楊淑華，張秀花，弋景剛，李珊珊，袁永偉，李昕

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定071001）

基于TRIZ理論的對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊淑華，張秀花*，弋景剛，李珊珊，袁永偉，李昕

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定071001）

TRIZ理論是一種解決創(chuàng)新問(wèn)題的理論，它利用發(fā)明原理解決設(shè)計(jì)中技術(shù)沖突問(wèn)題。采用TRIZ理論中的技術(shù)沖突解決方法設(shè)計(jì)一種帶有分散定向裝置的新型對(duì)蝦分級(jí)機(jī)，該分級(jí)機(jī)解決了原有對(duì)蝦分級(jí)機(jī)占地面積大，使用場(chǎng)地受限制的問(wèn)題。改進(jìn)后對(duì)蝦分級(jí)機(jī)占地減小1/3左右。經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，分級(jí)精度較原有機(jī)型略有提高，破損率有所降低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于原有機(jī)型的改進(jìn)實(shí)施，具有一定的推廣意義。

對(duì)蝦分級(jí)；TRIZ理論；技術(shù)沖突；分散定向裝置

Abstract：TRIZ theory is a way to solve the problem of innovation，it is used to solve the conflict problem of technology in the design by innovation.The article which adopts contradictions in the technical theory of TRIZ designs a new shrimp roll grading machine with the dispersive and directional device.This machine solves the problem of the original shrimp grading machine，which covers a large area and is used to a restricted field.The improved shrimp grading machine cuts down area of about 1/3 than the original.Through contrast test，classification accuracy is slightly increased and damage rate is slightly reduced than the original machine.The structure is simple and improved easily on the original machine，it has a certain promoting significance.

Key words：shrimp grading；theory of inventive problem solving （TRIZ）；technical conflict；dispersive and directional device

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活質(zhì)量提高，肉質(zhì)細(xì)膩、味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富的對(duì)蝦成為深受人們喜愛(ài)的低脂高蛋白食品。為滿足消費(fèi)者日趨增長(zhǎng)的消費(fèi)需求，對(duì)蝦養(yǎng)殖面積正在逐年增大，對(duì)蝦產(chǎn)量逐年增加。2011年我國(guó)的對(duì)蝦產(chǎn)量達(dá)到了156萬(wàn)噸。2012年，我國(guó)對(duì)蝦產(chǎn)量158萬(wàn)噸。2014年，中國(guó)對(duì)蝦產(chǎn)量153萬(wàn)噸，較2013年增加20萬(wàn)噸。2015年，我國(guó)對(duì)蝦產(chǎn)量比2014年略有增加[1-2]。對(duì)蝦貿(mào)易在水產(chǎn)貿(mào)易中高居首位[1-2]。對(duì)蝦分級(jí)可提高對(duì)蝦產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)化、包裝規(guī)格化程度，增加對(duì)蝦產(chǎn)品的附加值且可為對(duì)蝦的去頭、開(kāi)背、剝殼等后續(xù)工藝提供必要準(zhǔn)備工作。

國(guó)外關(guān)于對(duì)蝦等水產(chǎn)品分級(jí)的研究已達(dá)到較高的水平，在制定標(biāo)準(zhǔn)、研制設(shè)備方面在一定程度上領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。國(guó)內(nèi)關(guān)于相應(yīng)的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)械研究起步較晚，市場(chǎng)上出售的設(shè)備多依靠成套引進(jìn)研究，通過(guò)大量的引進(jìn)學(xué)習(xí)也有了迅速的發(fā)展。對(duì)蝦分級(jí)機(jī)根據(jù)其分級(jí)機(jī)理的不同，主要有質(zhì)量式分級(jí)機(jī)、外形尺寸式分級(jí)機(jī)、光電式分級(jí)機(jī)等[3-13]。目前，國(guó)內(nèi)使用的尺寸分級(jí)機(jī)多為輥帶式分級(jí)機(jī)或雙輥式分級(jí)機(jī)[10，13-14]，統(tǒng)稱為輥式分級(jí)機(jī)，這種分級(jí)機(jī)根據(jù)其分級(jí)輥不同又可分為變直徑與等直徑兩種形式[10，13-14]。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家海洋公益項(xiàng)目組李影欣等[14]對(duì)對(duì)蝦的生物特性進(jìn)行了研究，提出對(duì)蝦體厚和質(zhì)量?jī)晌锢韰?shù)之間呈一定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，確定了對(duì)蝦分級(jí)輥、分級(jí)床等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，研制了以對(duì)蝦體厚為分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)蝦分級(jí)的對(duì)輥式分級(jí)機(jī)。

