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一、項目情況介紹
細粉料是指顆粒大小在100-600目之間的粉體物料，如淀粉、糊狀樹脂、賴氨酸等。此類物料以其熱熔性良好、溶解速度快等優(yōu)點在化工、食品等行業(yè)廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)有的包裝形式為手工重力式投料包裝或閥口袋包裝，包裝時均會產(chǎn)生大量的粉塵泄露，造成大量的經(jīng)濟損失。也對企業(yè)安全生產(chǎn)、環(huán)境及人身安全保護產(chǎn)生巨大危害。
細粉料垂直螺旋包裝機組是某公司針對國內(nèi)目前細粉料包裝生產(chǎn)過程中的高成本、低效率、粉塵危害等問題進行技術(shù)攻關(guān)。以“降低生產(chǎn)企業(yè)包裝成本、減少產(chǎn)品浪費、保護人身安全”為新思路和新生產(chǎn)模式，將自動供袋機、垂直螺旋輸送機、包裝封口機等組成一個高效、聯(lián)動的生產(chǎn)線，即“細粉料垂直螺旋全自動包裝機組”，實現(xiàn)設(shè)備利用率最大化、采購成本最小化的生產(chǎn)工藝布局。該機組改變原有細粉料包裝領(lǐng)域粉塵污染嚴重、物料損失多、耗材成本高等缺點，采用垂直螺旋精準供料、伺服控制袋底給料、動態(tài)與靜態(tài)稱重結(jié)合等技術(shù)，實現(xiàn)了細粉料包裝的無塵化、自動化、智能化包裝。為各生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)升級、節(jié)能減排、安全生產(chǎn)、員工健康作出巨大貢獻。
該機組的成功研發(fā)，已為全國近50家企業(yè)提供了優(yōu)良的細粉料包裝解決方案，實現(xiàn)銷售額1.6億。并大力推動細粉料包裝行業(yè)技術(shù)進步。

二、項目來源及問題分析求解
(一)問題描述
細粉料是指顆粒大小在100—600目之間的粉體物料，此類物料以其熱熔性良好、溶解速度快等優(yōu)點在化工、食品等行業(yè)廣泛應(yīng)用，各生產(chǎn)企業(yè)細粉料制備量也逐漸擴大。但細粉由于粒徑過小使其極易漂浮、易混氣、流動性差、摩擦力大，成為包裝后處理行業(yè)內(nèi)的難題。
傳統(tǒng)的細粉料包裝工藝為重力式投料包裝方式，細粉投放時會混有投料通道中的大量空氣，且會對下方包裝袋產(chǎn)生空氣壓力，而包裝袋的袋口夾持處很難對其控制，這樣就導(dǎo)致混有空氣的粉塵從袋口夾持處噴出，造成環(huán)境污染及物料損失，威脅人身健康。
目前，國內(nèi)外針對超細粉料20kg以上包裝生產(chǎn)技術(shù)有以下幾種形式：重力給料開口袋包裝、閥口袋包裝等。國內(nèi)細粉料大袋包裝主要以重力給料半自動包裝技術(shù)為主流，該項技術(shù)工藝簡單，便于操作和維護，單個料袋成本低，但包裝效率低，車間揚塵現(xiàn)象嚴重且污染環(huán)境；國外超細粉料大袋包裝以閥口袋包裝技術(shù)為代表，閥口袋包裝由于供料常為風(fēng)送或螺旋給料，細粉料中混入空氣，雖然會緩慢排出，但也會造成粉塵污染，且閥口袋成本較高(常規(guī)6—8元/個)，包裝效率低(通常為100包/小時)。
(二)問題初步分析
1.初始問題分析
系統(tǒng)功能：實現(xiàn)細粉料的給料、定量稱重、包裝。
系統(tǒng)組成：(1)螺旋給料裝置；(2)電子秤；(3)過渡斗；(4)放料閥；(5)出料管；(6)密封膠圈；(7)細粉料；(8)料袋。
當前系統(tǒng)工作原理：細粉料經(jīng)螺旋輸送至稱重箱進行定量稱重，稱重結(jié)束后重力作用下通過2—3米的過渡料斗裝填進料袋中。

