付 敏，井永晉，李榮峰，李 萌

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

0 引言

農作物秸稈由皮、穰和葉構成。秸稈皮的主要成份是纖維素和木質素，可作為造紙、人造板的原材料，秸稈穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、糖和半纖維素等，生物降解性能優(yōu)良，可作為飼料原料，還可用于生產生物乙醇、沼氣等生物質能源。秸稈皮、穰、葉分離后能夠各施其長，實現(xiàn)高價值精細化利用[1]，[2]。

我國科研人員對秸稈皮穰分離開展了相關研究。張洪建[3]設計的玉米秸稈皮、穰、葉分離機采用除葉齒板對秸稈葉進行打擊、梳刷、搓擦，除葉后的莖稈被剖切，再由分展器展開進行剝穰處理。任德志[4]，[5]研制的玉米秸稈皮穰分離機采用除葉機除葉，通過碾壓秸稈彈塑變形后由輥齒揭開秸稈外皮，再經剪切機構切段后由分離機實現(xiàn)皮穰分離。李平凡[6]通過搓擦去除秸稈葉，通過劈展刮削的方式去除秸稈穰。劉一清[7]采用持續(xù)碾壓和揉搓方式將秸稈葉和穰碾碎去除，保留秸稈皮。周景輝[8]通過送料-劈開-展平-分刀軸出穰等工序完成秸稈去皮。李利橋[9]采用剖穰和碾壓后風選的方式實現(xiàn)了秸稈皮穰分離。

目前，秸稈高品質精細化利用的市場需求已經顯現(xiàn)，但現(xiàn)有設備的生產能力、分離效率和性能水平還有待提高，亟需開展相關設備的設計研究。本文以提高秸稈皮穰分離效率、實現(xiàn)皮、穰、葉的分類收集且不破壞秸稈強度為目標，基于發(fā)明問題解決理論（TRIZ）進行秸稈皮穰分離機設計，提出了去除秸稈葉-切開秸稈皮-刮除秸稈穰-分類收集的作業(yè)方式，并應用TRIZ工具分別對喂入機構、除葉機構、定位機構、切割結構、夾持機構、去穰機構和收集機構進行創(chuàng)新設計。

1 TRIZ簡介

TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（G S Altshuller）建立的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法[10]。TRIZ包含了一整套用于分析問題、解決問題的工具，可以幫助研發(fā)人員突破思維定勢，從不同維度觸發(fā)靈感，超越自我認知和物理界限，在更廣闊的領域尋找解決方案。應用TRIZ可以克服傳統(tǒng)經驗、類比設計的局限，通過系統(tǒng)化、結構化、簡單化的TRIZ工具輔助設計，獲得高質量、多層次的創(chuàng)新方案集；TRIZ是創(chuàng)新指南針，沿著TRIZ指引的路徑，可以大大縮短研發(fā)周期，減少無效勞動和資源消耗 [11]。

TRIZ的理論體系可分為5大模塊（圖1）：突破慣性思維的方法、分析問題的工具體系、解決問題的工具體系、技術系統(tǒng)進化法則以及發(fā)明問題解決算法ARIZ[12]。

2 秸稈皮穰分離機功能需求分析及工藝流程確定

2.1 秸稈皮穰分離機功能需求分析

總功能：分離秸稈皮和秸稈穰。

圖1 TRIZ的理論體系Fig.1 Theoretical system of TRIZ

子功能：輸送秸稈、去除秸稈葉、定位無葉秸稈、切割無葉秸稈、夾持無葉秸稈、刮除秸稈穰、分離收集皮、穰、葉。

秸稈皮穰分離機須要實現(xiàn)秸稈皮、穰、葉的分離和分類收集的功能。將秸稈喂入裝置后先將秸稈葉去除，之后剖切秸稈皮、刮除秸稈穰并分類收集；為實現(xiàn)精準作業(yè)，還須要定位和夾持秸稈功能。

