付 敏，周柯成，李荣峰，李 萌，郝镒林
（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）
生物质秸秆是一种以纤维素、半纤维素和木质素为主要成分的清洁型可再生能源[1]。秸秆高值化利用的前提是进行粉碎处理，秸秆微粉碎后可作为木塑复合材料、绝缘材料等产品的基质原料。木粉和秸秆粉均可作为复合材料的填充物，相较于木粉，秸秆粉价格低廉且资源丰富，在填充物市场上占据着越来越重要的地位[2]，[3]。
国内外学者针对生物质原料粉碎技术展开了一系列研究。褚斌[4]设计了一种针对藤茎类秸秆的立式粉碎机，该粉碎机采用了双级锤片串联粉碎的原理，可使藤茎类秸秆的粉碎粒度小于20 mm。鲍振博[5]设计的组合式生物质秸秆粉碎机可使秸秆在动、定刀的切削以及齿板与锤片的碰撞、磨搓作用下被粉碎，还可根据所需粒度更换筛网规格。赵越[6]研发的超细木粉粉碎设备可使物料在刀具的切削和磨削作用下被粉碎，然后通过旋风分离器分选出400目（0.037mm）以上的物料。钟声标[7]设计的秸秆超微粉碎机的定子上设置有切齿和锤片，可使秸秆在定子与螺旋转刀的剪切、偏心挤压及撞击作用下被粉碎至400目以上。Luigi Pari[8]设计的生物质粉碎机的粉碎机构由双螺旋转子组成，可针对不同物料更换不同类型转子，使出料粒度达3mm以下。Tavares Luís Marcelo[9]设计的间歇式振动球磨机以挤压和摩擦为主要粉碎方式，可使亚麻纤维的粉碎粒度达0.091mm以下。
上述研究为秸秆微粉碎技术的发展提供了有益启示。因此，本文应用TRIZ指导秸秆微粉机的概念设计，提出了一种多层动定刀冲击、剪切、摩擦的粉碎方式，并应用TRIZ工具对粉碎机构、喂入机构、分离收集机构进行设计，研究成果为提高秸秆微粉碎效率和降低粉碎粒度提供了参考。
TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒 （G S Altshuller）创立的一种系统化发明问题解决理论[10]。在产品概念设计过程中，TRIZ可辅助设计人员从不同维度触发灵感，从而在更广阔的领域寻找解决方案，提高设计质量和效率[11]。TRIZ解决问题的流程可分为问题描述、分析问题、确定解题方向、解决问题和方案评价。
①问题描述：描述系统的功能、功能实现原理、存在的问题以及问题解决目标和限制条件等。
②分析问题：采用功能分析、因果分析、资源分析等分析问题工具，探寻问题产生的根本原因，发现多个解决问题的切入点，明晰解决问题可利用的资源。
③确 定 解 题 方 向：应 用IFR（Ideal Final Result）、金鱼法、进化法则和九屏图等方法确定问题的解决方向。
④解决问题：应用技术矛盾、物理矛盾、物场模型、STC算子 （Size-Time-Cost）、聪明小人法SLP（Smart Little People）、效 应 库、资 源 分 析 和 功能导向搜索等工具进行方案求解。
⑤方案评价：从经济性、可实施性、先进性等多方面对所有概念方案进行评价，筛选出最终实施方案及专利预案。
2.1 秸秆微粉机功能需求
总功能：减小物料尺寸。
子功能：喂入物料、粉碎、分离、收集秸秆微粉料。
生 产 能 力：1000kg/h。
粉碎粒度：180目。
2.2 秸秆微粉碎工艺流程
根据功能需求，确定秸秆微粉碎作业的工艺流程如图1所示。首先将秸秆物料投放至喂入机构，物料进入到粉碎机构后完成粉碎作业，之后秸秆混料进入分离机构进行筛分，未达到粒度要求的粗料重新进入粉碎机构进行粉碎，收集符合粒度要求的微粉料。本文应用TRIZ工具辅助喂入机构、粉碎机构以及分离收集机构的创新设计。