存在的主要問題：(1)裝袋時混有空氣，導(dǎo)致細粉泄露量大；(2)混氣細粉料沉淀時間長，包裝效率極低。
技術(shù)參數(shù)：(1)投料高度：2—3米；(2)投料時間：30秒；
(3)稱重重量：20—50kg；(4)物料粒度：150—600目；(5)物料密度：500—700kg/m3。
問題解決目標：減小粉塵、提高包裝速度及稱重精度。
2.系統(tǒng)分析
(1)因果鏈分析
首先從系統(tǒng)存在的問題入手，層層分析形成此問題的原因，直到分析到不可分解為止，找到根本原因，確定解決問題的關(guān)鍵點。

由因果鏈原因分析確定系統(tǒng)存在問題關(guān)鍵點有：1.1.1.2密封結(jié)構(gòu)差、2.1.2.1瞬間壓差大、2.2.1.1投料距離長、2.2.2.1出料口距離袋過遠等跟原因。形成方案如表1。

(2)功能分析
對系統(tǒng)進行功能分析，確定密封膠圈對料袋的擠壓為不足，料袋內(nèi)空氣及料管內(nèi)空氣對細粉料作用為有害。

得出方案如表2。

(三)問題解決工具的選取與分析
主要采用發(fā)明問題解決算法ARIZ進行解題：

1.現(xiàn)有問題分析
(1)描述最小問題
·系統(tǒng)的名稱：超輕細粉料裝袋系統(tǒng)
·系統(tǒng)的功能：密封并移動粉料
·系統(tǒng)的組件：細粉料、水平螺旋、電子秤、出料管、放料閥、料袋、密封膠圈
(2)找出產(chǎn)生技術(shù)矛盾的組件產(chǎn)品：細粉工具：料袋
(3)畫出技術(shù)矛盾TC-1和TC-2的示意模型圖
技術(shù)矛盾TC-1：如果密封料袋出口，那么裝袋過程中漏粉少，但取下袋時漏粉多。

技術(shù)矛盾TC-2：如果敞開料袋出口，那么取下袋時漏粉少，但裝袋過程中漏粉多。

(4)選取主要技術(shù)矛盾
選取與技術(shù)系統(tǒng)的主要功能有密切的技術(shù)矛盾進行解決，主要功能為密封并移送物料，因此選擇：TC-1。
(5)加大矛盾沖突
強化TC-1：如果密封料袋出口，那么裝袋過程中漏粉少，但取下袋時漏粉多。
定義出極限狀態(tài)：在料袋出口密封很嚴，裝袋過程中及取下袋時一點不漏粉。
(6)通過引入一個X單元，建立問題模型
X的功能：在裝袋過程中密封粉料，在取下料袋時又能阻止粉料漏出。
要求X：在裝袋過程中密封粉料，在取下料袋時又能阻止粉料漏出。
(7)嘗試應(yīng)用標準解解決問題
模型：料袋對細粉阻擋作用不足。標準解法：S2.1.2雙物—場模型。
方案15：在粉料中加入電荷，增加物料間的吸附力，增強料袋對細粉的阻擋。
標準解法：S1.1.2內(nèi)部合成物場模型。

方案16：具有過濾功能的新型料袋。

2.問題模型分析
(1)確定操作區(qū)域
料袋夾持出料管及投料至袋低區(qū)域(2)確定操作時間
開始投料到投料截止取出料袋的時間(3)確定物質(zhì)—場資源：如前物場資源

3.描述問題的最終理想解(IFR)和物理矛盾(1)描述最終理想結(jié)果IFR-1X元素的引入不會使系統(tǒng)復(fù)雜，也不會產(chǎn)生任何有害的效應(yīng)，會消除物料投放時造成的壓力失衡，不會產(chǎn)生粉塵泄露。
(2)強化最終理想解IFR-1
加入X元素，由電子秤、出料管、放料閥組成，不會使粉料投放時產(chǎn)生壓力失衡，不會產(chǎn)生粉塵泄露。
(3)從宏觀上描述物理矛盾
料管與料袋距離應(yīng)該足夠大，滿足裝料需求，料管與料袋距離應(yīng)該足夠小，才能不揚塵。
(4)從微觀上描述物理矛盾
為了縮短操作時間，快速投放物料，物料粒子投放時應(yīng)該與空氣粒子接觸，而為了降低粉塵及泄露，物料粒子應(yīng)不與空氣粒子接觸。
(5)描述最終理想解IFR-2
投料距離可以自己調(diào)整，滿足定量稱重裝填物料的需要。
(6)運用標準解標準解法：S.1.2.1引入S1及S2的變形。
得到方案17：改變粉料的性質(zhì)，改變其與空氣結(jié)合程度，縮短投料時間及減少氣體膨脹。
得到方案18：改變空氣的溫度、濕度，減少物料和空氣的結(jié)合。
標準解法：S.1.2.4引入F2抵消有害作用
得到方案19：增加振動裝置，對物料進行振動，排除料內(nèi)空氣。

