采用TRIZ理論的豌豆割曬機(jī)械裝備設(shè)計與試驗

李金鳳，趙繼云，侯秀寧，劉思瑤，張學(xué)敏

采用TRIZ理論的豌豆割曬機(jī)械裝備設(shè)計與試驗

李金鳳，趙繼云，侯秀寧，劉思瑤，張學(xué)敏※

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對目前豌豆收獲機(jī)械化技術(shù)在國內(nèi)研究較少，為實現(xiàn)中國豌豆收獲機(jī)械化配套作業(yè)，減輕勞動力投入，設(shè)計了一款豌豆割曬機(jī)械裝備。首先對豌豆特性進(jìn)行研究，分析了豌豆收獲作業(yè)存在的問題。然后基于TRIZ理論中“物-場模型”分析方法進(jìn)行了切割系統(tǒng)及輸送系統(tǒng)的“物-場模型”功能分析，同時采用“沖突解決原理”解決割曬系統(tǒng)中涉及的矛盾沖突，獲得合適的解決方案，并依據(jù)豌豆植物特性對割曬機(jī)主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。完成了豌豆割曬系統(tǒng)中割曬裝置、防纏繞撥禾裝置、輸送鋪放裝置等關(guān)鍵設(shè)計方案求解。最后基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立豌豆割曬機(jī)模型結(jié)構(gòu)，并加工出樣機(jī)，在河南南陽、內(nèi)蒙古商都、北京平谷3處試驗田進(jìn)行田間試驗。田間試驗結(jié)果1表明，割曬機(jī)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，割茬高度小于40 mm，收割效率達(dá)到0.13～0.19 hm2/h，北京平谷區(qū)試驗中收割損失率僅4.96%，漏割率為4.78%。所設(shè)計豌豆割曬機(jī)作業(yè)效果滿足農(nóng)戶需求，可為后續(xù)豌豆相關(guān)收獲作業(yè)機(jī)械裝備研究提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；試驗；設(shè)計；割曬機(jī)；豌豆；TRIZ理論

0 引 言

豌豆是中國重要的食用豆類和動物蛋白飼料，國內(nèi)豌豆種植面積和總產(chǎn)量均居世界第二位[1-2]。中國豌豆生產(chǎn)機(jī)械化水平極低，尚未有任何成熟可靠的豌豆收獲機(jī)械，豌豆收獲主要依靠人工，生產(chǎn)成本高，極大限制了國內(nèi)豌豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-4]。國外豌豆機(jī)械研究較早，技術(shù)較為成熟，然而國外的豌豆收獲機(jī)械龐大復(fù)雜、成本高、轉(zhuǎn)彎半徑大[5]，并不適合中國豌豆耕作國情。近年來，國內(nèi)專家學(xué)者針對油菜、水稻作物的割曬機(jī)裝備進(jìn)行了深入研究。廖宜濤等[6]針對油菜聯(lián)合收獲機(jī)械對油菜成熟度要求高、收獲損失率大、作業(yè)能耗高等問題，設(shè)計了4SY-1.8型手扶式油菜割曬機(jī)，可實現(xiàn)南方小田塊油菜分段收獲作業(yè)；金誠謙等[7]對撥指輸送鏈?zhǔn)捷斔脱b置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制了一種油菜割曬機(jī)撥指輸送鏈?zhǔn)捷斔脱b置，可以高效流暢完成輸送鋪放作業(yè)，試驗驗證作業(yè)總損失率小于0.85%；楚智偉等[8]對分段收獲的水稻割曬機(jī)鋪放效果及損失率進(jìn)行研究，針對倒伏水稻的順割及逆割進(jìn)行了正交試驗分析，得到各因素參數(shù)值均符合割曬鋪放效果；石增祥[9]設(shè)計出一種油菜割曬機(jī)可掛接于現(xiàn)有聯(lián)合收獲機(jī)底盤，具有較好的切割、分禾、鋪放性能。

上述割曬機(jī)研究對直立生長作物有較好的收獲效果，但對蔓狀爬伏生長的豌豆作物收獲效果并不理想。本文采用TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）理論對豌豆割曬機(jī)械各結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行研究分析，尋找適合的“物-場模型”，為豌豆收割機(jī)械的研究提供新思路；同時借助“沖突解決原理”，化解系統(tǒng)研制過程中遇到的一個參數(shù)改善引起另一個參數(shù)惡化的技術(shù)矛盾[10-13]，實現(xiàn)豌豆割曬機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計，填補(bǔ)國內(nèi)豌豆作物機(jī)械化收獲的空白。

