基于TRIZ理论研发的一种葛根类中药材去皮设备.pdf

TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年9月上 117基于TRIZ理论研发的一种葛根类中药材去皮设备*张世杰 罗斯宇 王雯 张宇 张永慧(通讯作者)三峡库区道地药材开发利用重庆市重点实验室（重庆三峡医药高等专科学校）重庆 404120摘 要 目前，市场上存在的葛根类中药材去皮机普遍存在去皮不干净的问题，严重影响了葛根类药材的开发利用。本文通过调研分析，收集用户在使用过程中存在的功能缺陷与问题，利用TRIZ理论的功能分析、因果链分析等分析工具找出关键缺点与矛盾关系，并利用TRIZ理论中的技术矛盾、物理矛盾、物场分析等方法解决“毛辊刷需要硬或软”的矛盾缺点，从中得到最终理想方案。本文基于TRIZ理论，研发出一种葛根类中药材去皮设备，对于葛根类药材高效率使用具有重要的意义。关键词 TRIZ理论；葛根；去皮；机器A Peeling Equipment for Kudzuvine Root Chinese Medicinal Materials Developed Based on TRIZ TheoryZhang Shi-jie,Luo Si-yu,Wang Wen,Zhang Yu,Zhang Yong-hui(corresponding author)Chongqing Key Laboratory of Authentic Medicinal Materials in Three Gorges Reservoir Area(Chongqing Three Gorges Medical College)Chongqing 404120,ChinaAbstract At present,the existing peeling machines of kudzuvine root Chinese medicinal materials in the market generally have the problem of unclean peeling,which seriously affects the development and utilization of kudzuvine root medicinal materials.Through investigation and analysis,this paper collects the functional defects and problems during the use of users,uses the TRIZ theory functional analysis,causal chain analysis and other analytical tools to find out the key shortcomings and contradictions,and uses the TRIZ theory technical contradiction,physical contradiction,and field analysis to solve the contradiction and shortcomings of“the roller brush needs to be hard or soft”,and accordingly obtains the final ideal solution.Based on TRIZ theory,this paper developed a peeling equipment for kudzuvine root Chinese medicinal materials,which is of great significance for the efficient use of kudzuvine root medicinal materials.Key words TRIZ theory;kudzuvine root;peeling;machine引言当前，中医药发展战略规划纲要（2016-2030年）、“健康中国2030”规划纲要等一系列政策文件发布实施以来，加快推进了我国从“制药大国”到“制药强国”的跨越，使中医药正昂首阔步迈向世界，让世界看到中医药的魄力1-2。