，搅拌主轴也在电机的驱动下转动，在这个过程中将会完成对搅拌主轴的清洗，直到两者到达相应的距离；③当清洁铲片移动到另一侧后随搅拌铲片同步运动，完成另一侧的清洗，最后复位。

通过清洁铲片在搅拌筒内的移动，筒内的搅拌铲片和主轴都得到了清洗，因为采用的是刮板式清理方式，相较于单一水洗式针对黏度大的混凝土会有更好的清洗效果，并且清洗过程会在电机的控制下自主完成，减少人工辅助，提高混凝土浇筑生产线的效率。

5 结语

本文应用TRIZ理论进行树脂混凝土搅拌机清洗模块的设计，根据分割原理和创新原理设计出了单卧轴树脂混凝土搅拌机清洗模块的总体方案，针对树脂混凝土浇筑生产线进行了清洗优化，该方案清洁铲片跟随搅拌铲片一起运动辅助搅拌，能够对搅拌铲片和主轴进行清洁，针对树脂混凝土浇筑生产线进行了清洗优化，提高了搅拌清洁效率。但是并不能辅助搅拌筒内壁的清洁，仍需要结合人工洗进行清洁，在接下来的工作中，将针对搅拌筒内壁进行清洁模块设计。