1 豌豆植物特性及TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計流程

1.1 豌豆植物特性

對種植較廣泛的中豌8號進(jìn)行物理特性研究，按照豌豆種植農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)機(jī)播豌豆。當(dāng)豌豆的生長狀態(tài)為自然黃葉比例不低于80%，且植株上部莢果變黃（60%～70%），豌豆成熟度處于80%～90%范圍內(nèi)時，表明豌豆處于最佳收獲期。選取這一時期內(nèi)的豌豆作為樣本進(jìn)行物理特性測量，其基本物理特性如表1所示。

豌豆屬于攀援性草本植物，在大田種植時，往往不進(jìn)行搭架引蔓處理，任由豌豆植株自由爬伏生長。豌豆莖為草質(zhì)莖，木質(zhì)部不發(fā)達(dá)，莖稈柔軟，易被割臺推倒，導(dǎo)致豌豆植株被壓在割臺下端，普通割曬機(jī)械收獲豌豆作物狀態(tài)如圖1所示。蔓狀爬伏生長特性使得一般割曬機(jī)械難以進(jìn)行有效收割，同時也會因為收割過程中割臺喂入量不穩(wěn)定使機(jī)具產(chǎn)生堵塞，而且在豌豆植株輸送過程中，植株相互纏繞，極易形成輸送堵塞，使得機(jī)器可靠性大大降低，連續(xù)性收獲難度增大。

表1 豌豆基本特性

圖1 普通割曬機(jī)切割情況示意圖

1.2 TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計流程

由于豌豆作物特殊的植物特性，普通割曬機(jī)難以滿足該類作物的割曬作業(yè)。為實現(xiàn)豌豆收割機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計，采用TRIZ理論進(jìn)行研究分析。首先要將問題轉(zhuǎn)化為問題模型，然后利用TRIZ中解決問題的工具找到解決方案模型，最后將解決方案模型轉(zhuǎn)化為具體的解決方案[14-15]。本文采用經(jīng)典TRIZ解決問題的一般流程如圖2所示。

圖2 經(jīng)典TRIZ理論解決問題流程

2 基于“物-場模型”方法的割曬系統(tǒng)功能研究

“物-場模型”分析方法是TRIZ理論的一個重要工具，在對產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，對有害作用、不足作用及過剩作用進(jìn)行優(yōu)化或刪減，從而達(dá)到功能升級、完善作用的目的[16-17]。要實現(xiàn)割曬機(jī)整套割曬系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，必須保證該系統(tǒng)各主要組成部分的效能完好。整套割曬過程的實現(xiàn)以整機(jī)各個裝置協(xié)調(diào)配合為基礎(chǔ)，本文將割曬機(jī)劃分為切割、輸送系統(tǒng)2個相互獨(dú)立的部分，并針對每個系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，以尋求各部件最佳功能，從而實現(xiàn)整個割曬系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作[18-19]。

2.1 切割系統(tǒng)的功能研究

切割過程在收獲過程中擔(dān)任重要角色，豌豆作物自下而上第一顆豌豆莢結(jié)莢高度較低，為保證收割質(zhì)量，切割高度應(yīng)盡可能靠近根莖底端。通過拉拽形成的拉應(yīng)力場，能夠保證較高的植株完整性，收獲質(zhì)量較好，但從機(jī)械作用形式上分析，拉拽動作的實施難度高于剪切動作，因此可以借助機(jī)械場在豌豆根莖底部形成1個剪切應(yīng)力場，高效快速切斷豌豆根部。該剪切力場可以以常見的往復(fù)切割式、圓盤刀式、甩刀回轉(zhuǎn)式等剪切方式實現(xiàn)，其中，往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)簡單、縱向尺寸小、適應(yīng)性較廣，目前在各類收割機(jī)上采用較多；圓盤刀式工作幅寬小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但集禾機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，消耗功率大，在收割機(jī)上應(yīng)用較少；甩刀回轉(zhuǎn)式切割器為無支承切割，所需作物要求切割速度較快或莖桿剛度較大，不適合豌豆作物的收割。因此，往復(fù)式切割器的優(yōu)勢更為突出。

