李 芮，衣淑娟，趙 斌，李衣菲，武 志

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院；b.信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機(jī)有限公司，哈爾濱 150090)

0 引言

隨著“中國(guó)制造2025”觀念的提出，以及農(nóng)業(yè)機(jī)械的高速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械“高速化、精準(zhǔn)化、自動(dòng)化、高效化”的發(fā)展方向[1]。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量取決于精密播種機(jī)的關(guān)鍵部件即排種器[2]。目前，精量播種存在排種器工作阻力大、風(fēng)機(jī)體積過(guò)于龐大、地輪鏈傳動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、播種株距調(diào)節(jié)方式繁瑣、作業(yè)速度偏低，以及排種器工作穩(wěn)定性差等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，提高機(jī)械化作業(yè)水平，基于TRIZ理論針對(duì)排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)合TRIZ理論中的40個(gè)發(fā)明原理和48個(gè)工程參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種操作方便、傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單且播種合格指數(shù)高的排種結(jié)構(gòu)，并建立了相應(yīng)的UG三維實(shí)體模型及樣機(jī)，驗(yàn)證了方案的可行性。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ理論概述

1946年，阿奇舒勒(G. S. Altshuller)創(chuàng)立了TRIZ理論，因此 Altshuller被尊稱(chēng)為T(mén)RIZ之父。在以后的數(shù)十年中，阿奇舒勒和他的TRIZ研究團(tuán)隊(duì)分析了世界上近250萬(wàn)份高水平的發(fā)明專(zhuān)利，總結(jié)歸納出技術(shù)發(fā)展進(jìn)化的發(fā)展規(guī)律，還有解決各種矛盾相應(yīng)的創(chuàng)新原理和法則，并綜合各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的特點(diǎn)，建立了TRIZ理論體系[3-6]。

在解決問(wèn)題的過(guò)程中，需要明確要改善的工程參數(shù)，然而改善某一工程參數(shù)就會(huì)帶來(lái)其他工程參數(shù)的惡化，從而產(chǎn)生了兩個(gè)工程參數(shù)之間的矛盾。阿奇舒勒矛盾矩陣表及40條發(fā)明原理就是為了解決這樣的矛盾而提出的。阿奇舒勒矛盾矩陣表將每一個(gè)矛盾沖突的關(guān)系用矩陣的形式表示，且有相對(duì)應(yīng)解決矛盾的發(fā)明原理，其解決問(wèn)題的一般流程如圖1所示。

1.2 TRIZ理論的應(yīng)用

1989年，國(guó)際TRIZ協(xié)會(huì)在彼得羅扎沃茨克建立，阿奇舒勒擔(dān)任首屆主席。隨著蘇聯(lián)解體，西方系統(tǒng)地傳入了TRIZ理論，在美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等世界各地展開(kāi)了廣泛的研究與應(yīng)用。至此，TRIZ理論走向世界，有關(guān)TRIZ的研究咨詢(xún)機(jī)構(gòu)也相繼成立。

20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)個(gè)別科研人員已經(jīng)了解到了TRIZ理論；在1997年前后，我國(guó)少數(shù)學(xué)者在參與國(guó)際會(huì)議時(shí)再次接觸了TRIZ，并自發(fā)予以研究，在某些專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了TRIZ選修課[7]。目前，很多高校都開(kāi)設(shè)了TRIZ理論及其方法系列課程。

如今TRIZ理論已在全世界展開(kāi)了廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造出成千上萬(wàn)項(xiàng)重大發(fā)明。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，TRIZ理論及其方法現(xiàn)已發(fā)展成為一套解決在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題的成熟理論和方法體系，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，為眾多知名企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，如韓國(guó)的三星、美國(guó)的福特和波音、中國(guó)的中興通訊、芬蘭的諾基亞等500家多知名企業(yè)[8-12]，不僅取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益，而且極大地提高了企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新能力。

2 現(xiàn)有排種器分析

國(guó)內(nèi)外研發(fā)設(shè)計(jì)了不同播種原理精量播種機(jī)的排種裝置，主要分為機(jī)械式和氣力式兩大類(lèi)[13]，具體分類(lèi)如圖2所示。目前，世界上氣力式排種裝置較機(jī)械式排種裝置技術(shù)發(fā)展良好，成為精量播種技術(shù)的先進(jìn)水平代表；但氣力式排種裝置也有其不足之處，如風(fēng)機(jī)過(guò)于龐大，播種株距調(diào)節(jié)方式繁瑣。