現(xiàn)有對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)一般由兩級(jí)輸送帶和一組分級(jí)輥組成，存在體積較為龐大、對(duì)蝦堆積、蝦須纏繞等問(wèn)題，影響分級(jí)效率和分級(jí)精度。本文采用創(chuàng)新研究方法TRIZ理論對(duì)現(xiàn)有對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)使用過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行了分析，尋找有效方法，并設(shè)計(jì)一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、分級(jí)精度高、分級(jí)效率高的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)。

1 TRIZ主要理論及設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

TRIZ是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇阿奇舒勒（G.S.Altshuller），在研究和整理世界各國(guó)著名發(fā)明專利過(guò)程中，提出的一種發(fā)明問(wèn)題解決理論[15-18]。TRIZ是一種創(chuàng)新體系，其主要研究的對(duì)象是分析并解決發(fā)明中的技術(shù)沖突和物理沖突。其中技術(shù)沖突是指在發(fā)明創(chuàng)新中某兩個(gè)相互制約的參數(shù)存在矛盾，當(dāng)一個(gè)參數(shù)得到改善時(shí)，另一個(gè)參數(shù)就隨之惡化。為了方便的解決創(chuàng)新中遇到的技術(shù)沖突，TRIZ提供了40條發(fā)明原理以及39個(gè)技術(shù)參數(shù)構(gòu)成的沖突矩陣表，通過(guò)查閱相應(yīng)的參數(shù)及原理，可以直面發(fā)明創(chuàng)新中的問(wèn)題，快速的尋找解決方案。解決物理沖突，可采用分離原理尋找解決方案。解決技術(shù)沖突，運(yùn)用沖突矩陣表分析并解決設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)矛盾和物理矛盾，能夠加快設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新過(guò)程，明確創(chuàng)新目標(biāo)，得到高質(zhì)量的設(shè)計(jì)作品。本文主要采用分析技術(shù)沖突的方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

2 對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)工作原理

對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)[19]由儲(chǔ)料池1、一級(jí)輸送裝置2、皮帶刮板3、送料池4、二級(jí)輸送裝置5、導(dǎo)料板6、分級(jí)裝置7、分級(jí)后對(duì)蝦輸送裝置8及機(jī)架9等部分組成見(jiàn)圖1。

圖1 對(duì)蝦分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of shrimp grading machine

分級(jí)時(shí)在儲(chǔ)料池中加入清水和碎冰塊，保持水溫低于3℃，分級(jí)過(guò)程中調(diào)整進(jìn)水和出水的流量，保證冰水混合物的總量和濁度；一級(jí)輸送裝置2、3由輸送帶、輸送輥及電機(jī)組成，分別兩個(gè)電機(jī)直接為主傳送輸送輪提供動(dòng)力，帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)，通過(guò)二級(jí)輸送帶將對(duì)蝦均勻輸送至分級(jí)床上方，在輸送帶表面布置一定高度的擋板可防止大傾角傳送造成的對(duì)蝦在輸送帶表面滑落；二級(jí)輸送帶的運(yùn)動(dòng)速度大于一級(jí)輸送帶，將落入送料池4中的對(duì)蝦迅速帶走一部分，防止對(duì)蝦堆疊和蝦須纏繞。皮帶刮板3將粘連在輸送帶邊緣的對(duì)蝦強(qiáng)制落下。分級(jí)裝置5主要包括五對(duì)分級(jí)輥及間隙調(diào)節(jié)裝置、傾角調(diào)節(jié)裝置，傳動(dòng)裝置及電機(jī)等組成。分級(jí)輥分為固定輥和活動(dòng)輥兩種，兩種輥交替布置，通過(guò)鏈輪、鏈條的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)反向?qū)D(zhuǎn)，分級(jí)輥呈階梯狀，直徑由上到下依次變小，對(duì)蝦沿導(dǎo)向板6落入分級(jí)床7的分級(jí)輥上，在重力和反向轉(zhuǎn)動(dòng)的輥軸推力作用下沿傾斜的分級(jí)輥下滑，下滑到合適間隙處落至相應(yīng)級(jí)別的分級(jí)輸送帶上，完成分級(jí)。分級(jí)后對(duì)蝦輸送裝置8由五條輸送帶、傳動(dòng)裝置及電機(jī)等組成，五條輸送帶為篩網(wǎng)帶，可淋去分級(jí)后的對(duì)蝦大量水分，將對(duì)蝦按規(guī)格輸送至所需位置，等待后續(xù)處理。