要實現(xiàn)豌豆的收割作業(yè)，需使豌豆保持直立狀態(tài)，輔以扶喂動作，單一的剪切力場不具備剪切和扶喂雙重功能，需增加“場”功能，通過復(fù)合場的作用，使切割系統(tǒng)兼?zhèn)洹凹羟小?、“扶喂”功能；同時切割系統(tǒng)需保證根茬一致，并減少豌豆損傷，而田間地形高低不平，很難保證豌豆根茬統(tǒng)一，切割系統(tǒng)需強(qiáng)化剪切力場，使剪切力場能夠依據(jù)地形調(diào)整高低狀態(tài)，保證割刀始終距離地面一定高度。普通的切割系統(tǒng)模型如圖3a所示，“物-場模型”元素完整，但僅依靠切割裝置S2產(chǎn)生的切割力場F2難以實現(xiàn)豌豆收獲作業(yè)，屬于效應(yīng)不足的場。而增強(qiáng)后的切割裝置S’2能夠適應(yīng)田間高低不平的作業(yè)環(huán)境，同時插入扶喂裝置S3進(jìn)行撥動扶喂作業(yè)，輔以撥動力場F3來強(qiáng)化提高有用效應(yīng)（圖3b）。

注：F1為重力場；F2為切割力場；F3為撥動力場；S1為豌豆；S2為切割裝置；S′2為增強(qiáng)后的切割裝置；S3為扶喂裝置。下同。

依據(jù)切割系統(tǒng)的“物-場模型”，要實現(xiàn)理想切割，整個剪切過程必須保證合適的根茬高度并減少豌豆莢及豌豆作物損傷。本研究擬采用往復(fù)式切割器，并輔之浮動切割、扶禾推送的收獲方式。通過附加的撥動力場對倒伏和纏繞在一起豌豆作物進(jìn)行梳理，在收割前使豌豆作物處于挑起狀態(tài)，并露出根部，保證在切割過程中，割刀僅能接觸豌豆根莖。改進(jìn)后的切割裝置如圖4所示，豌豆作物在撥動裝置的影響下脫離割刀的剪切應(yīng)力場，所附加撥動裝置可以施加撥動力場，撥動裝置將蔓生的豌豆挑起，與割刀共同完成切割作業(yè)；浮動割臺可以保證割茬一致性，提升機(jī)具適應(yīng)性，滿足收割要求，固定支架與固定軸連接，固定軸可在限位滑槽里上下移動，故浮動機(jī)架可以上下浮動，實現(xiàn)割臺浮動作業(yè)。

1.撥動裝置 2.豌豆挑起狀態(tài) 3.豌豆攀爬狀態(tài) 4.割刀 5.固定支架 6.固定軸 7.浮動機(jī)架 8.割臺滾輪

2.2 輸送系統(tǒng)的功能研究

豌豆作物被切割后，落于割臺后部，完整的割曬機(jī)需具有收集功能，即將切割后的豌豆作物進(jìn)行收集聚攏至割曬機(jī)一側(cè)，以便于后續(xù)分段收獲[20-21]。收集系統(tǒng)需要有輸送結(jié)構(gòu)，通過推動力或者拉拽力形成的輸送力場，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的聚集輸送作用。由于豌豆莖蔓相互纏繞狀態(tài)，拉拽力場形成及作業(yè)方式不利于實現(xiàn)快速、高效輸送，而推動力場采用板狀結(jié)構(gòu)、齒狀結(jié)構(gòu)等不同結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)豌豆的推動輸送作用。板狀結(jié)構(gòu)的尺寸偏大，在進(jìn)行豌豆推動輸送過程中，較長的側(cè)邊會對輸入的豌豆作物造成阻擋，影響持續(xù)輸送作業(yè)，而齒狀結(jié)構(gòu)可穿插在豌豆作物中進(jìn)行撥動輸送；輸送結(jié)構(gòu)運(yùn)動方式有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動2種方式?？紤]到豌豆易纏繞特性，應(yīng)盡量避免使用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動裝置，直線運(yùn)動方式較為合理。直線運(yùn)動式齒狀輸送機(jī)構(gòu)可以布置在割臺所在平面、割臺上部平行平面和割臺后部垂直平面，考慮到前2種布置方式齒狀結(jié)構(gòu)會對作物持續(xù)輸入形成阻礙，形成喂入堵塞，可采取第3種布置方式。

