萬心華 徐 暢 錢長成 王永志 閔鵬飛 付本事 尹彬?yàn)?/p>

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇揚(yáng)州225127）

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速推進(jìn)為我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展提供了有力保障，但洪澇災(zāi)害仍然危害著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其在南方及黃河流域，大棚、地窖和倉庫等區(qū)域常遭受著洪水的威脅［1]，其中，2017年，洪澇災(zāi)害造成長江流域直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)939億元［2]。

現(xiàn)有的擋水方式主要為安裝防洪擋板、堆砌沙袋。這些方式擋水效果雖有保障，但需耗費(fèi)大量時(shí)間和人力物力，且面對瞬息萬變的天氣，若處理不及時(shí)，仍無法解決問題。

本設(shè)計(jì)基于TRIZ 理論，對現(xiàn)有的擋水裝置進(jìn)行智能優(yōu)化，分析擋水裝置智能優(yōu)化過程中的技術(shù)沖突，添加預(yù)警、自動(dòng)升降、模塊化設(shè)計(jì)功能。設(shè)計(jì)并分析參數(shù)，保證可根據(jù)不同需求選用不同規(guī)格的擋水板，進(jìn)行電機(jī)模塊化組裝，保證擋水質(zhì)量，滿足擋水需求。

1 TRIZ理論概述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）的含義是發(fā)明問題的解決理論，由理想解、技術(shù)沖突矩陣、物質(zhì)-場分析、ARIZ 算法等多個(gè)部分構(gòu)成［3-4]，本設(shè)計(jì)主要采用技術(shù)沖突矩陣進(jìn)行智能優(yōu)化。

技術(shù)沖突是指當(dāng)系統(tǒng)的一個(gè)方面得到優(yōu)化時(shí)，對另一方面會(huì)造成了劣化。TRIZ 提供了39 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)［5]，任何一個(gè)技術(shù)沖突都可用其中的一對參數(shù)來描述，而其中一對參數(shù)描述的任一技術(shù)沖突都有可確定的創(chuàng)新方法進(jìn)行解決，這些方法被歸納出40 條，構(gòu)成了技術(shù)沖突矩陣。研究者只需描述相關(guān)技術(shù)沖突，即可根據(jù)技術(shù)沖突矩陣找到解決問題的方法［6-7]。

2 優(yōu)化過程中技術(shù)沖突的分析

2.1 擋水裝置問題分析

現(xiàn)有的擋水裝置以單一的擋水板為主，只具備最基本的擋水功能，在現(xiàn)實(shí)的使用過程中，主要存在以下問題：（1） 使用不方便。在風(fēng)雨、洪澇災(zāi)害到來時(shí)，現(xiàn)有擋水裝置需要人工安裝到所需地點(diǎn)，險(xiǎn)情結(jié)束后需人工拆除，耗費(fèi)時(shí)間和人力物力；（2） 響應(yīng)不及時(shí)。現(xiàn)有擋水裝置的安裝大多在災(zāi)害發(fā)生過程中，若安裝不及時(shí)，會(huì)有安裝危險(xiǎn)，產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害；（3） 缺乏適用性。由于各區(qū)域需要的擋水面積不同，現(xiàn)有擋水裝置需要專門訂制不同尺寸的框架和擋水板以滿足不同的需求，費(fèi)時(shí)耗力。

2.2 技術(shù)沖突的描述

通過上述問題的分析，可提高裝置的操作性使其易于使用；提高裝置的智能化、自動(dòng)化程度使其響應(yīng)速度快；提升裝置因地制宜的能力使其廣泛應(yīng)用。

優(yōu)化后的擋水板要實(shí)現(xiàn)操作簡易、響應(yīng)快速和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，可從可操作性、智能化、因地制宜的角度來優(yōu)化裝置，但這些優(yōu)化方式會(huì)導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，構(gòu)成技術(shù)沖突。將其轉(zhuǎn)化為TRIZ 提供的通用工程參數(shù)，通過建立TRIZ 參數(shù)模型，確定通用的工程參數(shù)，可進(jìn)一步解決上述問題。

通過分析擋水裝置存在的技術(shù)沖突，可以從39 個(gè)通用工程參數(shù)中遴選出以下幾個(gè)與技術(shù)沖突相關(guān)的參數(shù)［5]：33 號(hào)操作性，即裝置的操作簡便，屬于改善的參數(shù)；38 號(hào)自動(dòng)化水平，即裝置在無人操作的情況下可以實(shí)現(xiàn)其功能，屬于改善參數(shù)；35 號(hào)適應(yīng)性，即裝置在不同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)其功能，屬于改善的參數(shù)；36 號(hào)裝置的復(fù)雜程度，即裝置的形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于劣化的參數(shù)。