葛根作为我国卫生部批准的药食兼备植物之一，素有亚洲人参之称，其富含丰富的膳食纤维、氨基酸以及微量元素，具有清热解毒、减肥、消除体内毒素等效果3。目前，市场上针对葛根类药材去皮的设备存在去皮不干净、摩擦力低等问题。因此，本文描述利用TRIZ创新方法理论来解决实际问题，并把实际问题转化为关键缺点，用TRIZ工具中的技术矛盾、物理矛盾、物场分析提出实际解决方案4，得到关于改进葛根类中药材去皮设备的综合方法。1 TRIZ理论体系1.1 TRIZ理论介绍TRIZ理论是苏联发明家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）于1946创立，TRIZ是基于知识，通过系统化的方法来解决人类发明问题中遇到的难题5-6。TRIZ理论体系包括发现问题、分析问题、解决问题，且该理论体系基本趋于成熟7。TRIZ理论在解题模式与思路上，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，通过技术发展的演变规律，即TRIZ分析工具、解决工具，得到一系列有*基金项目 1.重庆市教育科学“十四五”规划项目，项目名称：基于TRIZ理论的高职医学类大学生“工匠精神”培育创新研究，项目编号：2021-GX-453；2.重庆市教委科学技术研究项目，项目名称：野马追内酯A抗肝癌作用及机制研究，项目编号：KJZD-K201902701。科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1172023/9/8 17:34:02 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化118 科学与信息化2023年9月上创新性的解决方案8-9。因此，TRIZ理论能从不同角度为工程师、设计师等开发者提供具有创新性的指导方向10。1.2 基于TRIZ的产品工艺改进流程TRIZ理论中的工艺改进具体流程包括：初始缺点、功能分析、转化为TRIZ问题模型、运用TRIZ工具解决问题模型、方案整理与评价，输出研究结果11。2 中药材去皮机存在问题分析通过文献查阅、专利检索、走访调查等方法对当前市场上中药材去皮机去皮的过程进行细致调研，选择当前普及率较高的“毛辊型去皮机”作为初始研究系统，其工作原理是基于家用电压输出供给机械电控装置，进而由动力系统带动毛辊刷对葛根皮去皮，技术本质是“采用离心旋转、摩擦脱皮技术”12-13，但是由于机械内部离心旋转力低以及摩擦强度低导致葛根药材去皮不干净，本文将此问题作为初始问题进行基于TRIZ理论的中药材去皮机改造。3 系统分析3.1 系统及组件功能分析在毛辊型去皮机中，从系统功能分析入手，理清机器内部各个功能组成，并区分出主要功能与辅助功能，找出初步问题发生所在的功能部位，运用组件分析，归纳整理出工程系统、组件（泛指系统或者超系统中组成的一个物体）、超系统组件等，明确组件与系统之间的关系。在毛辊型去皮机中，本文只针对去皮效率低等问题，通过功能分析，组件划分为（控制系统、驱动系统、喷淋系统、机架、毛辊刷、毛辊轴），超系统组件分为（葛根皮、葛根、水），见表1。表1 功能分析-组件分析工程系统主要功能组件超系统组件毛辊型去皮机去皮控制系统、驱动系统、喷淋系统、机架、毛辊刷、毛辊轴葛根皮、葛根、水通过功能分析，建立功能模型，找出有问题的功能，确定为功能缺点，如图1所示。图1 毛辊型去皮机功能建模图通过组件分析、功能建模得到功能缺点为毛辊刷去除葛根皮基本功能不足、水冲走葛根皮基本功能不足、葛根皮黏附在毛辊刷表面、葛根皮黏附在葛根上、葛根皮黏附在机架上，上述的缺点是从工程系统中，功能的角度来分析问题的，并为下一步问题分析打下基础。3.2 因果链分析因果链分析可以帮助我们更全面识别工程系统中的缺点，可以挖掘系统中更隐藏于初始缺点与功能缺点背后的问题。根据对上述组件的分析，通过构建因果链分析法得出毛刷质地柔软去皮能力不足、喷淋水压冲刷能力不足、毛辊轴旋转离心力不足、机器箱状式储存结构不合理、毛辊轴转动皮带太均匀等关键缺点，在系统中存在多个关键缺点问题的因素下，提高毛辊刷去皮效率是本项目最有效的解决路径，而在解决毛辊刷去皮效率的方法中，提高毛辊刷的去皮强度和增大摩擦力是有效解，因果链分析见图2。