基于TRIZ理論對(duì)農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)用研究

寧德奎　呂　俊

（云南新天力機(jī)械制造股份有限公司，云南　安寧　650300）

基于TRIZ理論對(duì)農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)用研究

寧德奎呂俊

（云南新天力機(jī)械制造股份有限公司，云南安寧650300）

農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品是為了滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)才產(chǎn)生的，按照不同的農(nóng)藝要求制訂出不同的功能和結(jié)構(gòu)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。針對(duì)此，基于TRIZ（發(fā)明問題的解決理論）的創(chuàng)新理論解決流程，以提高本公司現(xiàn)生產(chǎn)的甘蔗種植機(jī)的性能為例，進(jìn)行產(chǎn)品的改良研究，應(yīng)用Pro/I建立了甘蔗種植機(jī)的功能結(jié)構(gòu)模型：通過功能價(jià)值分析，對(duì)系統(tǒng)組件進(jìn)行裁剪；通過因果分析和資源分析確定了解決問題的入手點(diǎn)和解決問題所能借助的有用資源；通過技術(shù)矛盾、物理矛盾分析、知識(shí)庫查詢類比、物場分析、S曲線+進(jìn)化路徑得出了多種解決問題的方案；通過評(píng)價(jià)模型、方案評(píng)價(jià)得出了最終方案，為公司帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

甘蔗種植機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；TRIZ理論

種植是甘蔗生產(chǎn)過程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大和最重要的環(huán)節(jié)之一［1］，目前甘蔗播種環(huán)節(jié)主要是采用機(jī)械開行、人工播種［2］，雖然在勞動(dòng)強(qiáng)度方面已經(jīng)有了一定的改善，但相對(duì)于機(jī)械全程化來說，還沒達(dá)到立竿見影的效果。加之近兩年來國家政策越來越關(guān)注農(nóng)村的發(fā)展，農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)有了大輻度提高，農(nóng)民的生產(chǎn)方式越來越趨于現(xiàn)代化，甘蔗種植機(jī)械在甘蔗種植地的農(nóng)村市場也應(yīng)運(yùn)而生，特別是集開溝、切種、施肥、覆膜和覆土等多功能一體化的機(jī)械［3］更受廣大用戶的青睞。施肥作為其中一項(xiàng)重要的功能，發(fā)揮了很大的作用，作為這一功能的載體——肥料供給系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中，經(jīng)常會(huì)由于外部、內(nèi)部的各種原因引起一些生產(chǎn)停滯現(xiàn)象，如肥料結(jié)塊導(dǎo)致施肥的可連續(xù)性、肥效的不均勻等。

針對(duì)種種的不良結(jié)果，采用了一些傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，獲得了一些改善。但是當(dāng)進(jìn)一步開展創(chuàng)新工作時(shí)，卻到了山窮水盡，受到了理論上、創(chuàng)新方法上的制約，甚至影響到了企業(yè)今后的核心技術(shù)競爭力。

一次偶然或者是必然的機(jī)會(huì)，接觸到了一種理論、一種創(chuàng)新理論、一種解決發(fā)明問題的理論——TRIZ理論［4］，其為我們突破傳統(tǒng)的思維提供了良好的理論基礎(chǔ)，并在實(shí)踐過程中得到了證實(shí)。本文也借助了TRIZ理論對(duì)肥料供給系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)等作出了相應(yīng)的分析，最后得出了一些常規(guī)方法不易解決的方案，并在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中得到了運(yùn)用，得到了廣大用戶的認(rèn)可。

