TRIZ进化理论在粉碎机创新安全设计中的应用

2 技术系统进化法则在粉碎机创新安全设计中的应用

    2.1 问题描述

    随着能源需求压力加大和林木质能源显著优势的逐渐突出，国内外加快了对林木再生能源研发的步伐。而大部分林木生物质原料在开发利用前期都需要进行粉碎加工处理，以便进一步加工利用。迄今市场上还没有专为林木生物质能源产业化设计制造的粉碎机，多用秸秆还田粉碎机、林业碎木机械以及饲料产业的牧草秸秆粉碎揉搓设备等替代，其中锤片式粉碎机应用最为广泛。

    锤片式粉碎机结构如图3所示。工作时，将物料由进料口送人粉碎室，首先被锤片打击，得到一定程度的粉碎，同时以较高的速度甩向固定在粉碎室内部的齿板和筛网上，受到齿板的碰撞和筛网的搓擦而进一步粉碎。在粉碎室中如此重复进行，直至粉碎到可通过筛孔为止。   

图3 锤片式粉碎机

    粉碎机在工作过程中转子转速很高且有多把刀具同时高速切削物料，极易发生安全事故。因此，在产品设计时必须充分考虑安全性。鉴于安全系统具有非线性、混沌、分形、模糊性等复杂特性，而安全科学具有高度综合、跨学科和横断、交叉以及复杂的系统性，因此，笔者尝试应用TRIZ进化理论进行创新安全设计。

    2.2 S-曲线分析

    所设计的林木生物质粉碎机是一种为满足新需求出现的新产品，现有技术系统有许多设计问题和难题，可靠性差、效率低，缺乏人力、物力、财力的投入，发展缓慢。按照S-曲线各个阶段的特征，现有产品处于初始期。

    建议加大研发力度，设法提高系统的有用功能，降低成本和有害功能。

    2.3 技术系统进化预测

    应用完备性法则、能量传递法则、协调性法则、提高理想度法则和动态性进化法则分析当前技术系统特征，确定系统所处的位置；预测下一代产品可能的结构状态或应用的原理，产生创新设计方案。

    2.3.1 应用完备性法则

    系统的动力装置是电动机，传输装置足主轴传动系统，执行装置是粉碎刀具，缺少控制其他组件协调动作以实现系统功能的控制装置。应用完备性法则进行进化预测和产品构思，可以增加系统的控制装置，向人工更少介入的方向发展。

    构思方案：应用变速电动机，根据产量和粉碎粒度的不同要求选择不同的主轴转速。

    2.3.2 应用能量传递法则

    系统的进化是沿着缩短能量传递路径，减少能量损失，提高能量传递效率的方向发展。

    减少能量损失的途径有：①缩短能量传递路径，减少传递过程中的能量损失；②最好用一种能量或场贯穿系统的整个工作过程，减少能量形式的转换导致的能量损失；③如果系统组件可以更换，可将不易控制的场更换为更易控制的场，按照机械场-声场-热场-化学场-电场-磁场／电磁场的顺序，场的可控性增加，能量传递效率提高。

    目前粉碎设备用的是机械场，有效能量的利用率大约仅占0.3%-0.6%。这是由于在物料粉碎过程中，会产生发热、振动和摩擦等作用，约有95%-99%的能量转化为热而逸散，使能源大量消耗。

    构思方案：可采用热场，利用爆炸、压力方式粉碎物料，提高能量传递效率。