圖2 排種器的分類(lèi)

現(xiàn)有的精量排種裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是地輪帶動(dòng)鏈輪、鏈條等傳動(dòng)的部件驅(qū)動(dòng)排種器完成播種作業(yè),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜,工作可靠性差,排種精度低,且排種器的轉(zhuǎn)速最多只有7、8個(gè)檔可調(diào)，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速允許范圍內(nèi)的所有轉(zhuǎn)速及任意值的株距。排種器上的株距調(diào)節(jié)變速箱如圖3所示(以指夾式排種器為例)。

3 基于TRIZ理論的排種器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 氣吸式排種器的矛盾

根據(jù)現(xiàn)有排種器的不足，利用TRIZ理論及其分析方法，總結(jié)出以下3種矛盾。

矛盾1：排種器工作時(shí)，種子室的種子及氣吸式的吸力對(duì)排種盤(pán)的阻力很大，以至于需要給排種轉(zhuǎn)軸很大的動(dòng)力。如果增大排種轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)力，則造成能量消耗的增加。

矛盾2：氣吸式排種器的氣源來(lái)自風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的體積龐大，如果改變風(fēng)機(jī)的尺寸，就會(huì)減小葉輪的尺寸，則需要葉輪具有更大的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)的功率消耗增加。

矛盾3：現(xiàn)有的精量排種器的傳動(dòng)系統(tǒng)都是地輪帶動(dòng)鏈條、鏈輪等傳動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)排種器完成播種作業(yè),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)鏈條松掉的情況，并且排種器的轉(zhuǎn)速最多只有7、8個(gè)檔可調(diào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速允許范圍內(nèi)的所有轉(zhuǎn)速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意值的株距。因此，需要精簡(jiǎn)排種器的傳動(dòng)系統(tǒng)及提高自動(dòng)化的程度。但是，自動(dòng)化程度的提高，就很可能引起控制程度復(fù)雜性增加。

圖3 排種器株距調(diào)節(jié)變速箱

圖4為T(mén)RIZ理論在氣吸式排種器上的解題步驟。

3.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的矛盾解決原理

創(chuàng)新發(fā)明設(shè)計(jì)的核心就是解決矛盾，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程就是不斷解決產(chǎn)品中所存在的矛盾的過(guò)程[14]。氣吸式排種器創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要解決的矛盾屬于技術(shù)矛盾，技術(shù)矛盾對(duì)應(yīng)的48個(gè)通用工程參數(shù)為No.7靜止物體的體積、No.15力、No.16能量消耗、No.18功率、No.43 自動(dòng)化程度、No.45裝置的復(fù)雜性、No.46控制的復(fù)雜性。

阿奇舒勒將各個(gè)工程參數(shù)之間的矛盾與發(fā)明原理之間建立了對(duì)應(yīng)的關(guān)系，整理成了一個(gè)48×48的矩陣—阿奇舒勒矛盾矩陣，以便使用者在解決矛盾時(shí)查找。矛盾矩陣表將48個(gè)工程參數(shù)之間的矛盾和40個(gè)發(fā)明原理有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，將創(chuàng)新的規(guī)律性形象地表現(xiàn)出來(lái)[15-16]。本創(chuàng)新設(shè)計(jì)基于總結(jié)的3個(gè)技術(shù)矛盾，對(duì)阿奇舒勒矛盾矩陣表的應(yīng)用如表1所示，相對(duì)應(yīng)用的40個(gè)發(fā)明原理如表2所示。

圖4 TRIZ理論的解題步驟

通用工程參數(shù)惡化的參數(shù)…No.16能量消耗No.18功率No.46控制的復(fù)雜性…改善的參數(shù)…No.15力19,17,35,10,2,8,3,2419,35,37,17,1,28,1837,10,28,25,3,13,2No.7靜止物體的體積35,13,19,38,33,25,1035,19,6,10,13,24,18,31,128,1,25,10,2,23,5,24No.45裝置的復(fù)雜性28,5,2,29,35,10,13,2719,28,2,30,35,20,343,37,25,26,7,28No.43自動(dòng)化程度1,13,30,2,35,42,12,26,28,8,628,3,4,17,37…