輸送機(jī)構(gòu)必須有高效、快速的輸送效能，才能滿足前端割臺較大的喂入量。單一的輸送力場難以保證徹底、快速輸送，從而造成擁堵。要實現(xiàn)豌豆作物的快速、高效輸送作業(yè)，避免纏繞，擬設(shè)置導(dǎo)流裝置，增加導(dǎo)流場，輔助完成輸送作業(yè)。完善輸送系統(tǒng)的復(fù)合“物-場模型”，增加“場”功能——通過復(fù)合“場”的作用，可實現(xiàn)輸送作業(yè)高效、徹底。普通的輸送系統(tǒng)模型如圖5a所示，“物-場模型”系統(tǒng)元素完備，但輸送撥齒裝置S4產(chǎn)生的輸送力場F4效應(yīng)不足，容易造成輸送堵塞，輸送撥齒裝置S4在系統(tǒng)中屬于效應(yīng)不足的場，增加輔助導(dǎo)流裝置S5，“物-場模型”增加導(dǎo)流場F5（圖5b），對于完善輸送系統(tǒng)的復(fù)合“物-場模型”大有益處，能夠提升輸送效率。

注：F4為輸送力場；F5為導(dǎo)流場；S4為輸送撥齒裝置；S5為輔助導(dǎo)流裝置。

依據(jù)輸送系統(tǒng)“物-場模型”，為實現(xiàn)高效、徹底的輸送效能，整個輸送結(jié)構(gòu)必須快速協(xié)調(diào)配合作用，該系統(tǒng)輸送原理如圖6所示。采用輸送撥齒裝置，由鏈條帶動作業(yè)，撥齒結(jié)構(gòu)能夠快速運(yùn)動，帶動豌豆作物推移輸送至割曬機(jī)一側(cè)；在輸送部分下端設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)流板產(chǎn)生導(dǎo)流場能夠輔助輸送撥齒將豌豆作物推送至一側(cè)。為更好地實現(xiàn)導(dǎo)流作業(yè)，使導(dǎo)流板產(chǎn)生抖動作用，模仿“篩”的動作以使豌豆作物處于抖動狀態(tài)，抖動導(dǎo)流方式不但可以降低豌豆作物之間的相互纏繞，還可以實現(xiàn)輔助輸送，避免豌豆作物的堆疊擁堵。抖動導(dǎo)流板及輸送撥齒組成豌豆割曬機(jī)的輸送系統(tǒng)能夠滿足豌豆的輸送作業(yè)。

1.輸送撥齒 2.抖動導(dǎo)流板 3.曲柄

3 基于“沖突解決原理”的關(guān)鍵部件創(chuàng)新設(shè)計

豌豆割曬系統(tǒng)是一個多功能、復(fù)合型系統(tǒng)，系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)多個功能單元受到同一個物理參數(shù)控制和影響的情況，即發(fā)生物理參數(shù)優(yōu)化方向的矛盾沖突，同時系統(tǒng)中也可能出現(xiàn)多個因素相互促進(jìn)、相互制約的情況，即諸技術(shù)細(xì)節(jié)之間的矛盾沖突[22-25]。TRIZ理論的核心是解決矛盾，任何一個系統(tǒng)都是通過克服不斷產(chǎn)生的矛盾來發(fā)展的，因此本文擬借助“沖突解決原理”化解豌豆割曬系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的物理矛盾和技術(shù)沖突，輔助完成整套割曬系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計。

3.1 切割系統(tǒng)關(guān)鍵部件創(chuàng)新設(shè)計

3.1.1 切割裝置創(chuàng)新設(shè)計

結(jié)合2.1節(jié)分析情況，為提升機(jī)具可靠性，將割臺設(shè)置為浮動結(jié)構(gòu)，采用增加浮動結(jié)構(gòu)方法降低了矛盾沖突，但增加了裝置的復(fù)雜性，同時給裝置的可維修性、可操作性增加了困難。在切割系統(tǒng)切割過程中，切割刀具對根茬產(chǎn)生剪切作用，切割器受外部有害因素作用的敏感性較高，僅通過優(yōu)化切割器難以協(xié)調(diào)作業(yè)性能和外部有害因素作用敏感性之間的矛盾，可以外加結(jié)構(gòu)消除收割區(qū)與待割區(qū)豌豆纏繞現(xiàn)象，但提高了裝置復(fù)雜性。根據(jù)上述分析，首先將上述矛盾沖突問題歸納為：27可靠性（收割可靠）、30物體外部有害因素作用的敏感性（收割區(qū)與待割區(qū)豌豆纏繞）與34可維修性（結(jié)構(gòu)增加）、33可操作性（系統(tǒng)復(fù)雜）、36裝置復(fù)雜性（增加浮動、消纏繞結(jié)構(gòu)）之間的矛盾；然后在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元，確定符合條件的發(fā)明原理；最后參考發(fā)明原理，根據(jù)所面臨具體問題，找到解決方案。在矛盾矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表2所示。