1　基于TRIZ理論的解決流程

基于TRIZ（發(fā)明問題的解決理論）的創(chuàng)新理論解決流程見圖1。

圖1　基于TRIZ的創(chuàng)新理論解決流程

1.1問題描述

第一步，對(duì)工程技術(shù)問題規(guī)范化定義，完整描述出技術(shù)系統(tǒng)名稱、技術(shù)系統(tǒng)的功能、工作原理、主要缺點(diǎn)及主要缺點(diǎn)出現(xiàn)的條件；第二步，詞表轉(zhuǎn)換，采用美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的構(gòu)成工作功能的動(dòng)詞和名詞定義技術(shù)系統(tǒng)的功能及其對(duì)象，得出SVOP描述，從而找出產(chǎn)品的本質(zhì)屬性。

1.2問題分析

以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能為出發(fā)點(diǎn)對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立功能機(jī)構(gòu)圖，描述出系統(tǒng)中的組件都有哪些，以及它們之間的相互關(guān)系。通過組件的功能價(jià)值分析，得出裁剪的方案；通過因果分析找出問題的根本原因［5］；通過資源分析找出可以幫助解決問題的可用資源。

1.3問題求解

經(jīng)過問題的分析確定了待解決的問題，通過TRIZ方法：技術(shù)矛盾分析、物理矛盾分析、物場分析等解題工具來對(duì)產(chǎn)生的問題求解；知識(shí)庫查找相應(yīng)類比方案，通過篩選得出更貼近現(xiàn)有產(chǎn)品的解決方案。最后從多個(gè)所得方案中選出理想方案，或者綜合各種理想方案得出最終方案。

2　農(nóng)用機(jī)械——甘蔗種植機(jī)的問題描述

隨著甘蔗種植的產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于大面積的甘蔗種植生產(chǎn)來說，原來的人工種植已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需要，高效率的甘蔗聯(lián)合種植機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生，其集合了蔗種切斷、開溝、施肥、淋水、消毒、覆土、覆膜和鎮(zhèn)壓等多個(gè)工序，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)的目的。其中，肥料供給系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其為整個(gè)種植工作提供持續(xù)、均勻的施肥，如圖2所示。

圖2　甘蔗種植機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1主要功能

技術(shù)系統(tǒng)的主要功能為釋放肥料通暢性。

2.2工作原理

肥料導(dǎo)槽傳輸肥料→肥料擋板中斷肥料（邊緣）轉(zhuǎn)動(dòng)→肥料箱積聚肥料→肥料箱底座（圓形）限制肥料在圓盤上→流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)→液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速器→減速器轉(zhuǎn)動(dòng)活肥料圓盤→肥料圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)肥料→機(jī)架安裝肥料箱→機(jī)架安裝減速器→機(jī)架安裝切斷箱、淋水箱等組件→肥料箱連接肥料箱底座、肥料導(dǎo)槽支板→肥料導(dǎo)槽支板連接肥料導(dǎo)槽→減速器連接肥料圓盤。

2.3主要問題

該肥料供給系統(tǒng)作用是在甘蔗種植過程中連續(xù)、均勻地為農(nóng)作物施肥，但會(huì)在生產(chǎn)作業(yè)過程中出現(xiàn)問題如下：久置于系統(tǒng)內(nèi)的肥料會(huì)受潮結(jié)塊，且其自身由于重力的影響會(huì)使得堆積在組件底部的肥料受壓結(jié)塊，從而影響肥料在導(dǎo)槽中的通暢性；另外，肥料與系統(tǒng)組件長時(shí)間接觸，對(duì)系統(tǒng)組件有腐蝕性，黏結(jié)在組件內(nèi)部，使得通道變小，肥料通過受阻。

