房慶柳，李國昉*，陳立東，王逸飛，蔣延金，杜鳳永

(1 河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島，066600；2 河北永發(fā)鴻田農(nóng)機(jī)制造有限公司)

摘果是花生收獲過程中的重要環(huán)節(jié)，摘果裝置廣泛應(yīng)用于聯(lián)合收獲機(jī)和花生摘果機(jī)上。提高花生的摘凈率和降低莢果的破碎率，是優(yōu)化收獲機(jī)械摘果性能的重要途徑[1]。摘果裝置的設(shè)計多采用傳統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行，摘凈率和破碎率等指標(biāo)不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。TRIZ作為一種創(chuàng)新設(shè)計方法，可以提供良好的構(gòu)架和解決問題的方案。利用TRIZ 方法對摘果裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以尋求優(yōu)化的摘果裝置的解決方案。

1 TRIZ創(chuàng)新理論概述

TRIZ集成了各領(lǐng)域解決同類問題的知識和經(jīng)驗，通過系統(tǒng)化地解決問題流程，突破個人知識的局限性，避免思維的慣性。經(jīng)過多年發(fā)展，TRIZ理論逐漸被世界各國所接受，為創(chuàng)新設(shè)計發(fā)展和普及提供了良好的工具和平臺[2，3]。應(yīng)用TRIZ理論，可以把有缺陷的物體、結(jié)構(gòu)、想法等通過創(chuàng)新思維重新設(shè)計出來；利用TRIZ中的工具，如矛盾矩陣中使用的發(fā)明原理、物—場模型中的標(biāo)準(zhǔn)解等，可求出問題的普適解或稱模擬解(Analogous solution)。TRIZ理論非常適合花生摘果裝置等機(jī)械部件的創(chuàng)新設(shè)計。

2 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置現(xiàn)存的問題

農(nóng)業(yè)部對花生收獲機(jī)械摘果作業(yè)的要求是：半喂入聯(lián)合收獲機(jī)的摘凈率在99%以上，破碎率在1%以下；全喂入聯(lián)合收獲機(jī)的摘凈率在98%以上，破碎率在2%以下[4]?？梢妼Π胛谷胧绞斋@機(jī)摘果質(zhì)量要求更高一些，但因其適應(yīng)性較差和生產(chǎn)效率較低，市場占有率較小[3]。全喂入式收獲機(jī)適用于較干的花生，對花生品種和種植要求不高，北方的聯(lián)合收獲機(jī)和兩段撿拾收獲機(jī)上較多采用[5]。我國花生種植面積廣，種植農(nóng)藝各異，花生收獲機(jī)的應(yīng)用有著較強的地域性和農(nóng)藝適應(yīng)性，大多數(shù)摘果裝置只適用于當(dāng)?shù)氐幕ㄉ斋@，不能大面積推廣；有些摘果裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，后期維修和保養(yǎng)困難；有些摘果裝置對莢果的摘凈率和破碎率改善不明顯。廣泛應(yīng)用的軸流式摘果裝置，只配備1個摘果滾筒，機(jī)型較小，生產(chǎn)率較低。隨著花生種植面積的增加和勞動力成本上漲，大幅寬、高生產(chǎn)率的花生收獲機(jī)型需求越來越大。切流滾筒在喂入量、含水率、花生品種等方面都有良好適應(yīng)性，尤其適用于大型花生聯(lián)合收獲機(jī)[6]。

3 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置問題的TRIZ理論分析

摘果裝置的結(jié)構(gòu)決定著摘凈率和莢果破碎率等性能指標(biāo)，直接影響著收獲質(zhì)量。利用TRIZ理論提供的良好構(gòu)架和解決問題的程序，對摘果裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以期解決現(xiàn)有摘果裝置中存在的摘果不凈、莢果破碎率高的問題，圖1為花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置創(chuàng)新問題解決流程。

圖1 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置創(chuàng)新問題解決流程

花生聯(lián)合收獲機(jī)主要包括挖掘、輸送夾持、摘果、分離清選和收集等裝置。摘果裝置是聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵裝置之一，主要由摘果輥和凹板篩組成，摘果輥包含摘果滾筒和摘果齒。圖2是花生聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖和摘果裝置示意圖，其中：a是聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖；b是摘果滾筒結(jié)構(gòu)。

3.1.1功能分析摘果裝置主要包括摘果滾筒、摘果元件、傳動裝置、固定齒、固定齒安裝軸和凹板篩等。花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置系統(tǒng)分析見表1。

表1 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置系統(tǒng)分析

在系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，建立花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的功能模型(圖3)，明確各組件間的相互作用關(guān)系。其中：傳動裝置中摘果滾筒轉(zhuǎn)速和單個滾筒的作用時間，是造成摘果不干凈的最主要的不足因素；固定齒對摘果強度有不足作用。

