TRIZ是源于前蘇聯，建立在專利基礎上的一門科學的創造方法學，它成功地揭示了發明創新背后所遵循的內在規律和原理。相對于傳統的創新方法，TRIZ理論的特點是：(1)TRIZ從不逃避產品設計與開發過程中的工程矛盾，從不采取折衷矛盾或妥協設計的做法，它強調產品設計與開發的目標是完全解決矛盾，最終以最低的成本、最小的副作用獲得最高的產品性能（理想解）；(2)TRlZ是基于技術的發展演化規律來研究整個設計與開發過程，而不是隨機的試錯式行為，因此，基于IRIZ理論的創新成果有著無與倫比的高效率和穩定性。
    經過近60年的發展，TRIZ已成為解決發明問題的強有力方法學，在世界許多國家的企業得到了廣泛應用，解決了無數的工程問題。
1、林木生物質粉碎設備現狀
    我國有著豐富的可利用林木生物質資源，粉碎是生物質能源利用轉化的前提條件。生物質原料經過粉碎，顆粒由大變小，物料單位質量的表面積增加，可以提高物理作用及化學反應的速度。一般而言，粉碎后的生物質原料粒度越細，后期加工利用效果越好。
    目前，我國生物質粉碎機主要用于粉碎農作物秸稈生產動物飼料，作其他用途的粉碎機大都是參照秸稈粉碎機標準設計的，其中錘片式粉碎機因結構簡單、通用性好、適應性強等優點，應用最廣。錘片式粉碎機結構如圖1所示。工作時，物料由進料口均勻地喂入粉碎室，首先被錘片打擊，進行一定程度的粉碎，同時以較高的速度甩向固定在粉碎室內部的齒板和篩網上，受到齒板的碰撞和篩網的搓擦而進一步粉碎。在粉碎室中如此重復進行，直至物料被粉碎到可通過篩孔為止，富通新能源銷售秸稈粉碎機、秸稈揉搓機等粉碎機械設備。
    文中所設計的林木生物質粉碎機，要求將林木加工剩余物加工成mm級粉體，生產能力為1 000 kg/h。而現有的錘片式粉碎機粉碎顆粒尺寸過大（多為10 mm以上），不能滿足后期加工利用的要求，且刀片磨損快、粉碎粒度不均勻、能耗高、度電產量低，難以適應大規模開發利用林木生物質能源的需求。
    因此，針對林木生物質的特性，以高效率和細粉碎粒度及降低粉碎功耗為目標，應用TIIZ理論研究林木生物質高效精細粉碎機的工作原理和各種實現方案，進行粉碎工藝與設備的創新設計，可以為推動我國生物質能源利用產業化的進程提供有力的保障，創造良好的經濟和社會效益。。
2、設計過程
2.1問題描述
    設計要求：設計一臺生物質粉碎機，用該機械可以直接把各種樹皮含量高、韌性大、徑級小的灌木、枝條類林木加工剩余物加工成mm級粉體，生產能力為1 000 kg/h。通過查詢、調研，沒有可以滿足上述要求的粉碎機產品，擬借鑒錘片式粉碎機的結構。
    現有方案的主要缺點：粉碎粒度過大，生產率低，能耗大。
2.2系統功能分析
    TRIZ理論的系統功能分析是從完成功能的角度來分析系統由哪些組件組成，組件間的相互作用是有利、有害還是中性的。在后續的解決方案中，設法調用相關資源，強化有利作用，消除有害作用，從而找到解決問題的多種途徑。
    林木生物質粉碎機作為一個技術系統的主功能是粉碎∮60mm以下林木剩余物，子功能有切削、錘擊、摩擦、碰撞、篩分和固定，主要組件有粉碎室、刀具（刀片、錘頭）、轉子、大尺寸木材、中等顆粒木片、小顆粒木屑。應用億維訊公司的Pto/lnno-vator軟件逐一分析各組件間的相互作用，建立系統功能模型，如圖2所示。
    Pro/lnnovator軟件自動將系統分析模塊產生的所有問題列表，如：大尺寸木材磨損刀片、小顆粒木屑堵塞篩網、大尺寸木材顆粒化不足、篩網分離小木屑效率低等，提供多個解決問題的路徑。
2.3根本原因分析
    在功能分析的基礎上進行根本原因分析，可以在查詢原因的過程中，將表象問題轉化，得到更多解決問題的突破口，尋找更多解決問題的資源。
    圖3是系統分析模塊產生的一個問題“篩網分離小木屑效率低”的根本原因分析示例。
    根本原因分析的目的是在每一個原因上尋找可能的解決方案。以下是分析其中兩個原因而產生的解決方案。
    原因1：現有生物質粉碎機粉碎室多為圓形，轉子帶動錘刀高速旋轉形成的環流層帶動顆粒旋轉，使得顆粒切向速度很快，從而使顆粒跨越篩孔時間過短，影響篩分效率。
    解決方案：在篩網上加凸起的湍流板，如圖4所示。湍流板設置為橢圓形的面，用耐磨材料制成。湍流板使物料環在篩面上高速移動時突遇外力作用而出現短暫的停頓，從而破壞環流層，降低顆粒切向速度，同時增強了對物料的剪切和碰撞作用，提高粉碎效率。
原因2：由于粉碎后的成品顆粒為l mm左右的術屑，質量小、離心力小，從而導致顆粒的徑向速度小，不易通過篩孔。
    解決方案：采用吸風裝置，使成品顆粒在鼓風機的吸力作用下加速通過篩孔，提高篩分效率。
2.4物理矛盾定義和分離方法應用