2.2 秸稈皮穰分離工藝流程

基于功能需求分析確定秸稈皮穰分離作業(yè)的工藝流程如圖2所示。

圖2 秸稈皮穰分離工藝流程Fig.2 Process for stalk bark-flesh separation

將原料秸稈喂入裝置后，先去除秸稈外葉，之后對無葉秸稈進行定位、切割，再通過夾持機構移動秸稈至去穰機構實現(xiàn)秸稈皮、穰分離，最后對分離的秸稈皮、穰、葉分類收集。

本文將應用TRIZ工具針對工藝流程中涉及的喂入機構、除葉機構、定位機構、切割結構、夾持機構、去穰機構和收集機構進行創(chuàng)新設計。

3 基于TRIZ的秸稈皮穰分離機概念設計

3.1 原型系統(tǒng)工作原理及存在的問題

經文獻調研，選擇專利“玉米秸稈皮穰葉分離裝置”[13]為參考原型系統(tǒng)（圖3），其工作原理：喂入臺將秸稈喂入碾壓喂入輥進行碾壓，在擋料板的引導作用下進入除葉盤進行除葉，無葉秸稈再經碾壓夾持輥進一步碾壓，使秸稈皮與秸稈穰的結合狀態(tài)遭到破壞，劃皮輥將發(fā)生變形的秸稈劃成條狀，再由切割輥將條狀秸稈進行剪切，最后使用風機將混合物進行分離。但是，碾壓作業(yè)會降低秸稈皮的強度，不利于后續(xù)利用，而且秸稈皮穰未分類收集，須增加分離工序。

圖3 原型系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the prototype system

3.2 喂入機構設計

喂入機構的作用是將秸稈原料有序送入裝置內，以便后續(xù)作業(yè)。

3.2.1 應用TRIZ的IFR分析求解

最終理想解IFR（Ideal Final Result）是TRIZ中通過突破思維慣性進而解決問題的工具，本文中IFR的解題流程如下所示。

①設計的最終目標是什么？秸稈全部輸送至除葉裝置內。

②IFR是什么？秸稈自己移動到除葉裝置內。

③達到IFR的障礙是什么？秸稈自身不具備移動能力。

④出現(xiàn)這種障礙的原因是什么？秸稈自重輕，缺乏移動力。

⑤不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么？秸稈自身具有向前移動的初速度。

⑥創(chuàng)造這些條件，有哪些可利用的資源？可用資源分析見表1。

表1 資源分析表Table 1 Resource analysis list

由子系統(tǒng)物質資源“喂入輥”提出概念解1：在喂入輥上設計螺旋凸起，可以對秸稈起到一定的導向作用，還可以增大秸稈與喂入輥之間的摩擦力，防止秸稈打滑。

由子系統(tǒng)的空間資源“入料口大小”提出概念解2：在喂入臺設置推動架，當遇到較大尺寸秸稈時，可以通過推動架將秸稈推入機器內。

由子系統(tǒng)的物質資源“喂入通道”提出概念解3：采用8條喂入通道的方式進行秸稈的喂入，通過提高喂入秸稈數(shù)量來提高裝置的工作效率。

3.2.2 喂入機構組成及工作原理

圖4為喂入機構示意圖。從圖4可以看出，喂入機構由喂入臺1、電機2、聯(lián)軸器3、推動架4、喂入通道5和喂入輥6等組成，喂入輥位于八條喂入通道的下方。將秸稈原料放置在喂入平臺上，由旋轉的喂入輥帶動秸稈沿著喂入通道進入裝置內。當秸稈截面較大時，通過機架側面的推動架將大截面秸稈推入機器內。

圖4 喂入機構示意圖Fig.4 Schematic diagram of feedingmechanism

3.3 除葉機構設計

除葉機構的作用是去除秸稈葉子，以利于秸稈皮、穰、葉的分類收集。原型系統(tǒng)的除葉機構采用傳動軸帶動除葉盤等速同向旋轉，通過摩擦秸稈葉達到去除外葉的目的，但存在莖、葉分離不夠徹底、分離效率低的問題。