3.1.2因果分析對摘果裝置進(jìn)行的因果分析表明，摘果不干凈、莢果破碎率高是造成摘果性能差的2個原因，而滾筒摘果時間短、摘果間隙過大是摘果不干凈的原因；摘果滾筒轉(zhuǎn)速過高、摘果元件的材料選擇不合理是莢果破碎率高的原因。深入分析上述4個原因可得出，最根本原因為：單個滾筒導(dǎo)致摘果作用時間短、沒有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致摘果間隙不合理、人力控制不準(zhǔn)確導(dǎo)致摘果滾筒轉(zhuǎn)速太高、摘果元件材料不適導(dǎo)致摘果元件不合理。圖4為花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的因果分析過程。

圖3 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的功能模型

圖4 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的因果分析

3.1.3沖突區(qū)域確定因果分析得到的原因中，推導(dǎo)出摘果裝置中的可控可改變的最根本原因，與最根本原因相關(guān)的沖突區(qū)域即為最終的沖突區(qū)域?；ㄉ?lián)合收獲機(jī)摘果裝置推導(dǎo)出最終的沖突區(qū)域為：提高摘凈率；降低莢果破碎率。

3.1.4理想解分析摘果裝置的最優(yōu)摘果狀態(tài)是最終理想解，但又是很難達(dá)到的狀態(tài)。一般情況下退而求其次，以低于最優(yōu)摘果狀態(tài)的某個水平作為摘果裝置改進(jìn)的目標(biāo)。理想解分析就是為了確定摘果裝置改進(jìn)時能夠達(dá)到的目標(biāo)而進(jìn)行的分析。

通過最根本原因分析，在摘果裝置功能模型上確定2個沖突區(qū)域為提高摘凈率和降低破碎率。圍繞這2個沖突區(qū)域進(jìn)行問題求解，這是摘果裝置改進(jìn)的一般思路，但同時也限定了解的等級不高。為達(dá)到更好的創(chuàng)新設(shè)計要求，需要進(jìn)行理想解分析。本次設(shè)計中的最終理想解為：莢果都摘取下來，莢果沒有破碎。次理想解為：通過調(diào)節(jié)控制摘果的摘凈率和破碎率?；ㄉ?lián)合收獲機(jī)摘果裝置理想解的分析過程見表2。

表2 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置理想解分析過程

3.1.5可用資源分析法解決摘果裝置中的摘凈率不高、莢果破碎率嚴(yán)重等問題時，按照發(fā)明資源的可及性和資源所在區(qū)域?qū)①Y源分為：內(nèi)部資源(沖突區(qū)域內(nèi)部資源)、外部資源(沖突區(qū)域外部系統(tǒng)內(nèi)資源)和超系統(tǒng)資源。通過對花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置中的內(nèi)部和外部資源進(jìn)行分析，確定可用資源，并對可用資源進(jìn)行評價，結(jié)果見表3。

表3 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)部資源、外部資源分析

4 摘果裝置的改進(jìn)設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)計方法是以經(jīng)驗總結(jié)為基礎(chǔ)，運用力學(xué)和數(shù)學(xué)的經(jīng)驗、公式、設(shè)計手冊等作為設(shè)計依據(jù)，通過經(jīng)驗公式、近似系數(shù)等方法進(jìn)行設(shè)計，很容易局限設(shè)計者的思維。應(yīng)用TRIZ理論方法對摘果裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，可以通過矛盾矩陣方法通過對40個發(fā)明原理進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，也可以通過物—場模型方法，利用76個標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行研究[2，3]。本次研究采用矛盾矩陣方法中的39個工程參數(shù)和物—場模型中的6種解法2種創(chuàng)新方法尋求摘果裝置的創(chuàng)新設(shè)計。

4.1 摘果元件的創(chuàng)新設(shè)計

彈齒式摘果元件在弓齒式、釘齒式、板齒式摘果滾筒中廣泛應(yīng)用。原有摘果裝置上，每個方管上間隔設(shè)置有多個U型彈簧，相鄰方管上的U型彈簧交錯設(shè)置；U型彈簧通過壓墊、螺栓固定安裝在方管上。U型彈簧可實現(xiàn)柔性摘果，避免高速撞擊打擊，減少碎果和破果，脫果干凈[8]。

4.2 解決沖突區(qū)域

4.2.1提高莢果的摘凈率的解決方案

方案1：矛盾矩陣方法

現(xiàn)今摘果裝置中的摘凈率和破碎率不能滿足使用要求，為了提高摘凈率，一般提高滾筒的轉(zhuǎn)速，但單滾筒摘果裝置中，花生秧蔓在滾筒中停留時間短，摘果元件的作用弱，從而導(dǎo)致莢果不完全摘凈。利用矛盾矩陣方法中的39個通用工程參數(shù)分析，得出改善參數(shù)為速度(No.9)和惡化參數(shù)為運動物體的作用時間(No.15)[6，7]。