图1 秸秆微粉碎工艺流程图Fig.1 Process flow chart of straw pulverization
3.1 原型系统工作原理及存在的问题
经市场调研和文献检索发现，销棒冲击式粉碎机适用于中药材、塑料、化工原材料等行业物料的微粉碎加工[12]，其结构如图2所示。物料送入粉碎室后，在高速旋转的转子的作用下，物料受到冲击力且加速运动，同时在离心力作用下向外圆周方向运动，在此过程中，物料与转子销棒和定子销棒发生冲击碰撞被进一步粉碎。但是，销棒冲击式粉碎机在粉碎秸秆原料时，难以满足微粉碎粒度和产量的要求，所以本文拟以销棒冲击式粉碎机为原型进行改进创新。
图2 销棒冲击式粉碎机结构示意图Fig.2 Schematic diagram of pin-type impact mill structure
3.2 粉碎机构设计
粉碎机构的主要作用是将秸秆粗料粉碎至目标粒度，原型系统采用的销棒冲击式粉碎适用于具有一定硬度的物料，将其用于粉碎富含纤维且有一定韧性的秸秆时，存在粉碎粒度大以及粉碎效率低等问题。本文应用TRIZ中的系统功能分析、物场分析、技术矛盾和物理矛盾方法对粉碎机构进行设计。
3.2.1应用TRIZ的系统功能分析
技术系统名称：粉碎机构。
系统功能：减小秸秆物料尺寸。
系统作用对象：秸秆混料。
系统组件：定子销棒、转子销棒、定子、转子、转动轴、动定间隙和机壳。
超系统组件：机架。
分析功能对象、系统组件、超系统组件间的作用关系，建立粉碎机构的功能模型图（图3）。由图3可知，粉碎机构存在粉碎作用不足和易磨损的问题，后续应用TRIZ解题工具对存在的问题进行求解。
图3 粉碎机构功能模型Fig.3 Function model of the crushing mechanism
3.2.2应用TRIZ的物场分析
（1）构建问题物场模型
由图3可构建如图4所示的问题物场模型。
图4 问题物场模型Fig.4 Substance-field model of the problem
（2）求解问题物场模型
针对图4（a）中转子、定子销棒对秸秆混料的冲击作用不足，应用TRIZ标准解S2.2.2-增加物质的分割程度，提出概念方案1：将定子、转子销棒设计为具有双剪切刃的动、定刀具，对秸秆物料产生剪切、冲击作用。
针 对 图4（b），（c）中 秸 秆 混 料 对 定 子 及 转 子的有害摩擦作用，应用TRIZ标准解S1.2.2-引入S1或S2的变形来消除有害作用，提出概念方案2：在定子和转子盘表面设置凸齿，以减少秸秆物料对其表面的磨损，同时增强冲击粉碎作用。
3.2.3应用TRIZ的技术矛盾和物理矛盾
（1）应用技术矛盾求解
由图3确定技术矛盾发生在增大粉碎秸秆混料的作用力和降低秸秆混料的流动性之间。查找发生技术矛盾的参数：改善的参数为NO.10-力；
恶化的参数为NO.9-速度。查找矛盾矩阵表，得到推荐的创新原理有NO.09-预先反作用原理、NO.13-反向作用原理、NO.15-动态特性原理和NO.28-机械系统替代原理。
应用NO.15-动态特性原理，提出概念方案3：增加动、定刀具数目，以提高粉碎作用力。
应用NO.28-机械系统替代原理，提出概念方案4：利用喷嘴喷射高速气流使秸秆混料相互碰撞，增大对秸秆混料的作用力。
（2）应用物理矛盾求解
确定物理矛盾：动、定刀具的间隙既应该大，以满足秸秆混料流动性强的要求，又应该小，以满足定子、转子销棒对秸秆混料作用力大的要求。