3.3.1 應用TRIZ的功能分析與物場模型求解

①技術系統(tǒng)名稱：除葉機構。

②主要功能：去除秸稈葉。

③功能客體（系統(tǒng)作用對象）：秸稈葉。

④系統(tǒng)組件：除葉盤、機架、傳動軸、電機；超系統(tǒng)組件：秸稈。

⑤建立功能模型（圖5）。

圖5 除葉盤功能模型圖Fig.5 Function Model of the leaf removal disc

⑥構建問題物場模型。

由圖5構建如圖6所示的問題物場模型，即除葉盤對秸稈葉的摩擦去除作用不足。

圖6 除葉盤問題物場模型圖Fig.6 Substance-field model of the leaf removal disc problem

⑦求解物場模型。

由TRIZ標準解S2.2.1 -用更可控的物場來增強問題物場模型中的有益摩擦作用，得到如圖7（a）所示的求解模型，提出概念解4：通過上、下兩個反向電機改變除葉盤的轉動方向以實現(xiàn)等速反向旋轉，形成線速差提高除葉效率。由TRIZ標準解S2.1.1-鏈式物場模型增強有益摩擦作用，得到如圖7（b）所示的求解模型，提出概念解5：通過在除葉盤上安裝摩擦塊，可增強對秸稈的摩擦力。

圖7 除葉盤物場模型求解圖Fig.7 Substance-fieldmodelof the leaf removal disc solving

3.3.2 除葉機構組成及工作原理

除葉機構如圖8所示。從圖8可以看出，除葉機構由除葉盤1、摩擦塊2、上除葉盤電機3、萬向聯(lián)軸器4、上傳動軸5、下傳動軸6和下傳動電機7等組成。每組除葉組件包括兩個上、下布置的除葉盤，除葉盤上通過螺釘連接有6個摩擦塊，便于拆卸和更換。上傳動電機通過萬向聯(lián)軸器帶動上傳動軸順時針旋轉，下傳動電機帶動下傳動軸逆時針旋轉，從而使得上、下除葉盤等速反向旋轉。秸稈由喂入輥帶動并通過喂入通道進入除葉盤內，在摩擦力作用下將秸稈葉撕扯剝離。

圖8 除葉機構結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of the leaf removingmechanism

3.4 定位機構設計

定位機構的作用是固定秸稈的位置，以便后續(xù)精準地切割秸稈。原型系統(tǒng)采用導向板實現(xiàn)秸稈定位，定位精準度有待提高。

3.4.1 應用TRIZ的物場分析求解

問題物場模型見圖9（a），即導向板對秸稈的引導作用不足。應用TRIZ標準解S2.1.1-鏈式物場模型來增強對無葉秸稈的引導作用，解決方案模型見圖9（b），由此提出概念解6：由托輥與開有V型槽的定位輥配合實現(xiàn)對無葉秸稈的定位。

圖9 定位機構的物場模型Fig.9 Substance-fieldmodelof the positioningmechanism

3.4.2 定位機構組成及工作原理

圖10為定位機構的示意圖。從圖10可以看出，定位機構由定位輥1、定位盤2和定位托輥3組成。定位輥上有8個V型槽結構的定位盤，定位盤與下方托輥形成的封閉空間可容納一根秸稈，對每根秸稈起定位和支撐作用；定位托輥上設置有橫向槽，以增大摩擦力，更有利于秸稈的輸送。在托輥轉動作用下將無葉秸稈送入后續(xù)的切割機構中。

圖10 定位機構結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of positioningmechanism

3.5 切割機構設計

切割機構的作用是沿著秸稈軸長方向將秸稈剖切開，以便于后續(xù)的刮除秸稈穰作業(yè)。

3.5.1 應用TRIZ發(fā)明原理求解

基于NO.5組合原理提出概念解7：將圓周回轉式刀片通過螺釘連接安裝在刀座上，切割輥不僅能提供旋轉的切力也能夠增大縱向壓力增強切割效果。

3.5.2 切割機構組成及工作原理

圖11為切割機構的示意圖。從圖11可以看出，切割機構由切割托輥1、切割輥2、切割盤3、圓周回轉式刀片4和連接螺釘5等組成。無葉秸稈進入定位機構后，由切割輥帶動8組切刀將秸稈沿著軸長方向剖切為兩半。