2.4待解決問題

減少肥料對(duì)組件的黏結(jié)、腐蝕；減少肥料在肥料箱內(nèi)的殘余量。

2.5對(duì)新技術(shù)的要求

技術(shù)系統(tǒng)能夠順暢、均勻地釋放肥料；系統(tǒng)組件不被腐蝕、黏結(jié)；系統(tǒng)組件能被容易清潔或自我清潔。

3　肥料供給系統(tǒng)技術(shù)分析

3.1系統(tǒng)功能分析

應(yīng)用億維訊公司推出的軟件Pro/I，分析肥料供給系統(tǒng)各組件之間的相互作用關(guān)系，建立功能模型圖，如圖3所示。圖3描述了系統(tǒng)中的組件都有哪些，以及它們之間的相互關(guān)系，并得出造成肥料結(jié)塊的問題點(diǎn)：空氣濕度對(duì)肥料聚結(jié)結(jié)塊，結(jié)塊肥料卡滯到肥料導(dǎo)槽中及圓盤和肥料箱底座之間；肥料吸潮黏結(jié)到導(dǎo)槽中，使得導(dǎo)槽通道變小。箭頭中間的框內(nèi)反應(yīng)了各組件之間的作用關(guān)系，此關(guān)系也可反應(yīng)出組件關(guān)系中的有害的、不足的、過度的關(guān)系?？梢灾庇^、有條理地判斷出問題出現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)以及解決問題的出發(fā)點(diǎn)。

圖3　肥料供給系統(tǒng)功能模型圖

表1　肥料供給系統(tǒng)組件的功能價(jià)值分析表

通過組件的功能模型圖，作出系統(tǒng)組件的功能價(jià)值分析表，如表1所示，定量分析出可以裁剪的組件。

解決方案1：TRIMMING，去掉肥料導(dǎo)槽支板，導(dǎo)槽直接連接到機(jī)架上。

3.2因果分析

在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上對(duì)問題點(diǎn)進(jìn)行因果分析，逐層深入，得到解決問題的入手點(diǎn)造成施肥系統(tǒng)堵塞的問題點(diǎn)，如圖4所示。一是空氣中有水分，久置于肥料箱中的肥料受潮結(jié)塊，出現(xiàn)導(dǎo)槽卡滯；二是常用的肥料腐蝕施肥系統(tǒng)組件。

主要缺點(diǎn)分析結(jié)果——施肥系統(tǒng)堵塞：①肥料圓盤無肥料溢出→肥料圓盤與肥料箱間堵塞→肥料結(jié)塊→堆積時(shí)間長→肥料圓盤的形狀限制；②肥料導(dǎo)槽堵塞→肥料導(dǎo)槽通道變小→肥料腐蝕黏附在通道內(nèi)→肥料導(dǎo)槽組件抗腐蝕性能差；③肥料導(dǎo)槽堵塞→肥料導(dǎo)槽通道變小→肥料腐蝕黏附在通道內(nèi)→肥料吸潮黏結(jié)→肥料導(dǎo)槽無密封。

圖4　施肥系統(tǒng)堵塞的問題點(diǎn)

解決方案2：優(yōu)化肥料圓盤結(jié)構(gòu)，即增加一個(gè)圓錐體，只是肥料直接分散落到圓盤邊緣，減少肥料的堆積量，如圖5所示。

圖5　肥料圓盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

解決方案3：在組件外部增加防護(hù)套，即在肥料箱周圍增加有防水性能的防護(hù)套，盡量避免肥料直接裸露到空氣中。

3.3資源分析

針對(duì)每一個(gè)待解決的問題尋找可利用的資源，確定資源列表，如表2所示。然后，明確資源利用的一般原則：由實(shí)物資源到虛物資源，由內(nèi)部資源到外部資源，由靜態(tài)資源到動(dòng)態(tài)資源，由直接資源到派生資源，由廉價(jià)資源到貴重資源，挖掘出隱性資源，優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)，發(fā)揮出資源的價(jià)值。最后，構(gòu)造概念方案。

表2　可利用資源表

解決方案4：利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣風(fēng)能吹走黏附到肥料導(dǎo)槽上的肥料。