表2 切割裝置的矛盾沖突矩陣

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元后，首先對表2中的所有發(fā)明原理進(jìn)行分析，了解各個發(fā)明原理的具體描述；然后根據(jù)所面臨具體問題，篩選有價值的發(fā)明原理，對于可靠性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理有1（分割）、11（預(yù)先防范），對于物體外部有害因素作用的敏感性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理有2（抽?。?0（預(yù)先作用）；最后依據(jù)有價值的發(fā)明原理提取有價值內(nèi)容詳解，參考內(nèi)容提示進(jìn)行發(fā)明原理的分析應(yīng)用，即采取技術(shù)手段解決對應(yīng)難點(diǎn)。表3所示為可靠性工程參數(shù)所選2個有價值發(fā)明原理的分析應(yīng)用，表4所示為物體外部有害因素作用的敏感性工程參數(shù)所選2個有價值發(fā)明原理的分析應(yīng)用。

參考對上述發(fā)明原理分析，根據(jù)具體問題，找到解決方案。依據(jù)表3，采用往復(fù)式切割器進(jìn)行切割作業(yè)，容易組裝拆卸、便于替換調(diào)整，符合上述發(fā)明原理1（分割）；在地面高低不平的情況下，為保證統(tǒng)一的割茬高度，通過發(fā)明原理11（預(yù)先防范）將切割結(jié)構(gòu)設(shè)為浮動結(jié)構(gòu)，提升可靠性。依據(jù)表4，由發(fā)明原理2（抽取）提示，獲取往復(fù)式切割器切割高效優(yōu)點(diǎn)，擬在割臺左側(cè)（駕駛員視角）設(shè)置立式割刀，在工作過程中割斷收割區(qū)域與待收割區(qū)域處纏繞的豌豆；根據(jù)發(fā)明原理10（預(yù)先作用），預(yù)先對相互纏繞的豌豆進(jìn)行切割處理，降低割臺受待收割區(qū)豌豆有害因素作用的敏感性。

表3 可靠性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理分析應(yīng)用

表4 物體外部有害因素作用的敏感性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理分析應(yīng)用

通過上述分析，并結(jié)合2.1節(jié)中的分析，所設(shè)計割臺結(jié)構(gòu)與實物如圖7所示。切割裝置創(chuàng)新設(shè)計方案如下：選用往復(fù)式切割器，橫式電機(jī)為往復(fù)切割器提供動力，適應(yīng)性強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡單；將剛性割臺改進(jìn)為可浮動式割臺，在割臺前端兩側(cè)各設(shè)1個浮動輪，整套機(jī)具懸掛處設(shè)置浮動懸掛架，兩側(cè)導(dǎo)軌上安置的2個限位滑塊與前端割臺部分固定連接，在浮動過程中，限位滑塊隨著割臺起伏而在導(dǎo)軌上滑移，與浮動限位槽連接處形成3點(diǎn)連接，降低機(jī)具浮動搖擺現(xiàn)象。浮動限位槽的槽長決定浮動程度，由于豌豆種植地塊都會經(jīng)過耙平整細(xì)作業(yè)，田間起伏均勻、起伏幅值較小，故設(shè)計槽長為6 cm，最大能滿足地形起伏幅值為±6 cm的豌豆收獲作業(yè)。在農(nóng)作物收獲作業(yè)中，應(yīng)保證作物收獲質(zhì)量、統(tǒng)一留茬高度，所以在進(jìn)行豌豆割曬工作時，要根據(jù)地形起伏程度適當(dāng)提升或降低割臺，使之處于適宜的仿形高度（浮動限位槽中限位軸處于槽內(nèi)中間位置），工作中割臺滾輪依據(jù)田間高低不平的地面狀況上下滾動，保證整個割曬機(jī)裝備實現(xiàn)浮動作業(yè)。