表2 應(yīng)用的發(fā)明原理

3.3 發(fā)明原理的應(yīng)用

根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣表所確定應(yīng)用的5條發(fā)明原理，對(duì)氣吸式排種器進(jìn)行以解決傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、播種精度偏低及自動(dòng)化程度低為目的的創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析。

應(yīng)用No.3局部質(zhì)量原理，使排種器排種盤(pán)外圓與一個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，徑向傳動(dòng)方式極大地降低了驅(qū)動(dòng)排種盤(pán)所需要的扭矩。排種盤(pán)既是排種工作的主要部件又是傳遞力的工作部件。

應(yīng)用No.24中介物原理和No.28機(jī)械系統(tǒng)的替代原理，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)將拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)排種器所需要的機(jī)械能，使用電機(jī)作為中介物傳遞能量，用電場(chǎng)代替了機(jī)械場(chǎng)。用吸塵風(fēng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械風(fēng)機(jī)，尺寸顯著縮小，且功率不及之前的50%，吸力滿足作業(yè)要求。

應(yīng)用No.35參數(shù)變化原理，用直流減速電機(jī)代替復(fù)雜的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，直接根據(jù)要求，在排種器控制面板上進(jìn)行設(shè)置，使電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)整排種器的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，方便快捷，達(dá)到改變播種株距的目的。

應(yīng)用No.10預(yù)操作原理，增加了編碼器測(cè)速裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)車(chē)的前進(jìn)速度，然后傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以校正排種的速度，提高播種的合格率。同時(shí)，還增加了種子重播、漏播監(jiān)控，通過(guò)報(bào)警提醒使用者。

4 排種器三維模型設(shè)計(jì)及分析

4.1 排種器三維模型設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ理論的分析結(jié)果，對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的排種器三維模型如圖5所示。

1.氣吸風(fēng)機(jī) 2.波紋管 3.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4.測(cè)速編碼器 5.導(dǎo)種管 6.排種器 7.種箱

創(chuàng)新后的排種器主要由排種器殼體、齒形排種盤(pán)、排種器轉(zhuǎn)軸、直流減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪及排種控制系統(tǒng)等組成，其左側(cè)為儲(chǔ)種室，右側(cè)為真空室。排種器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)內(nèi)的雙葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力通過(guò)吸風(fēng)管傳遞到排種器一側(cè)的真空室，使真空室產(chǎn)生負(fù)的壓強(qiáng)，齒形排種盤(pán)的兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生壓力差，在減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，齒形排種盤(pán)根據(jù)之前的株距要求設(shè)定穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)齒形排種盤(pán)上的吸種孔轉(zhuǎn)到吸種區(qū)時(shí)，儲(chǔ)種室內(nèi)的種子依靠壓力差產(chǎn)生的吸力被吸附在齒形排種盤(pán)的吸種孔上；排種器殼體上有清種刷，會(huì)將多余的種子刷掉；投種區(qū)與大氣相通，沒(méi)有壓力差，種子便會(huì)自由下落，順著導(dǎo)種管滑落到種溝內(nèi)；導(dǎo)種管內(nèi)側(cè)中部裝有重播、漏播檢測(cè)裝置，通過(guò)報(bào)警提醒使用者[17]。

4.2 仿真及有限元分析

利用三維建模軟件UG對(duì)創(chuàng)新的氣吸式排種器進(jìn)行零部件的建模、自底向上裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)果表明：排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各零件之間沒(méi)有干涉現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)失真的情況。

對(duì)排種器的主要部件排種盤(pán)進(jìn)行了有限元分析[18]，如圖6所示。分析結(jié)果表明：排種盤(pán)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

圖6 最大應(yīng)力圖

5 結(jié)論

運(yùn)用TRIZ理論對(duì)氣吸式排種器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以排種器實(shí)際情況為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，建立矛盾矩陣，確定相對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理。根據(jù)阿奇舒勒對(duì)每一個(gè)發(fā)明原理，對(duì)現(xiàn)有氣吸式排種器所存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，得到了解決問(wèn)題的方案，并對(duì)設(shè)計(jì)的排種器進(jìn)行了三維建模、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和關(guān)鍵部件的有限元分析。事實(shí)證明：TRIZ理論不僅提高了創(chuàng)新的效率，而且縮短了創(chuàng)新的周期，加快了農(nóng)業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

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