4　應(yīng)用TRIZ解題工具體系求解

4.1技術(shù)矛盾分析

據(jù)根本原因分析中的因果關(guān)系，定義出技術(shù)矛盾，并利用矛盾矩陣和創(chuàng)新原理解決工況問題。

4.1.1針對(duì)肥料箱被腐蝕的問題形成的技術(shù)矛盾。①問題：材料為Q235的肥料箱被肥料腐蝕。②現(xiàn)有解決方案：更換材料為不銹鋼。③缺點(diǎn)：可制造型較差。

圖6　肥料導(dǎo)槽

技術(shù)矛盾1：改善的參數(shù)，物體外部有害因素作用；惡化的參數(shù)，可制造性。

創(chuàng)新原理：查矛盾矩陣得35（物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚?/p>

解決方案5：公司暫無焊接不銹鋼的設(shè)備，但有鉆床、鉚接設(shè)備、加工中心等，運(yùn)用物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚瑢⒋颂幗M件由焊接更改為打孔螺栓連接。

4.1.2針對(duì)肥料黏附在肥料箱上時(shí)間長的問題形成的技術(shù)矛盾。①問題：肥料黏結(jié)肥料箱的時(shí)間長，容易對(duì)其產(chǎn)生腐蝕。②現(xiàn)有解決方案：牽引拖拉機(jī)和機(jī)架之間由原來的半柔性連接更改為硬性連接，增加震動(dòng)強(qiáng)度，使得肥料不易粘到施肥組件上，減少腐蝕時(shí)間。③缺點(diǎn)：物體產(chǎn)生的有害因素。

技術(shù)矛盾2：改善的參數(shù)，靜止物體作用時(shí)間；惡化的參數(shù)，物體產(chǎn)生的有害因素。

創(chuàng)新原理：查矛盾矩陣得22（運(yùn)用變害為利原理）。

解決方案6：運(yùn)用變害為利原理，超系統(tǒng)中的動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，可以將震動(dòng)傳遞到施肥組件，震動(dòng)使得肥料不易黏結(jié)到組件表面，減少腐蝕的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)變害為利原理。

4.2物理矛盾定義

針對(duì)肥料導(dǎo)槽小的問題進(jìn)行物理矛盾分析，如圖6所示。

第一步，定義物理矛盾，參數(shù)：空間，要求1：大，要求2：小。

第二步，如果想實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的理想狀態(tài)，這個(gè)參數(shù)的不同要求應(yīng)該在什么空間得以實(shí)現(xiàn)？

空間1：肥料導(dǎo)槽端口處；空間2：肥料導(dǎo)槽導(dǎo)管。

物理矛盾1：肥料導(dǎo)槽越大，越不易堵塞；肥料導(dǎo)槽越小，越便于安裝，不占用空間。

創(chuàng)新原理：41-矛盾屬性空間分離原理。

解決方案7：參照41原理，將肥料導(dǎo)槽分成容易組裝和拆卸的兩部分，采用了肥料導(dǎo)槽的上端口和肥料導(dǎo)管分離，在甘蔗種植機(jī)操作平臺(tái)上端的部分不做更改，在下端的導(dǎo)管部分加大（操作平臺(tái)下面，不影響安裝）。

4.3物場模型

4.3.1明確問題部位。肥料箱積聚肥料過多的時(shí)候，肥料由于自身重力，使得下端（肥料圓盤上表面）肥料積壓結(jié)塊。

4.3.2建立物場模型。分析標(biāo)準(zhǔn)解：1.2.2拆解物場模型；分析資源：系統(tǒng)內(nèi)肥料箱積聚肥料；肥料箱：靜止的，積聚肥料；外界環(huán)境資源：壓力、重力；超系統(tǒng)資源：機(jī)架。

4.3.3應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法。方案模型：在場中引入改進(jìn)的肥料箱，分散肥料自身的重力，使得重力不集中在肥料箱的下端。如圖7所示為建立新的物場模型。