物理矛盾分析
物理矛盾1：出料管與料袋距離既要求大，又要求小時間分離：什么時候可以間距??！什么時候間距大？
得出方案20：敞開袋、從底部裝料，開始裝袋時，微開放料閥，當粉料封住出料管口時，再開大放料閥。
物理矛盾2：細粉應(yīng)該與空氣接觸，又不能與空氣接觸空間分離：利用細粉將出料管與袋內(nèi)空氣分離。
條件分離：料面低于管口時粉料可以與空氣接觸，當料面高于管口時，新增粉料與空氣分離。
方案21：敞開袋從底部裝料，開始裝袋時，緩慢投料，當粉料封住出料管口時，快速投料。
4.調(diào)動和使用物質(zhì)—場資源
(1)小人法
第一，應(yīng)用“小人法”構(gòu)建矛盾的示意圖。
第二，更改模型中小人的位置，以期讓矛盾消失，解決最小問題。通常構(gòu)建的是引入的“X單元”的模型。
第三，考慮系統(tǒng)中所有可用的資源。第四，得出技術(shù)方案的示意圖。

(2)問題描述
第一，黑色小人(料斗)距離藍色小人(袋子)底部太遠，綠色小人(粉料)個頭比較大，在向下走進入藍色小人(袋子)內(nèi)部時，走的距離太長，會被紅色小人(空氣)大量填充間隙。
第二，黃色小人(密封膠圈)不能完全夾緊藍色小人(袋子)。
第三，當紅色小人反向移動時，紅色的小人(空氣)會領(lǐng)著綠色的小人(粉料)跑到袋子外部。
(3)建立目標模型X資源能夠保證綠人不跑出去。只要X能破除四個原因之一即可：
第一，黑色小人(空氣)距離底部藍色小人(袋子)很近，紅色小人(空氣)進不來。
第二，紅色小人(空氣)被排除在藍色小人(料袋)外面。第三，黑色小人(出料管)與藍色小人(出料管)被黃色小人
(密封膠圈)夾持很緊，綠色小人(粉料)跑不出去。
第四，設(shè)計一組灰色小人(蓋子)組成一排人墻阻擋綠色小人(粉料)從間隙處跑出，但灰色小人(蓋子)可以識別紅色小人(粉料)，讓紅色小人(空氣)從額外出氣口走出。

提出方案22：在出料管旁設(shè)計兩個過濾抽氣管路，過濾抽離多余氣體，使袋子體積達到最小，卸袋后再二次封袋完全密封。
5.運用TRIZ知識庫
查詢現(xiàn)有專利數(shù)量及水平，確定系統(tǒng)位于成長期。

從提高理想度法則得出方案：
方案23：投料過程若在真空環(huán)境中進行，則可解決揚塵問題，或?qū)⑾侣涓叨茸優(yōu)?。
方案24：采用機器人進行包裝物料，取代人工。從動態(tài)性法則得出方案：
方案25：靜態(tài)稱重改為動態(tài)稱重，邊投料邊稱重。

方案26：動態(tài)改變出料口間距，控制物料流速。從子系統(tǒng)不均衡得出方案：
方案27：電子秤完成稱量物料功能的同時，實現(xiàn)料袋的夾持功能。
方案28：夾持密封機構(gòu)改進為錐閥精密封結(jié)構(gòu)。

方案29：放料管處增加振動錘，促進物料流動。利用效應(yīng)庫E75熱膨脹：
方案30：降低物料溫度，減小細粉料分子運動動能，降低與空氣分子結(jié)合量。
利用效應(yīng)庫E52混合物分離：
方案31：物料投放時，引入超聲波，通過聲波震蕩，促進物料與氣體分離。
利用效應(yīng)庫E15磁力：
方案32：夾持密封改為電磁驅(qū)動，增強密封性。
(四)技術(shù)方法及評價

