韓 錳 ， 王成軍 ， 朱 韜

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

農(nóng)作物秸稈是含有大量養(yǎng)分的生物質(zhì)資源，充分利用秸稈資源有利于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展[1]。我國(guó)擁有豐富的秸稈資源，但人工回收存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作時(shí)間長(zhǎng)、易散捆等問(wèn)題，秸稈打捆機(jī)作為專用的秸稈回收機(jī)械能有效提高回收效率，且成捆質(zhì)量更高[2]。

國(guó)內(nèi)已有多位學(xué)者針對(duì)圓捆打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)做了相關(guān)研究。雷軍樂(lè)等[3]對(duì)喂入裝置增加碾壓對(duì)輥和雙喂入輥?zhàn)?，提高其喂入能力，解決喂入不暢甚至堵塞的問(wèn)題；高東明等[4]設(shè)計(jì)了一種對(duì)數(shù)螺線式壓捆裝置，由預(yù)壓機(jī)構(gòu)和二次壓捆機(jī)構(gòu)組成。但目前國(guó)內(nèi)學(xué)者涉及可變室打捆機(jī)的研究較少，為解決鋼輥式圓捆打捆機(jī)壓捆室直徑不可變的問(wèn)題，課題組基于TRIZ理論設(shè)計(jì)了一種可變室圓捆打捆機(jī)。

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ的英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems，中文翻譯為“發(fā)明問(wèn)題的解決理論”，由以前蘇聯(lián)的阿奇舒勒（G.S.Altshuler）為首的專家通過(guò)研究專利文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)新規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上建立的解決創(chuàng)造發(fā)明問(wèn)題的方法。TRIZ的基本含義就是解決實(shí)際的發(fā)明問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)和管理上的創(chuàng)新。TRIZ的理論體系主要包括8大進(jìn)化法則、最終理想解IFR、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)、阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和4大分離原理、物-場(chǎng)模型分析和發(fā)明問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解法等多個(gè)方面[5]。

2 問(wèn)題描述

現(xiàn)有的圓捆打捆機(jī)多為牽引式，且國(guó)內(nèi)多數(shù)圓捆打捆機(jī)僅能形成單一直徑的圓草捆，若要形成直徑不同的圓草捆需更換不同型號(hào)的打捆機(jī)，這一操作會(huì)大大降低工作效率，且操作不便。若一種型號(hào)的打捆機(jī)可實(shí)現(xiàn)成形直徑不同的圓草捆，可解決這一問(wèn)題。因此，需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)出一種可變室打捆機(jī)，以此解決形成的圓草捆直徑單一的問(wèn)題。

3 問(wèn)題分析

3.1 壓捆室功能分析

在TRIZ中，功能分析能將抽象問(wèn)題具體化。本研究依次通過(guò)組件分析、相互作用分析、功能建模3個(gè)步驟分別識(shí)別技術(shù)系統(tǒng)及其超系統(tǒng)組件，找出組件間相互作用關(guān)系，評(píng)估組件間執(zhí)行功能。

3.1.1 組件分析

通過(guò)組件模型分析當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系及其主要功能，找出當(dāng)前系統(tǒng)的超系統(tǒng)、子系統(tǒng)及子子系統(tǒng)等，為下一步進(jìn)行各組件間相互作用分析作鋪墊。壓捆室組件分析模型如表1所示，其當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)為壓捆室，主要功能是形成圓草捆。

3.1.2 相互作用分析

當(dāng)兩個(gè)組件相互作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相互作用，相應(yīng)地，也會(huì)產(chǎn)生某種功能。根據(jù)表1的內(nèi)容，繪制壓捆室的相互作用矩陣，如圖1所示，通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)一步分析，得出各組件間的功能屬性，如表2所示。

表2 壓捆室組件功能分析

3.1.3 系統(tǒng)功能建模

根據(jù)對(duì)圓捆打捆機(jī)的組件分析及相互作用分析，分析結(jié)果如表1、圖1、表2所示。在上述基礎(chǔ)上對(duì)壓捆室進(jìn)行功能建模，如圖2所示，由功能模型圖可看出鋼輥和放捆機(jī)構(gòu)壓迫機(jī)架，會(huì)造成機(jī)架損傷；鋼輥對(duì)軸承產(chǎn)生過(guò)度擠壓，且形成草芯時(shí)存在不足。

圖2 壓捆室組件功能模型圖

3.2 壓捆室因果軸分析

TRIZ中因果軸分析是通過(guò)尋找問(wèn)題產(chǎn)生的原因，找出整個(gè)原因鏈，分析初始缺陷和底層缺陷之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而找到解決問(wèn)題的突破口。通過(guò)對(duì)壓捆室功能進(jìn)行分析，進(jìn)一步采用因果軸分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，如圖3所示。

圖3 壓捆室的因果軸分析

通過(guò)壓捆室功能分析和因果軸分析，得出壓捆室直徑不可變的兩個(gè)問(wèn)題：?jiǎn)栴}1，鋼輥?zhàn)陨眢w積過(guò)大使得重量增加，導(dǎo)致其不易移動(dòng)；問(wèn)題2，安裝鋼輥的位置度不足和鋼輥不可移動(dòng)，導(dǎo)致形成的圓草捆直徑不可變。