科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1182023/9/8 17:34:02 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年9月上 119图2 因果链分析法模型4 运用TRIZ工具解决问题4.1 解决实质关键问题通过把毛辊型去皮机在功能分析中所找到的问题进行汇总分析，得出目前要实现去皮效率更高的困难是如何使毛辊刷变硬，但又不损伤葛根药材是目前工艺改进的主要障碍。在针对工艺改进方面，TRIZ理论阐述了物场分析、技术冲突、物理冲突、ARIZ算法、40个发明原理和阿奇舒勒矛盾矩阵、理想解等创新工具，本文将选择上述适当的工具对问题进行解决14。4.2 使用技术矛盾工具解决问题根据技术矛盾理论分析出“如何使毛辊刷变硬、又不造成葛根药材内部损伤”，出现了矛盾冲突，见表2。表2 技术矛盾冲突技术矛盾1技术矛盾2如果毛辊刷硬毛辊刷软那么去皮更彻底葛根不易损伤但是葛根易损伤去皮不彻底在本工程系统中，目标是既要去皮的干净，又不损伤葛根，因此采用技术矛盾1，进一步确定技术矛盾中改善参数与恶化参数，并一般化为通用工程参数表，见表3。表3 参数转化具体参数通用工程参数改善参数去皮更彻底No.10力恶化参数葛根易损伤No.23物质损伤在阿奇舒勒矛盾矩阵表中定位改善参数与恶化参数交叉单元，确定所选40个发明原理，见表4。表4 发明原理恶化参数改善参数No.23物质损伤No.10 力3.局部质量 6.多用性 20.有效作用连续性 22.变害为利应用发明原理的理论描述，得出相应的解决思路，如3.局部质量，采用较轻的直平式齿状刀、采用带有斜切角的竖切状刀片，20.有效作用的连续性，采用固定环切式竖型链条刀片，6.多用性.采用环形可调式去皮刀，内附多个小刀可旋转、将清洗、去皮两个功能嵌套在同一组件中，使一个组价有多个功能。4.3 使用物理矛盾工具解决问题使用物理矛盾工具解决“如何使毛辊刷变硬、又不造成葛根药材内部损伤”的问题，在既需要毛辊刷硬一点以便去除葛根皮更干净，同时又需要毛辊刷软一点，可以保护药材不被损伤及断开这一矛盾中，把这一物理矛盾归纳到毛辊刷强度这个科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1192023/9/8 17:34:03 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化120 科学与信息化2023年9月上单一参数上出现的硬和软两个对立面。针对这一问题可以采用物理矛盾中的“基于空间分离原理”，运用空间分离原理中的分割原理，采用矩形齿状刀，在齿状刀内部分割成7个呈阶梯状的刮皮齿，每一个刮皮齿设计为直角。4.4 使用物场分析工具解决问题首先确定待解决的关键问题为毛辊刷对于葛根皮作用力不足，构建此问题的物场模型：机械场（F1）、葛根皮（S1）、毛辊刷（S2），其物场原理为，机械场（F1）带动毛辊刷（S2）作用于葛根皮（S1）表面，达到去皮的目的，但通过分析发现，毛辊刷（S2）对葛根皮（S1）去皮功能不足，见图4。于是采用第二类标准解，完善物场模型，通过增加机械场（F2）以及增加多方向、多角度的高压喷水（S3）装置，让水分子覆盖机器整个内部，使水分子与葛根皮充分贴合，见图5。图3 S2-S3作用不足的物场模型图4 F2-S4解决方案的物场模型经过短期的试验，发现解决方案中存在作用力不足的物场模型，关键问题为高压喷水对葛根皮作用力不足，构建此问题的物场模型：机械场（F2）、葛根皮（S1）、高压喷水（S3），其物场原理为，机械场（F2）带动高压喷水（S3）作用于葛根皮（S1）表面，达到快速脱皮与软化目的，但通过分析发现，高压喷水（S3）对葛根皮（S1）作用力不足，见图6，于是采用第二类第二子类标准解，增加物场模型，加入一个场与物质，既压力场（F3）以及多方向、多角度的高压喷气头（S4），通过压强，在机器内部形成压力冲击，使葛根皮不易黏附葛根，提高葛根去皮效率。图5S4-S3作用不足的物场模型图6F3-S5解决方案的物场模型5 技术方案整理5.1 关键技术方案整理及评价方案一：通过功能分析得出，在圆筒式结构中，采用网状滚筒代替，可以使药材在滚筒接触的面积增大，达到着力点不均匀的理想效果，其优点是提高药材与滚筒的接触面积。