应用空间分离原理提出概念方案5：同一刀盘上不同层级刀具交错排布，保证多把刀具均参与粉碎，防止出现空转现象，同时还可避免物料未经充分粉碎而被甩出粉碎区域。
3.2.4刀具数量及排布确定
针对概念方案3，5，需确定动、定刀具数目以及排布方式，以兼顾粉碎粒度和低能耗的要求。
（1）粉碎功耗计算
每块秸秆粉碎到给定粒度时的理论有效功耗Wi的 计 算 式[13]为
式中：Kh，Kz分别为横向、纵向单位面积上的有效功 耗，J/mm2；
Di为 秸 秆 原 料 直 径，mm；
Li为 秸 秆 原料长度，mm；
d为粉碎后的秸秆粒径，mm。
生产单位质量目标秸秆粉料的理论有效功耗Wef的计算式为
式中：mi为单位质量秸秆的块数，个。
本文中秸秆微粉碎机的设计要求为粉碎粒度为180目（0.08mm），产 量 为1000kg/h，刀 具 转 速为2400r/min。已知玉米秸秆的剪切破坏力为680.38～1613.75N，堆 积 密 度 为30～50kg/m3[14]，为简化计算，将玉米秸秆的剪切破坏力近似为1500 N，堆积密度近似为40kg/m3，秸秆原料简化为长20mm，直径为35mm的圆柱体。将上述数据代入式（1），（2）中，可 得 生 产1000kg目 标 粉 料 的 理 论有效功耗约为7.0×106kJ。在物理计算过程中，理论功耗定为实际功耗的75%～80%[15]，则实际功耗约 为9.3×106kJ。
（2）动刀排布方式及数目的确定
动刀排布方式见图5。由图5可以看出，沿动刀盘径向设有4层刀具，其距回转中心的距离依次 为150，220，280，330mm，动 刀 数 量 由 内 向 外 依次 为4，8，16，16个。每 层 刀 具 沿 圆 周 均 布，使 得 刀盘受力分布均匀；
相邻层的刀具采用交错排列，以利于物料受到充分粉碎。
图5 动刀排布示意图Fig.5 Schematic diagram of moving blade distribution
刀具切削做功W的计算式为
式中：F为刀具运动过程中所受到的切向冲击力，N。
假定刀具工作过程中恒定与秸秆混料碰撞，且所受切向冲击力为1000N[15]，则由式（3）可计算出由内至外每层刀具的每个动刀每小时的做功分 别 约 为1.3×105，1.9×105，2.5×105，2.9×105kJ。再根据每层刀具的数量，可以计算出四层粉碎动刀的总体做功约为1.1×107kJ，大于设计需求功耗9.3×106kJ，因 此，刀 具 数 目 设 定 合 理。
（3）定刀排布方式及数目确定
参考动刀排布方式，定刀也采用对称交错排布。沿定刀盘径向设置3层刀具，其距回转中心的距离依次为165，250，305mm，定刀与定刀盘固定连接在机架上，不参与做功。考虑到定刀与动刀配合冲击、剪切秸秆混料的次数和刀具间隔，定刀数量由内向外层依次为6，12，12个。
3.2.5粉碎机构组成及工作原理
图6为粉碎机构的结构示意图。秸秆物料由入料口进入粉碎机构，受到动、定刀具的冲击和剪切作用，以及动、定刀盘上凸齿的摩擦作用；
动、定刀间隙沿径向由内向外逐层减小，秸秆混料在经过四层动刀、三层定刀与凸齿的多次复合粉碎作用后，被离心力抛出粉碎区域，经管道输送至分离机构进行分级。相较于原型系统，本文设计的粉碎机构采用了动、定剪切刀具和刀盘凸齿相配合进行剪切、冲击、摩擦的复合粉碎方式，使物料受到多重粉碎作用；
刀具对称交错排布，避免了物料未充分粉碎而被甩出粉碎区；
动、定刀间隙由内向外逐层减小，以满足粉碎粒度的要求。