4 問(wèn)題解決

4.1 技術(shù)矛盾分析

問(wèn)題1：鋼輥?zhàn)陨眢w積過(guò)大使得重量增加，導(dǎo)致其不易移動(dòng)。

現(xiàn)有的鋼輥設(shè)計(jì)為空心式，但鋼輥強(qiáng)度存在不足，且圓形表面鋼輥卷捆效率較低。解決方法：建立矛盾矩陣表，找出惡化參數(shù)和改善參數(shù)，如表3所示，具體解決方案描述如下。

表3 技術(shù)矛盾矩陣

分割原理1（a.將物體分成獨(dú)立的部分；b.使物體成為可拆卸的；c.增加物體的分割程度）：將鋼輥分為幾個(gè)空心部分，加裝內(nèi)軸連接。

改變特征原理35（這里包括的不僅是簡(jiǎn)單的過(guò)渡，例如從固態(tài)過(guò)渡到液態(tài)，還有向“假態(tài)”和中間狀態(tài)的過(guò)渡，例如采用彈性固體）：將鋼輥由圓形改為方形空心狀。

廉價(jià)品替代原理27（用一組廉價(jià)物體代替一個(gè)昂貴物體，放棄某些品質(zhì)如持久性）：用塑料制輥?zhàn)哟驿撦仭?/p>

復(fù)合材料原理40（由同種材料轉(zhuǎn)為混合材料）：用鋁合金代替鋼加工制作輥?zhàn)印?/p>

由上述發(fā)明原理，可提出方案1：使用比鋼密度更小的材料加工制作輥?zhàn)?；方?：將鋼輥由一體化改成內(nèi)外嵌合式，并在鋼輥中間添加輻板。

4.2 物-場(chǎng)模型分析

問(wèn)題2：形成的圓草捆直徑不可變。

解決方法：利用物-場(chǎng)模型解決，通過(guò)引入其他場(chǎng)代替現(xiàn)有的場(chǎng)或直接引入一個(gè)場(chǎng)以達(dá)到最終目標(biāo)。由于鋼輥式圓捆打捆機(jī)的鋼輥是不可移動(dòng)的，故導(dǎo)致打捆機(jī)形成圓草捆的壓捆室大小不可變。通過(guò)物-場(chǎng)模型引入液壓場(chǎng)，加裝液壓推桿，將液壓推桿與鋼輥末端固定連接。通過(guò)液壓馬達(dá)控制液壓推桿的行程，進(jìn)而控制鋼輥移動(dòng)改變壓捆室大小，物-場(chǎng)模型如圖4所示。

圖4 壓捆室物-場(chǎng)模型

通過(guò)在壓捆室上加裝液壓推桿得到方案3、方案4和方案5。其中，方案3是在壓捆室四周加裝液壓推桿，將其與鋼輥末端配合控制鋼輥移動(dòng)，壓捆室為一體化；方案4是在壓捆室側(cè)面加裝液壓推桿，由此控制鋼輥移動(dòng)進(jìn)而控制壓捆室直徑，壓捆室由前壓捆室和后壓捆室組成；方案5是在鋼輥內(nèi)部添加液壓推桿控制鋼輥直徑，來(lái)改變壓捆室大小。

5 方案評(píng)價(jià)與實(shí)施

5.1 方案評(píng)價(jià)

方案1和方案2對(duì)輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，方案1改變了制作輥?zhàn)拥牟牧?，在降低密度的同時(shí)減輕重量，但強(qiáng)度問(wèn)題仍未解決；方案2將輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)為內(nèi)外嵌合的一體式，減輕輥?zhàn)又亓?，減小對(duì)機(jī)架的壓力，在內(nèi)外輥?zhàn)娱g添加輻板可保證輥?zhàn)訌?qiáng)度。

方案3~5針對(duì)打捆機(jī)變直徑問(wèn)題提出了不同的解決方案。方案3在壓捆室四周添加變直徑裝置雖然可以改變壓捆室直徑，但精確性不足，安裝不便，成本較高；方案4在壓捆室側(cè)面安裝液壓推桿，相較于方案3安裝控制方便，精確性高；方案5在輥?zhàn)觾?nèi)部添加變直徑裝置，理論上可改變壓捆室直徑，但各個(gè)輥?zhàn)娱g距離過(guò)大，形成草芯較為困難。

5.2 方案實(shí)施

通過(guò)上述的問(wèn)題分析、問(wèn)題解決和方案評(píng)價(jià)得出壓捆室最終設(shè)計(jì)方案由方案2和方案4組成。最終設(shè)計(jì)的壓捆室三維圖如圖5所示，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可變直徑壓捆室。當(dāng)圓草捆直徑與壓捆室最小直徑相等時(shí)，液壓推桿控制鋼輥移動(dòng)，使壓捆室逐漸增大繼續(xù)形成圓草捆，草捆達(dá)到預(yù)設(shè)密度后草捆卸載裝置卸載草捆，完成一次成捆作業(yè)。

圖5 可變室壓捆室結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)論

針對(duì)圓捆打捆機(jī)壓捆室直徑不可變的問(wèn)題，課題組利用TRIZ理論對(duì)壓捆室進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。闡述了目前圓捆打捆機(jī)存在的問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ分析工具得出圓捆機(jī)壓捆室直徑不可變的原因，通過(guò)TRIZ求解工具得到相應(yīng)的解決方案，最終通過(guò)方案評(píng)價(jià)得出由方案2和方案4組合形成的可變室壓捆室。

課題組創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可變室壓捆室相對(duì)于傳統(tǒng)的壓捆室，可形成不同直徑的圓草捆，提高了圓捆打捆機(jī)的工作效率，為之后研究可變室圓捆打捆機(jī)提供思路。