方案二：通过科学效应库机械共振原理得出，在毛辊轴上安置机械共振器。加快药材皮与毛辊刷的脱离，其优点是提高了药材皮快速脱离机架，避免嵌塞。方案三：通过技术矛盾得出，采用环切式齿状刀片、刀具高度设置在3-4cm，1cm刀据间隙，含若干个圆形刀具和调节柱，其优点是实现了环切式刀片的有效作用性。方案四：通过技术矛盾得出，将喷淋头与环切式齿状刀片嵌套在网状滚筒中，其优点是实现了单个组件执行多个功能的作用。方案五：通过物场分析得出，增加多方向、多角度的高压喷水头，让水分子覆盖机器整个内部，使水分子与葛根皮充分贴合，其优点是软化药材皮、葛根皮不易黏附葛根，提高去皮效率。方案六：通过物场分析得出，增加多方向、多角度的高压喷气头，通过高压气体，在机器内部形成压力冲击，其优点是科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1202023/9/8 17:34:03 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年9月上 121利用压强效应，降低葛根皮的黏附程度，加快去皮过程。5.2 最终方案确定通过技术效益、经济效益、推广效益等综合分析，本研究确定最终方案见图7，运用TRIZ理论研发一款以网状式滚筒为主体，网状滚筒内嵌机械共振器，去皮系统为集成化刀组结构，喷淋系统为电液压与电高压组成的高压喷水和高压喷气装置的一款葛根类中药材去皮机。该设备较以往的产品具有以下优点：一是采用了刀组的去皮方式，在去皮过程中，能大大提高去皮效率，二是设备内嵌高压喷水与高压喷气装置，大幅降低葛根皮黏附在葛根、机架上，降低了机器发生杂物嵌塞的情况，三是该设备具备水循环利用装置，无须长时间连接水源，减轻水资源短缺的压力。图7 最终方案示意图6 结束语本文依托三峡库区重庆市重点实验室平台，开展中药材机械加工改造，为提高中药材开发利用，促进地方经济发展具有重要的意义。工艺改进是不断研发出更高效、更安全、更可控以及更低廉的产品来取代旧设备15-16，本研究运用TRIZ理论对当前工程系统中存在的问题逐个进行解决，研发出一种葛根类中药材去皮设备，满足了当前企业、农村等单位对葛根中药材前加工设备的需求，填补了当前农用机械领域对葛根中药材前加工（去皮）功能不足的空缺。参考文献1 邓锦松,张海燕,李艳,等.中药制药装备发展现状与对策J.中国医药工业杂志,2019,50(3):345-348.2 薛峰,黄剑宇,吴浩,等.现代中药加工技术研究进展J.南京中医药大学学报,2020,36(5):727-735.3 韦金娜,朱宝生,龙琳,等.葛根加工现状及其在饮料开发中的综合利用J.保鲜与加工,2021,21(3):136-140.4 檀润华,王庆禹,苑彩云,等.发明问题解决理论:TRIZTRIZ过程、工具及发展趋势J.机械设计,2001(7):7-12,53.5 熊兴福,孙雪梅.TRIZ理论在超市环保购物袋设计中的应用J.包装工程,2008(10):185-187.6 檀润华.创新设计TRIZ:发明问题解决理论M.北京:机械工业出版社,2002:25.7 刘晓雯.基于TRIZ的榨菜真空包装机设计J.包装工程,2016,37(7):99-102.8 李利.TRIZ理论在同时基水声测距接收系统性能改进中的应用J.声学技术,2020,39(5):540-545.9 汪雪锋,李兵,许幸荣,等.基于形态分析法的创新导图构建及应用研究J.科学学研究,2014,32(2):178-183,177.10 刘尚明,刘东亮,刘恒义.TRIZ理论及其在机械产品创新设计中的应用J.现代制造技术与装备,2007(3):43-44,84.11 檀润华.产品创新设计若干问题研究进展J.机械工程学报,2003(9):11-16.12 裴泽莲,张凤林.MQ-1马铃薯去皮机设计研究J.农业机械化与电气化,1996(6):12-14.13 孔娜.新型马铃薯脱皮机的设计与试验J.新疆农垦科技,2020,43(11):31-32.14 檀润华,王庆禹,苑彩云,等.发明问题解决理论:TRIZTRIZ过程、工具及发展趋势J.机械设计,2001(7):7-12,53.15 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