图6 粉碎机构示意图Fig.6 Schematic diagram of the crushing mechanism
3.3 喂入机构设计
喂入机构的作用是将秸秆粗料输送至粉碎机构。在原型系统中，喂料漏斗中的物料靠自重落入粉碎室内。由于秸秆密度小，质量轻，易在入料口与粉碎室交汇处堵塞，造成入料不均匀，影响粉碎质量和效率。针对上述问题，应用TRIZ工具中的IFR和SLP法对喂入机构进行设计。
3.3.1应用TRIZ的IFR求解
IFR的解题流程如下：
①设计的最终目标是什么？将秸秆混料送入粉碎室内；
②最终理想解是什么？秸秆混料自己移动至粉碎室内；
③达到理想解的障碍是什么？秸秆自身不具备运动能力；
④出现这种障碍的原因是什么？输送通道水平放置；
⑤不出现这种障碍的原因是什么？秸秆混料借助外力输送至粉碎室内；
⑥创造这些条件，有哪些可利用的资源？物质资源：秸秆混料、输送通道、料槽、转轴、电机等；
能量资源：机械场、重力场、气动场等；
空间资源：输送机构体积、料槽长度等。
根据物质资源中的料槽和能量资源中的重力场，提出概念方案6：设置漏斗状落料槽，物料靠自重落入粉碎室内，漏斗下方设置卸料阀来控制物料的流量。
根据物质资源中的转轴，提出概念方案7：转轴上设计螺旋叶片，通过减速电机控制转轴转速，利用螺旋叶片将物料均匀输送至粉碎室内。
3.3.2应用TRIZ的SLP求解
当系统内某些组件不能完成其必要功能，并表现出相互矛盾的情况时，可以用一组小人来代表问题模型，通过能动的小人，实现预期的功能，然后根据小人模型对结构进行重新设计，即为聪明小人法SLP[11]。
（1）建立问题模型
用不同形状的小人表示各系统组件，构建如图7所示的问题模型。
图7 问题模型Fig.7 Problem model
存在的问题描述：物料小人在输送小人的管控下向粉碎小人跑去，物料小人达到粉碎小人处时集体向下掉落。原因1：物料小人自身不能向上移动；
原因2：粉碎小人不能命令物料小人向上运动。
（2）建立目标模型
目标模型1：增加输送小人，管控物料小人向上运动。
目标模型2：粉碎小人提高战斗力，强行把物料小人赶上去。
（3）建立方案模型
根据目标模型2，提出如图8所示的方案模型：增加更强壮的粉碎小人，阻止物料小人聚集和向下移动。
图8 方案模型图Fig.8 Conceptual plan model diagram
根据方案模型，提出概念方案8：在入料口与动刀盘中心处设置散料机构（图9），使刚进入粉碎机构的物料受到切削作用并被打散分布至粉碎区域，避免堵塞入料口。
图9 散料机构结构示意图Fig.9 Schematic diagram of dispersed material mechanism
3.3.3喂入机构组成及工作原理
图10为喂入机构示意图。相较于原型系统，本文设计的喂入机构增设了散料机构，秸秆原料通过喂料漏斗上方卸下，落至入料口处，由散料机构对物料进行初步切削粉碎，并冲击打散物料，使得入料分布均匀，避免堵塞。
图10 喂入机构示意图Fig.10 Schematic diagram of feeding mechanism
3.4 排料机构设计
原型系统粉碎后的粉体直接由壳体下方的出料口排出，不同粒度的物料混合在一起，无法实现准确的分级收集。本文设计的排料机构由分离机构和收集机构组成，先由分离机构将达标的秸秆微粉料与不合格的秸秆混料分开，再由收集机构收集粒度达标的秸秆微粉料。
3.4.1应用TRIZ的功能导向搜索求解
功能导向搜索的主要思想是以技术系统实现的功能为目标，借鉴其它领域功能类似系统的解决方案来解决问题[11]。功能导向搜索的解题流程如下。