    物理矛盾是指對系統的同一個參數有不同的要求。解決物理矛盾的方法是采用分離方法和查詢知識庫。分離方法有：空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分分離。
    定義物理矛盾：一方面，木屑尺寸要小，以滿足后續利用要求；另一方面，木屑尺寸要大，以利于加工。
    應用時間分離和空間分離原理，采用分級粉碎，一級粉碎室由削片部分和粉碎部分組成，主要對物料進行粗粉碎；二級粉碎室采用錘片式結構，對經過粗粉碎的物料進一步細粉碎，以達到要求的粉碎粒度。
2.5技術矛盾定義和創新原理應用
  技術矛盾是指改善技術系統的某個參數而導致另一個參數發生惡化產生的矛盾。TRIZ將導致技術矛盾的因素總結成39個通用技術參數，提供了40個解決技術矛盾的創新原理，根據40條創新原理和39個通用技術參數之間建立的對應關系形成的矛盾矩陣，可得到推薦的解決所定義技術矛盾的創新原理，即標準解。
    定義技術矛盾：設計要求降低粉碎粒度，但會導致功耗增加。則改善的技術參數是：木屑的體積減小，即第7個通用技術參數“運動物體的體積”；惡化的技術參數是：功率消耗增加．即第21個通用技術參數“功率”。由矛盾矩陣得到推薦的創新原理為№35物理化學參數變化、№6多用性、N0 13反向作用、№18機械振動。
    由創新原理№35“物理化學參數變化”得到的解決方案是：控制原料的含水率。
    因為木材的塑性隨含水率的增加而增大，所以原料含水率過高，會使切削力增大，功率消耗增加。而隨著含水率的下降，木材發生干縮，膠束之間的內聚力增大，內摩擦因數增高，密度增大，使木材力學強度急劇增加，也會使切削力增大，功率消耗增加。可以通過實驗測定切削力和原料含水率的關系，找到使切削力最小的最佳含水率。
    由創新原理№6“多用性”得到的解決方案是：改進二級粉碎刀具結構，增加其多用性，使其既有切削又有錘打、撕裂作用。
    現有錘片式粉碎機的刀具（錘片）形狀如圖5所示。
    改進后的刀具采用如圖6a所示的錘片組和如圖6b所示的L型甩刀錘片組合。錘片組提高了刀具的切削性，增加了破碎作用；L型甩刀錘片增大了旋轉打擊時與顆粒的接觸面積，使物料受到的打擊力增大，有助于提高粉碎效率。
    由創新原理№13“反向作用”沒有得到適用的解決方案。
    由創新原理№18“機械振動”得到的解決方案是采用振動篩。
    如圖4所示，在篩網和機殼之間設置振動機構，篩網通過振動機構和機殼相連。當粉碎機在粉碎物料時，錘片打擊物料，物料將動力傳遞到篩網上，篩網在振動機構上振動，使粉碎了的物料能及時通過篩網，提高篩分能力。
2.6物場模型建立與標準解法應用
    物場模型用來描述系統中的相互作用或行為，可以描述任何工程系統。物場模型可以揭示技術系統的功能機制，描述不同元素間發生的不足的、有害的．過度的或不需要的相互作用，應用76個TRIZ標準解解決相應問題。
    對問題進行物一場分析可知，要粉碎的木屑為S．（目標物），刀具為S：（工具），切削力為F（機械場），圖7為該系統的物一場模型，現有系統完整，但S2對|s，的作用不足。應用標準解法“加入添加物”，構建復雜的物場模型如圖8所示。解決方案為在粉碎室內壁上加裝齒板(S3)，如圖4所示，增加對物料的摩擦、剪切作用。
2.7生成的備選方案
    綜合分析以上方案，得到的創新設計如圖9所示。
    工作原理：一級粉碎室里刀盤與錘片采用同軸結構，由電動機通過V型帶驅動，飛刀隨著刀盤作平面運動，底刀固定不動。當待粉碎物料進入進料口后，刀盤轉動使飛刀與底刀形成剪切，將枝條削成片狀，通過刀盤上的窄縫進入粉碎室受到錘片的錘擊作用。粉碎后的木屑通過一級篩網落入二級粉碎室，進一步受到錘片的打擊作用和齒板的摩擦撞擊作用而粉碎，過篩的成品顆粒在鼓風機的風力作用下飛出出料口。未被篩選的粗屑留在粉碎室繼續粉碎，直至小于篩網孔被篩出。
3、結束語
    應用TRIZ理論進行了林木生物質粉碎工藝與設備的創新設計，解決了現有方案粉碎粒度過大，生產率低，能耗大的問題。
    (1)采用分級粉碎工藝，一級粉碎室由削片部分和粉碎部分組成，完成粗粉碎；二級粉碎室采用錘片式結構，完成細粉碎，以達到要求的粉碎粒度。
    (2)采用新型刀具組合形式，增加了刀具的多用性，使其既有切削又有錘打、撕裂作用，提高了粉碎效率。
    (3)在篩網上設置凸起的湍流板、在粉碎室加裝齒板，增強了對物料的摩擦、剪切和碰撞作用，降低了粉碎功耗。
    (4)采用振動篩、吸風裝置，增大了物料過篩能力，提高了設備的生產率。
    TRIZ的問題模型與解法雖然有一定的局限性，而且將TRIZ標準解轉化為實際解也需要豐富的專業背景知識，但TRIZ解決問題的系統化方法為解決問題提供了非常有效的工具，可以減少傳統創新設計中試錯法所耗費的時間和精力，大大加快創新步伐，提高創新質量。