(五)確定最終方案
采用垂直螺旋結(jié)構(gòu)輸送物料，將料筒深入袋子底部后進行投料，并且隨著料袋中料面的上升緩慢下降料袋，使料面始終緊貼在放料閥門下方，最大限度地減少物料與空氣接觸，避免發(fā)生揚塵現(xiàn)象，保護包裝環(huán)境，同時避免細粉料中混入空氣，提高包裝效率。

垂直螺旋包裝技術(shù)以垂直螺旋輸送機為主體配合動態(tài)電子定量秤完成物料供給和裝袋，結(jié)合其他輔助設(shè)備實現(xiàn)細粉料全自動包裝過程，具體過程包括自動供袋、套袋、裝袋、稱重、排氣、封口。垂直螺旋輸送機為自動給料機構(gòu)，電子定量秤含有可升降的夾袋器、除塵裝置和稱重傳感器，具有動態(tài)稱重功能和除塵功能。
(六)技術(shù)關(guān)鍵點和主要的創(chuàng)新點
垂直螺旋包裝技術(shù)集成應(yīng)用了多種技術(shù)，包括垂直螺旋給料技術(shù)、升降式夾袋器的動態(tài)稱重技術(shù)、包裝料袋的排氣技術(shù)、系統(tǒng)集成與控制技術(shù)等。
1.垂直螺旋給料技術(shù)
使用水平式螺旋輸送機輸送物料進行稱重包裝的技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但采用垂直螺旋輸送機進行物料裝袋的應(yīng)用卻很少見，本項目的技術(shù)創(chuàng)新點就是應(yīng)用螺旋輸送機垂直給料裝袋，使螺旋輸送機成為自動給料裝置。如圖所示，具體關(guān)鍵技術(shù)包括同軸雙電機驅(qū)動技術(shù)、均化助流技術(shù)、錐體料門的粗精流給料技術(shù)。

(1)除塵機構(gòu)；(2)動力組件；(3)攪拌機構(gòu)；(4)聯(lián)動氣缸；(5)升降料筒；(6)螺旋軸。
2.升降式夾袋器的動態(tài)稱重技術(shù)
基于TRIZ理論中的逆向思維法解決袋底投料的技術(shù)問題，分析螺旋筒與料袋之間的相對運動關(guān)系，采用固定垂直螺旋輸送機，由袋子上下升降實現(xiàn)袋底給料。研究了一種帶有稱重功能同時又具有升降功能的夾袋裝置，既可實現(xiàn)袋底給料又可實現(xiàn)動態(tài)稱重，升降滑軌用于夾袋器的升降，稱重傳感器用于料袋的稱量，夾袋器用于夾住袋子并且撐開袋口。物料裝袋前夾袋器上升至高位，投料開始后緩慢下降夾袋器，進行動態(tài)稱量，同時使袋內(nèi)料面緊貼在螺旋出口的下方，當接近目標重量時粗給料結(jié)束夾袋器靜止,降低螺旋軸轉(zhuǎn)速進行精給料,進行靜態(tài)稱量，當達到目標重量后夾袋器繼續(xù)下降，將料袋與移動立袋輸送機進行交接，完成物料裝袋及料袋稱重。