3 基于TRIZ的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 占地面積與生產(chǎn)率的技術(shù)沖突分析

對(duì)蝦分級(jí)機(jī)需在二級(jí)輸送帶兩者輸送速度配合下，才可克服對(duì)蝦堆積問(wèn)題，將對(duì)蝦均勻輸送到分級(jí)裝置，導(dǎo)致分級(jí)機(jī)占地面積大，使用中受到場(chǎng)地面積的限制。但如果減少為一級(jí)輸送，不能保證對(duì)蝦均勻輸送，會(huì)導(dǎo)致對(duì)蝦在輸送帶和分級(jí)輥上的堆積問(wèn)題，堆積還會(huì)帶來(lái)蝦須纏繞問(wèn)題，使分級(jí)精度和生產(chǎn)效率不能達(dá)到用戶要求，影響分級(jí)機(jī)的生產(chǎn)性能，如圖2。

圖2 TRIZ解決沖突流程Fig.2 Flow chart of TRIZ conflict resolution

占地面積大和保障分級(jí)機(jī)分級(jí)精度和生產(chǎn)率問(wèn)題之間出現(xiàn)了技術(shù)沖突，在這對(duì)技術(shù)沖突中，占地面積為需要改善的技術(shù)特性參數(shù)，生產(chǎn)率為惡化的技術(shù)特性參數(shù)。根據(jù)沖突矩陣表[15]可查到的發(fā)明原理分別是：

（7）嵌套原則——一個(gè)物體通過(guò)另一個(gè)物體的空腔。

（10）預(yù)先作用原則——預(yù)置必要的動(dòng)作、功能；把物體預(yù)先放置在一個(gè)合適的位置以讓其能及時(shí)地發(fā)揮作用而不浪費(fèi)時(shí)間。

（17）向另一維度過(guò)渡的原則——利用多層結(jié)構(gòu)替代單層結(jié)構(gòu)。

（35）改變參數(shù)原則——改變物體的物理狀態(tài)、濃度、黏度、柔性；改變物體的溫度或體積等參數(shù)。

根據(jù)發(fā)明原理，減小對(duì)蝦輸送裝置為一級(jí)輸送，可減小整機(jī)占地面積1/3左右，采用發(fā)明原理（10），在輸送裝置和分級(jí)裝置之間預(yù)置一個(gè)具有分散和定向功能的裝置，使它在對(duì)蝦落下時(shí)及時(shí)使對(duì)蝦產(chǎn)生分流，對(duì)蝦經(jīng)由3條路線分別進(jìn)入分級(jí)輥如圖3。

圖3 對(duì)蝦落下路線Fig.3 Shrimp down line

避免對(duì)蝦的堆積和蝦須的相互纏繞。第1條路線：對(duì)蝦由輸送帶頂端落入大分散定向輪，在大輪的拋送下，落點(diǎn)距輸送帶最遠(yuǎn)；第2條路線：對(duì)蝦由輸送帶頂端落入小分散定向輪，在小輪的拋送下，落點(diǎn)距輸送帶居中；第3條路線：對(duì)蝦由輸送帶頂端落入導(dǎo)向板，靠自重從導(dǎo)向板滑落，落點(diǎn)距輸送帶最近。同時(shí)采用發(fā)明原理（35），增加傳動(dòng)裝置的傾斜角度，讓少部分對(duì)蝦自然滑落回出料池，減少對(duì)蝦堆積的幾率。

3.2 對(duì)蝦分散與定向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分散與定向裝置（如圖4）由電機(jī)1、6個(gè)大輪2、12個(gè)小輪3、V型定向板4、傳動(dòng)軸5、支撐架6等組成。支撐架與分級(jí)裝置通過(guò)螺釘固定聯(lián)接在一起。