結(jié)合矛盾矩陣，得到3條發(fā)明原理來解決這個矛盾，分別是：(No.3)局部質(zhì)量原理、(No.5)組合原理、(No.35)物理和化學(xué)參數(shù)改變原理[9～11]。運用組合原理，在不減少滾筒作用時間的前提下，將滾筒副增加到3個；每個滾筒副的速度逐次降低，使得摘果性能達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。每個滾筒副都包含1個摘果輥和1個凹板篩，摘果輥上有摘果滾筒和彈齒式摘果元件，凹板篩上有固定齒和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改進(jìn)的花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置簡圖見圖5。

圖5 改進(jìn)后的花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果滾筒

方案2：物—場模型分析

通過TRIZ理論中的物—場分析方法對摘果裝置進(jìn)行研究，先建立花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型(圖6)。

假設(shè)摘果裝置通過恒定的機(jī)械作用把莢果摘取下來。因花生品種和收獲時間不同，花生秧果物料特性不同，固定的摘果間隙不能滿足物性不同的花生摘取，導(dǎo)致摘凈率不高。采用第6種解法[7]，即通過引入第3種物質(zhì)并增加另外1個場來強化摘果性能，利用物—場分析的標(biāo)準(zhǔn)解尋求對摘果裝置的摘凈率不高的問題。

根據(jù)所建問題的物質(zhì)—場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為No.15(S2.1.2 雙物—場模型)。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解決方案為通過引入新的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和場F2來增強F1的作用[12]。改進(jìn)之后花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型見圖7。

加入1個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，摘果裝置可以滿足不同地區(qū)、不同品種的花生莢果類型，改善摘果不凈的問題(圖7)。圖8是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在固定齒的安裝軸上，通過改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)把手的位置即可確定適當(dāng)?shù)恼g隙。

圖6 原有花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型 圖7 改進(jìn)后的花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型

圖8 花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置加入的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1 調(diào)節(jié)把手；2 調(diào)節(jié)板；3 把手固定板；4 把手調(diào)節(jié)孔

4.2.2降低莢果的破碎率解決方案當(dāng)摘果滾筒的轉(zhuǎn)速超過一定界限時，莢果的破碎率也會隨之增加。假設(shè)摘果裝置以高速將大部分莢果都摘下來，摘凈率滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但莢果破碎率也逐漸增大。采用第2種解法[7]，通過引入第3種物質(zhì)并增加另外1個場來強化有用效應(yīng)，利用物—場分析的標(biāo)準(zhǔn)解來解決莢果破碎率。

先建立原有花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型圖(圖9)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為No.9(S1.2.1引入S3消除有害效應(yīng))。對標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行分析可知，摘果裝置存在莢果破碎率高的危害作用，又無法限制傳動裝置對莢果的作用，在二者間引入監(jiān)測系統(tǒng)以消除有害作用，保證速度和摘果間隙滿足摘果性能的要求。

改進(jìn)之后的花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置物質(zhì)—場模型見圖10。

圖9 原有花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型 圖10 改進(jìn)后的花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果裝置的物—場模型

創(chuàng)新設(shè)計后的摘果裝置包括3個摘果滾筒副、傳動裝置和監(jiān)測系統(tǒng)。摘果副中包含摘果滾筒和凹板篩，摘果滾筒上有彈性摘果齒；凹板篩上有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、固定齒和固定齒角度調(diào)整軸?；ㄉ砺邢蜻M(jìn)入摘果滾筒，經(jīng)過摘果元件和底部凹板篩的固定齒的刷拉，使得莢果從秧蔓上分離。底部凹板篩的固定軸調(diào)整機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)摘果強度，防止莢果破碎嚴(yán)重。第1個摘果滾筒轉(zhuǎn)速最快，摘果強度最高，后續(xù)摘果滾筒的轉(zhuǎn)速逐漸降低，花生莢果、碎秧和土塊經(jīng)凹板篩落入振動篩進(jìn)行清選。在摘果滾筒內(nèi)部安裝監(jiān)測設(shè)備，保證摘果速度滿足摘果性能的要求，效果有待以后驗證。

5 結(jié)論與討論

通過利用TRIZ對摘果裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，采用了技術(shù)矛盾方法和物-場模型方法，對現(xiàn)有摘果裝置所存在的問題進(jìn)行分析，得到了解決問題的方案，為了提高莢果摘凈率高的問題，通過矛盾矩陣方法得出3個滾筒副組合和利用物—場模型的第6種解法增加1個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計；為了降低莢果破碎率高這一難題，通過物—場模型的第6種解法增加1個監(jiān)測設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計。本次進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計其效果有待今后實踐檢驗。