圖11 切割機構示意圖Fig.11 Schematic diagram of cuttingmechanism

3.6 夾持機構設計

夾持機構的作用是夾持、移動秸稈。原型系統(tǒng)通過碾壓夾持輥在秸稈兩側產生的擠壓力來實現(xiàn)對秸稈的夾持，但存在秸稈莖的強度遭到破壞的問題。

3.6.1 應用TRIZ的功能分析

圖12為原型系統(tǒng)夾持機構的功能模型。原型系統(tǒng)夾持機構存在的主要功能缺陷是：碾壓夾持輥夾持力不足；秸稈對碾壓夾持輥的有害磨損作用；碾壓夾持輥對機架的有害振動作用。

圖12 碾壓夾持輥功能模型Fig.12 Functionmodel of the rolling nip roller

3.6.2 應用TRIZ功能裁剪求解

選擇裁剪組件：碾壓夾持輥。

裁剪依據：碾壓夾持輥對機架存在有害的振動作用。

分析其有用功能：夾持無葉秸稈。

應用裁剪規(guī)則四“裁剪組件的有用功能由系統(tǒng)外的組件替代完成”[14]，提出概念解8：采用機械手對無葉秸稈進行夾持，避免因秸稈直徑尺寸不同而產生的夾持不牢固問題，提高了夾持裝置的適應性和穩(wěn)定性，同時爪壁采用橡膠材料，提高了接觸面的摩擦系數(shù)。

3.6.3 應用TRIZ進化法則求解

TRIZ動態(tài)性進化法則指出，技術系統(tǒng)的進化應該沿著結構柔性、可移動性和可控性增加的方向發(fā)展，以適應環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化[10]。

為提高夾持機構的可控性，提出概念解9：通過安裝紅外感應器，利用光線折射原理實現(xiàn)對秸稈的抓取、移動等動作的自動控制。

為提高夾持機構的可移動性，提出概念解10：通過電機帶動齒輪和齒條來實現(xiàn)夾持機構的前、后直線運動，再通過連桿機構實現(xiàn)機械手的上、下運動。

3.6.4 夾持機構組成及工作原理

圖13為夾持機構的示意圖。從圖13可以看出，8個夾持裝置沿機架的寬度方向并列設置，各夾持裝置中心線與定位機構輥槽中心線、切割機構輥槽中心線保持一致，以保證秸稈沿機架長度方向的位置不發(fā)生偏移。紅外感應器檢測到秸稈從切割機構中移動出來，發(fā)出指令控制機械手向下伸長抓取夾持秸稈，繼而在齒輪和齒條的帶動下向前運動，與后續(xù)去穰工序相配合去除秸稈穰。

圖13 夾持機構示意圖Fig.13 Schematic diagram of clampingmechanism

3.7 去穰機構設計

去穰機構的作用是去除秸稈穰，進而實現(xiàn)秸稈皮穰分離。原型系統(tǒng)中無單獨的秸稈去穰機構，本文應用TRIZ的功能導向搜索求解可行的工作原理。

3.7.1 應用功能導向搜索求解

功能導向搜索（Function-Oriented Search，F(xiàn)OS）的主要思想是以技術系統(tǒng)實現(xiàn)的功能為目標，借鑒其它領域功能類似系統(tǒng)的解決方案來解決問題[15]。

①定義關鍵問題：須要將秸稈皮穰進行分離，但沒有適合的工具來提高分離效率。

②闡述改善功能：提高秸稈皮穰分離效率。

③確定所需參數(shù)：秸稈處理量為2 t/h，秸稈皮穰分離率大于95%。

④泛化功能：分離秸稈皮和穰。

⑤尋找領先領域：西瓜、火龍果等水果在挖取果實時需執(zhí)行類似功能，在該領域將穰與皮分離是一個核心問題。

⑥篩選合適技術：最常用的方法是通過勺狀工具將內穰剖出，可利用該方法將秸稈皮穰進行分離。

通過FOS提出概念解11：在刮穰輥上設置8組刮穰刀具，每組沿圓周均布有6對刮穰刀片，刮穰刀片通過螺栓連接在刀座上。每對刀片同時對已被剖切為兩半的秸稈進行刮穰作業(yè)。