圖4 分散與定向裝置Fig.4 Structure of dispersive and directional device

工作時(shí)，由電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸5帶動(dòng)6個(gè)大輪和12個(gè)小輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，利用大輪和小輪的直徑差異，當(dāng)對(duì)蝦通過(guò)分散輪時(shí)，與輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在輪的帶動(dòng)下具有不同的線速度，落入V型定向槽的位置不同，從而達(dá)到了分散對(duì)蝦與定向的目的。

3.3 改進(jìn)后的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的新型對(duì)蝦分級(jí)機(jī)（如圖5），由機(jī)架1、儲(chǔ)樣池2、輸送裝置3、分散定向裝置4、導(dǎo)料板5、分級(jí)裝置6、分級(jí)后對(duì)蝦輸送裝置7等部分組成。

圖5 新型對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.5 A new roller diagram of shrimp grading machine

當(dāng)輸送帶將對(duì)蝦輸送至分級(jí)床上方時(shí)，由分散定向裝置4對(duì)對(duì)蝦進(jìn)行分級(jí)，分散后的對(duì)蝦再進(jìn)入分級(jí)輥實(shí)現(xiàn)分級(jí)。調(diào)整輸送裝置與分級(jí)裝置之間的傾斜角度，已獲得較高的分級(jí)精度。

制成的分散定向裝置裝在原有樣機(jī)上如圖6所示，為了防止對(duì)蝦在分散定向輪上拋送過(guò)遠(yuǎn)，增加設(shè)計(jì)了擋蝦板4。

圖6 分散定向裝置實(shí)物圖Fig.6 Object graph of dispersive and directional device

4 對(duì)蝦分級(jí)效果對(duì)比試驗(yàn)分析

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證改進(jìn)后的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)效果。改進(jìn)前、改進(jìn)后的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)在近乎相同試驗(yàn)條件（即原有樣機(jī)二級(jí)輸送裝置轉(zhuǎn)速65 r/min，改進(jìn)后樣機(jī)分散定向輪轉(zhuǎn)速為65 r/min；一級(jí)輸送裝置速度62 r/min；分級(jí)輥轉(zhuǎn)速70 r/min、傾角22°）下進(jìn)行試驗(yàn)。分別進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)，考察分級(jí)精度和對(duì)蝦的損傷率兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)比試驗(yàn)效果。其中：

試驗(yàn)材料為在水產(chǎn)市場(chǎng)上購(gòu)買的南美白對(duì)蝦，每組試驗(yàn)取對(duì)蝦個(gè)數(shù)為200只，每臺(tái)各做10組試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制成柱狀圖，見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Contrast of test results

從圖7可得：改進(jìn)前后對(duì)蝦分級(jí)機(jī)分級(jí)精度均≥90%，損傷率均≤5%。改進(jìn)后的對(duì)蝦分級(jí)機(jī)分級(jí)精度比改進(jìn)前略有增加，損傷率略有下降。由此可知，此改進(jìn)方案可行。

5 結(jié)論

以TRIZ創(chuàng)新理念為指導(dǎo)，能夠縮短創(chuàng)新發(fā)明的周期，為設(shè)計(jì)者快速指明在設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題的解決方向。本文運(yùn)用TRIZ的技術(shù)沖突理論設(shè)計(jì)了一種新型的對(duì)輥式對(duì)蝦分級(jí)機(jī)，解決了原有對(duì)蝦分級(jí)機(jī)占地面積大，對(duì)蝦堆積等問(wèn)題，設(shè)計(jì)的分散定向裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、制造成本低、在原有機(jī)型上改進(jìn)方便，可實(shí)施性好，具有較高的推廣價(jià)值，對(duì)解決類似的技術(shù)沖突提供了可借鑒的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新理念。

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Improved Design of Shrimp Roll Grading Machine Based on TRIZ

YANG Shu-hua，ZHANG Xiu-hua*，YI Jing-gang，LI Shan-shan，YUAN Yong-wei，LI Xin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China）

2017-01-05

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.048

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201205031）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2016111）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金（LG20150101；201501）；保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃（16ZN004）

楊淑華（1975—），女（漢），講師，碩士研究生，主要從事智能化農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)研究。

*通信作者：張秀花（1972—），女（漢），副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與理論、農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備的研究。