①定义关键问题：筛分出秸秆粉料中合格的微粉料、使微粉料与气流分离，但目前没有合适的工具实现该功能。
②阐述改善功能：提高秸秆微粉料分离、收集效率。
③确定所需参数：微粉料生产量为1000kg/h，对于180目及以上秸秆微粉料的收集率不低于95%。
④功能规范化定义：筛分秸秆混料，收集秸秆微粉料。
⑤寻找领先领域：在工业气体净化领域中，净化气体时需执行该功能，将微小颗粒从气流或液体中分离、收集是该领域的一个核心问题。
⑥从领先领域选择技术：工业气体净化领域分离微小颗粒的方法有很多，如布袋除尘、过滤器、静电除尘等，其中有一种粉尘分离器，利用风扇产生螺旋气流，在离心力与重力作用下实现分离。
通过功能导向搜索，提出概念方案9：采用旋风分离结构，通过叶片带动物料流旋转，粒度较大的物料受到较大的离心力和重力，被甩向筒壁并向下运动，粒度较小的物料受到的负压力大于重力，被分离吸走；
改变风机转速控制风力，可调节所需的成品粒度。
概念方案10：通过滤筒收集气流中的秸秆微粉料，利用压缩空气冲击微粉料，使其从出料口落下。
3.4.2分离机构组成及工作原理
图11为分离机构的结构示意图。
图11 分离机构示意图Fig.11 Schematic diagram of the grading mechanism
如图11所示，秸秆混料通过进料口进入圆柱筒体，粒度大的物料会受到较大的离心力和重力，从而被甩向筒壁并向下运动，流向底部粗料出口；
粒度小的物料受到的气流负压力大于重力，会从细料出口排出。因此，调节风机转速可控制分离物料的粉碎粒度。
3.4.3收集机构组成及工作原理
图12为收集机构的结构示意图。秸秆微粉料随气流从进气入口流入收集机构内，电机带动叶轮转动，使气体向上流动，气体流动过程中微粉料附着在滤筒上与气流分开。经过一定时间间隔，开启脉冲阀，利用气包中的压缩空气将微粉料冲击落下，从出料口排出。
图12 收集机构示意图Fig.12 Schematic diagram of collection mechanism
综合上述概念解，本文创新设计了一种如图13所示的冲击剪切式秸秆微粉机。
图13 秸秆微粉机的结构示意图Fig.13 Schematic diagram of straw micro-pulverizer
入料粒度小于20mm的秸秆原料通过喂料漏斗落至入料口处，受到散料机构的初步剪切与冲击，秸秆混料被打散分布在粉碎区域，继而受到动、定刀具的冲击、剪切作用，快速运动的秸秆混料撞击到动、定刀盘的凸齿被摩擦粉碎；
秸秆混料经多层动、定刀与凸齿的作用后，被离心力甩出粉碎区域。风机产生的气流带动秸秆粉料流入分离机构，电机带动叶片转动在筒体内形成螺旋气流，不合格的粉料受到较大的重力和离心力，沿筒壁向下运动并从下端粗料口流出，后续再重新粉碎；
在气流负压力作用下，细小的粉料从上端细料口流出，经管道输送至收集机构；
收集机构内叶轮转动，带动微粉料与气体流动，流动过程中微粉料附着在滤筒上与气流分开，气包中的压缩空气冲击滤筒，使微粉料从下端的出料口落下。
本文应用TRIZ辅助秸秆微粉机的概念设计，提出了一种多层动、定刀冲击、剪切、摩擦的复合粉碎方式；
粉碎机构含有动刀盘和定刀盘配合形成的粉碎室，动、定刀间隙由内向外逐层减小，相邻层刀具交错排布以增强粉碎作用，通过功耗计算验证了刀具数目确定的合理性；
入料口处设计了散料机构，可对物料进行初步粉碎和打散，以避免堵塞；
分离机构采用旋风分离方式，可通过调节风机转速控制所需成品粒度。