3.7.2 去穰機構組成及工作原理

圖14為去穰機構的示意圖。當秸稈被切割機構剖切后，機械手將被切成兩半的秸稈送至刮穰機構處，秸稈穰在旋轉刀具作用下被刮除，從而實現(xiàn)秸稈皮與秸稈穰的分離。刮穰刀與刮穰輥采用螺栓連接，以便于拆卸和更換。

圖14 去穰機構結構示意圖Fig.14 Schematic diagram of the flesh removingmechanism

3.8 收集機構設計

收集機構的作用是分類收集秸稈皮、穰、葉。

3.8.1 應用TRIZ的金魚法求解

TRIZ中金魚法可以將思維慣性帶來的想法重新定位和思考，有助于將幻想式的解決構想轉變成切實可行的構想，本文中金魚法的求解流程如下所示。

①問題現(xiàn)實和幻想是什么？現(xiàn)實是皮穰不易分類收集；幻想是皮穰能夠自己分類收集。

②幻想部分為什么不能實現(xiàn)？皮穰分離后處于混合狀態(tài)。

③幻想部分如何變?yōu)楝F(xiàn)實？皮穰分離后利用重力自動落入相應的收集機構內。

④有哪些可利用的資源？機架結構、機械場和重力場。

由物質資源“機架結構”提出概念解12：通過改變機架自身結構，設置能夠收集秸稈皮的裝置，節(jié)約成本。

由能量資源“重力場”提出概念解13：讓實現(xiàn)分離后的物料在重力作用下自由落體進入收集裝置內，再通過刀具旋轉，使物料具有一定初速度從分離機構中拋出至下方傾斜板實現(xiàn)自動收集物料的目的。

3.8.2 收集機構組成及工作原理

收集機構包括皮、穰、葉的收集裝置。秸稈皮落入夾持機構后下方的傾斜收皮臺，秸稈穰在旋轉刮刀的作用下拋入傾斜的收穰臺，秸稈葉落入機架下方后由工人打掃清除，以此實現(xiàn)秸稈皮、穰、葉的分類收集。

4 整機結構及工作原理

綜合各概念解創(chuàng)新設計的秸稈皮穰分離機如圖15所示。秸稈通過喂入臺在喂入輥的作用下進入除葉機構，當秸稈截面較大時，可以通過推動架將其推入機器內；上、下除葉盤等速反向旋轉將葉子撕扯剝離；除葉后的秸稈進入定位切割機構，沿著秸稈軸長方向剖切為兩半；當夾持機構中的紅外感應器檢測到秸稈，發(fā)出指令控制機械手向下伸長抓取夾持秸稈并向前移動，通過刮穰機構去除秸稈穰并拋入秸稈穰收集臺；當秸稈移動至行程終點，機械手松開秸稈皮將其落入下方的秸稈皮收集臺。

圖15 秸稈皮穰分離機的三維結構示意圖Fig.15 Three-dimensional structural diagram of the stalk bark-flesh separationmachine

5 結論

為實現(xiàn)秸稈的高品質精細化利用，本文基于TRIZ理論進行秸稈皮穰分離機的概念設計，提出了“去除秸稈葉-切開秸稈皮-刮除秸稈穰-分類收集”的加工方式，可在實現(xiàn)秸稈皮穰分離的同時，不破壞秸稈皮的力學性能；采用單株整稈的皮穰葉分離方式，通過定量分道式喂入，實現(xiàn)精準除葉、定位、切割、去穰作業(yè)；分別設置有秸稈皮、穰、葉出料處，可實現(xiàn)分類收集。在產品概念設計階段應用TRIZ理論，可以輔助設計人員尋找新思路、新方法，獲得高質量、多層次的創(chuàng)新方案。