(1)升降滑軌；(2)稱重傳感器；(3)夾袋器；(4)除塵機構(gòu)。

(1)架體；(2)傳感器Ⅰ；(3)除塵罩；(4)傳感器Ⅱ；(5)夾袋器吊架；(6)傳感器Ⅲ。
3.包裝料袋的排氣技術(shù)
細粉料裝袋結(jié)束后需要對料袋進行封口，封口前需要對料袋進行排氣處理，否則封口后的料袋有可能由于含有少量氣體而出現(xiàn)無法碼垛的問題。滿料袋排氣分為兩個步驟，第一步是排出物料內(nèi)混入的氣體，采用高頻振動的方式使物料與空氣分離開來，同時使物料之間相對運動產(chǎn)生縫隙，空氣從縫隙中向上排出至袋口位置；第二步是排除袋口的氣體，采用滾輪擠壓的形式將袋口內(nèi)的氣體擠壓出袋口。如圖16所示，當料袋輸送至此工位時振動機構(gòu)先開始工作，振動夾板夾住料袋后振動電機啟動，當振動排氣結(jié)束后，排氣壓輥閉合由上而下推壓至料面位置，排出袋口內(nèi)氣體，最終完成料袋排氣任務(wù)。如有粉塵隨氣體排出料袋可以通過除塵機構(gòu)收集，避免泄漏到空氣中影響包裝環(huán)境。
4.系統(tǒng)集成與控制技術(shù)
全自動細粉料垂直螺旋包裝碼垛生產(chǎn)線的運行需要控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)控制，其中集成了模擬量稱重檢測與控制技術(shù)、數(shù)字量PLC控制技術(shù)、閉環(huán)式加熱溫度控制技術(shù)、氣壓(真空)檢測與控制技術(shù)、機器人技術(shù)、計算機編程等各種工業(yè)控制技術(shù)，以TIA(博途)軟件為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，自主編寫控制程序，按照設(shè)備動作關(guān)聯(lián)性和動作的連續(xù)性及周期性進行劃分進行模塊化編程，通過各個單元模塊來實現(xiàn)對單一動作的控制，再串聯(lián)起每一個模塊程序，形成整套控制系統(tǒng)的集成。
圖17包裝系統(tǒng)組成框架圖，以S7-1200PLC為控制核心，PLC自動循環(huán)掃描各個輸入點的當前狀態(tài)，并根據(jù)程序所確定的邏輯關(guān)系刷新輸出點的狀態(tài)，通過變頻器、接觸器和電磁閥來控制相應(yīng)的電機的啟停和氣缸的動作，從而完成系統(tǒng)工藝流程的自動控制。

三、預(yù)期成果及應(yīng)用
細粉料垂直螺旋全自動包裝機組具體性能指標如表5所示。

(一)速度快
以糊狀樹脂為例，半自動重力式包裝速度為100袋/小時，閥口袋包裝速度為60袋/小時，而細粉料垂直螺旋包裝速度為300袋/小時，是其他包裝形式的3—5倍。
(二)精度高
以糊狀樹脂為例，半自動重力式稱重精度為±0.4%，閥口袋包裝稱重精度為±0.5%速度為60袋/小時，而細粉料垂直螺旋稱重精度為±0.2%。為企業(yè)減少計量誤差造成的經(jīng)濟損失270萬元/年。
(三)粉塵小
相對半自動重力包裝及閥口袋包裝，更加清潔環(huán)保，減少粉塵濃度，極大降低安全風(fēng)險及人身危害。
(四)人力、物耗成本低
常規(guī)閥口袋包裝及半自動重力投料包裝整線需要4—6人，而垂直螺旋全自動包裝機組僅需1人。大大節(jié)省人力成本及減少人工勞動強度。
閥口袋但袋成本6—8元，而細粉料垂直螺旋包裝碼垛可以使用膜袋及編織袋，單袋成本為2元。按每小時200袋產(chǎn)能計算，每年為企業(yè)減少耗材成本700—1000萬元，帶來可觀的經(jīng)濟效益。
項目產(chǎn)品的國內(nèi)外市場需求較大，具有廣闊的應(yīng)用空間。產(chǎn)品的市場定位首先是取代現(xiàn)有的人工包裝或半自動包裝設(shè)備，滿足國內(nèi)食品、藥品、化工生產(chǎn)企業(yè)的市場需求；再通過不斷改進和優(yōu)化，向亞洲市場和歐美市場提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和服務(wù)。隨著本產(chǎn)品的逐步推廣應(yīng)用，越來越多的用戶將認可本產(chǎn)品的高性能與高質(zhì)量，預(yù)計三年內(nèi)，在國內(nèi)市場占有率可達到80%以上。
該項目自2015年研發(fā)，形成發(fā)明專利2項，實用新型4項，軟件著作1項，截至2018年11月，已實現(xiàn)銷售額超過1.6億元。未來5年內(nèi)將會在國內(nèi)百余家細粉料生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用，預(yù)計效益5億元，間接效益10億元。
細粉料垂直螺旋全自動包裝機組以其自動化、智能化、清潔化已經(jīng)成為企業(yè)新的利益增長點，極大推進了細粉料包裝行業(yè)技術(shù)升級及產(chǎn)業(yè)進步。
 

 

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