圖7　新的物場模型

解決方案8：引入改進(jìn)的肥料箱來消除因肥料積壓結(jié)塊的問題，將肥料箱內(nèi)部增加擋板，分散肥料對(duì)底部的積壓，如圖8所示。

4.4S曲線及技術(shù)進(jìn)化法則

定義出產(chǎn)品所處的發(fā)展階段，如圖9所示。系統(tǒng)處于成長期。借助進(jìn)化法則分析，根據(jù)參數(shù)確定S曲線［6］上所處位置，主要采用的改進(jìn)參數(shù)為最大性能，從表面屬性進(jìn)化著手。

圖8　改進(jìn)的肥料箱

圖9　產(chǎn)品所處的發(fā)展階段

解決方案9：根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，系統(tǒng)表面屬性進(jìn)化向匯聚或分散有用作用或負(fù)載方向躍遷在肥料圓盤中安裝4個(gè)葉片，旋轉(zhuǎn)攪拌肥料，使肥料不結(jié)塊，見圖10。

5　基于TRIZ的甘蔗種植機(jī)肥料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)情況，經(jīng)過對(duì)比后形成最終方案：肥料箱組件中，與肥料有接觸的部分更改材料為更抗腐蝕的不銹鋼；裁剪掉肥料導(dǎo)槽支板，節(jié)省一定的成本；肥料圓盤中間加圓錐體，并且椎體上面加葉片；肥料箱內(nèi)加擋板。這四種方案同時(shí)實(shí)施，達(dá)到了立竿見影的效果。

6　結(jié)論

有人有這樣的疑惑：創(chuàng)新就是跳出思維定式，學(xué)習(xí)了TRIZ理論是不是反而為自己的思維增加了一種束縛？其實(shí)不然，TRIZ意譯為發(fā)明問題的解決理論，TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。其是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，而不再是隨機(jī)的行為。其實(shí)漫無目的地去思考、去創(chuàng)新，只是一時(shí)的頭腦風(fēng)暴。

帶著實(shí)際工作中出現(xiàn)的一些技術(shù)問題，結(jié)合TRIZ理論學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，按照TRIZ理論創(chuàng)新的思維、方法及解決流程，針對(duì)甘蔗種植機(jī)施肥系統(tǒng)在生產(chǎn)作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的肥料黏結(jié)到肥料箱和肥料導(dǎo)槽上，導(dǎo)致施肥時(shí)出現(xiàn)卡滯顯現(xiàn)，而且對(duì)組件造成了一定的腐蝕、損壞作用等諸多問題，進(jìn)行了一個(gè)過程全面的運(yùn)用，獲得了一些問題的解決方案，并且在生產(chǎn)過程中得到了運(yùn)用，為企業(yè)帶來了更大的效益。

圖10　肥料箱旋轉(zhuǎn)攪拌裝置

［1］劉慶庭，莫建霖，李廷化.我國甘蔗種植機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及存在的關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.甘蔗糖業(yè)，2011（5）：15-16.

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Study on the Application of TRIZ Theory to the Optimization Design of Agricultural Machinery Products

Ning DekuiLv Jun （Yunnan Xintianli Machinery Manufacturing Co.Ltd.，Anning Yunnan 650300）

The generation of agricultural machinery products is to meet the agricultural production，according to the different agronomic requirements for different function and structure of agricultural machinery products.Based on the theory of the innovation of the TRIZ solve process，to improve the performance of the company production of sugarcane planting machine as an example，product improvement，application of Pro/I sugarcane planting machine function structure model was established:By cutting through function value analysis on system components；By causal analysis and resource analysis to determine the solution to the problem；Through the analysis of the technical and physical contradictions，knowledge query analogy，field analysis，the S curve+evolution path obtained a variety of solution；Finally obtained by evaluation model，project evaluation，brought a certain economic benefits for the company. Keywords：sugarcane planting machine；optimum design；TRIZ theory

S220.1

A

1003-5168（2016）07-0069-05

2016-06-02

寧德奎（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)；呂?。?990-），男，本科，助理工程師，研究方向：農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)。