2.3 發(fā)明原理的確定

分析確定出與技術(shù)沖突相關(guān)的通用工程參數(shù)［5，8]，在表1中查找技術(shù)沖突矩。

表1 部分技術(shù)沖突矩陣

根據(jù)實(shí)際需要，從技術(shù)沖突矩陣中篩選可用于優(yōu)化的發(fā)明原理：

17 號(hào)一維變多維，24 號(hào)中介，26 號(hào)代用品，28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)的替代，29號(hào)空壓機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)，32 號(hào)改變顏色，37 號(hào)熱膨脹。以上發(fā)明原理不適用于本裝置的優(yōu)化，在此不做考慮。

我們遴選出以下適用于本裝置優(yōu)化的發(fā)明原理：

10 號(hào)動(dòng)作預(yù)置：預(yù)置必要的動(dòng)作、機(jī)能。使用單片機(jī)、迷你電腦板，通過預(yù)設(shè)指令操控裝置的運(yùn)動(dòng)。

12 號(hào)等位性：改變物體的動(dòng)作、作業(yè)狀況。裝置由原來的人工安裝優(yōu)化為自動(dòng)起降。

15 號(hào)動(dòng)態(tài)性：①將物體分割成既可變位又可相互配合的個(gè)數(shù)構(gòu)成要素，然后將裝置進(jìn)行模塊化處理，根據(jù)場合差異使用不同的模塊滿足需求。②使不動(dòng)的物體可動(dòng)或相互交換，可將擋水裝置可以通過形態(tài)的改變轉(zhuǎn)化為工作狀態(tài)。

3 智能化擋水裝置的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

由篩選出的發(fā)明原理對擋水裝置進(jìn)行智能優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見圖1。

該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，將擋水板及安裝基座制作成寬1m 的模塊，為實(shí)現(xiàn)不同模塊兩兩接合，使用卯榫結(jié)構(gòu)。擋水板根部設(shè)有轉(zhuǎn)軸，安裝于基座的軸套中，兩端安裝由電腦控制的伺服電機(jī)［9]，帶動(dòng)擋水板轉(zhuǎn)動(dòng)?；O(shè)有液位傳感器，向電腦板傳輸信號(hào)，當(dāng)水位到達(dá)預(yù)設(shè)高度時(shí)，電腦板向綁定的終端設(shè)備發(fā)出預(yù)警信息，及時(shí)通知相關(guān)人員，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)擋水板立起并自鎖；當(dāng)水位回落，電腦板接收傳感器信號(hào)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使擋水板放置于基座上。

圖1 擋水裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.2 尺寸確定

當(dāng)設(shè)計(jì)方案完成后，對尺寸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和選用。這里分析單個(gè)寬1m的模塊，即b=1m，通過簡化設(shè)計(jì)方案，最終確定出圖2結(jié)構(gòu)。

圖2 設(shè)計(jì)方案的數(shù)學(xué)模型

（1）為保證裝置不影響正常情況下的通行，基座高度應(yīng)低于車輛底盤高度，此處參照減速帶的高度設(shè)計(jì)，取用a=70mm。

（2）為保證擋水板強(qiáng)度，使其不出現(xiàn)變形影響擋水性能，參考現(xiàn)有擋水板材質(zhì)與部分尺寸，取用鋁合金材質(zhì)，ρ=2 700 kg/m3，取用擋水板厚度s=40mm。

（3）為保證擋水板在工作時(shí)保持豎直狀態(tài)，在動(dòng)電機(jī)自鎖時(shí)需承受外界積水及擋水板自重造成的轉(zhuǎn)矩。為最大化利用擋水板，設(shè)擋水板與積水自由液面等高，由此計(jì)算出積水對擋水板作用力：

式（1）中yc為擋水板質(zhì)心至自由液面距離；H為自由液面至擋水板根部距離；A為擋水板面積；g為重力加速度。

力的作用點(diǎn)至自由液面的距離：

式（2）中Icx為擋水板對x軸慣性矩。

積水對點(diǎn)P的轉(zhuǎn)矩：

式（3）中L為力的作用點(diǎn)至基座上表面的距離。

擋水板自重：

擋水板自重對點(diǎn)P的轉(zhuǎn)矩：

電機(jī)自鎖時(shí)需要承受的轉(zhuǎn)矩：

通過上述計(jì)算結(jié)果，模擬出積水深度H與電機(jī)自鎖時(shí)所需承受轉(zhuǎn)矩T之間的函數(shù)關(guān)系，見圖3。

在實(shí)際使用過程中，為保證擋水效果。擋水板的高度應(yīng)比積水深度高10～20mm?？筛鶕?jù)當(dāng)?shù)胤e水深度，參照深度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖，自行選用合適的擋水板與電機(jī)。

4 結(jié)論

基于TRIZ 理論，分析現(xiàn)有擋水裝置不足，建立技術(shù)沖突，根據(jù)技術(shù)沖突矩陣查找解決沖突的發(fā)明原理，篩選出可應(yīng)用于實(shí)際狀況的方案。通過篩選的方案，結(jié)合多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，對現(xiàn)有擋水裝置進(jìn)行智能優(yōu)化，可有效解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中作物所在區(qū)域在遭受水災(zāi)害和雨澇災(zāi)害下易被水淹的問題，有效地保證擋水效果。

圖3 H與T的函數(shù)關(guān)系