1.往復(fù)式切割器 2.割臺滾輪 3.電機(jī) 4.立式割刀 5.浮動限位槽 6.液壓缸 7.導(dǎo)軌 8.限位滑 9.固定塊

3.1.2 防纏繞撥禾輪創(chuàng)新設(shè)計

結(jié)合2.1節(jié)分析情況，須在切割裝置前端安裝撥禾輪，將豌豆梳理挑起以便切割，并能完成推送作物的作用，提升割曬機(jī)作業(yè)適應(yīng)性；同時該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒏钕碌淖魑锿葡蚶飩?cè)，以免莖桿堆積在割刀上，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的多用性特征；為避免纏繞，外加安裝防纏繞裝置，在1個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上添加額外的防纏繞裝置，會增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，給撥禾輪維修工作增加困難，同時因機(jī)具復(fù)雜導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。將上述矛盾沖突問題歸納為：35適應(yīng)性及多用性（扶持莖稈、保證切割、輸送作物）與36裝置復(fù)雜性（添加防纏繞裝置）、13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（結(jié)構(gòu)形狀）、34可維修性（裝置復(fù)雜）之間的矛盾，在矛盾沖突矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表5所示。

表5 防纏繞撥禾輪的矛盾沖突矩陣

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元，對表5中的發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，對于適應(yīng)性及多用性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理有：1（分割）、7（嵌套）、14（曲面化）。表6所示為適應(yīng)性及多用性工程參數(shù)所選的3個有價值發(fā)明原理的分析應(yīng)用。

參考對發(fā)明原理的描述，根據(jù)具體問題，找到具體解決方案。依據(jù)表6具體描述分析，設(shè)置撥禾輪機(jī)構(gòu)，且具有防纏繞功能，通過發(fā)明原理1（分割），將撥禾輪與防纏繞裝置分為兩個容易組裝拆卸、相互獨(dú)立的部分，采取摟齒式撥禾輪，該裝置適用于收獲倒伏作物；通過發(fā)明原理7（嵌套）提示，擬采用嵌套的方式將撥禾輪嵌套在防纏繞裝置空腔，這需要在防纏繞裝置上均勻設(shè)有多個出桿間隙，摟齒挑撥作物后順著出桿間隙收回至空腔；根據(jù)發(fā)明原理14（曲面化），將防纏繞裝置設(shè)為滾筒形式，滾筒結(jié)構(gòu)形式內(nèi)部形成空腔放置撥禾輪。

表6 適應(yīng)性及多用性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理分析應(yīng)用

通過上述分析，所設(shè)計防纏繞撥禾輪結(jié)構(gòu)與實物如圖8所示，防纏繞撥禾輪創(chuàng)新設(shè)計方案如下：增設(shè)撥禾輪與防纏繞裝置以保證切割的順暢性、有效性，將撥禾輪與防纏繞裝置設(shè)為可拆卸式結(jié)構(gòu)。撥禾輪由撥禾輪電機(jī)帶動撥禾旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸上四周均勻分布摟齒，摟齒將錯雜交織在一起的豌豆作物進(jìn)行挑起梳理，使得橫向刀片切割更加的順暢、充分[26-27]；防纏繞轉(zhuǎn)置通過嵌套方式環(huán)繞在撥禾輪外側(cè)，并設(shè)置出桿間隙為方便摟齒出桿挑起作物，防纏繞裝置設(shè)置為滾筒形式，摟齒和防纏繞裝置相互配合完成挑撥、收回動作，擋落纏繞的豌豆作物。撥禾輪可以輔助切割作業(yè)，并把割斷的禾稈推向割臺，清除切割器上的殘留莖稈，提高了作物喂入量、利于切割作業(yè)的正常進(jìn)行。

1.撥禾輪電機(jī) 2.防纏繞裝置 3.摟齒

3.2 輸送鋪放裝置創(chuàng)新設(shè)計

結(jié)合2.2節(jié)分析情況，本輸送方案中27可靠性和39生產(chǎn)率是技術(shù)矛盾中要改善的參數(shù)，可外加裝置（抖動導(dǎo)流板）使豌豆作物降低纏繞程度，并具備一定輔助輸送功能，而外加裝置又會使系統(tǒng)變得復(fù)雜；同時為保證高效輸送及排凈率，輸送鏈條上安置的輸送撥齒，應(yīng)設(shè)置不小于2排的輸送鏈條，同時適當(dāng)增加輸送鏈條上撥齒的數(shù)量，該方案給加工帶來了一定困難。在該技術(shù)矛盾中，36裝置的復(fù)雜性（外加裝置）、26物質(zhì)或事物的數(shù)量（增設(shè)鏈條數(shù)量）、32可制造性（復(fù)雜裝置制造困難）是惡化的參數(shù)。在矛盾沖突矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表7所示。

表7 輸送鋪放裝置的矛盾沖突矩陣

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元，對表7中的發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，對于可靠性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理有：1（分割）、3（局部質(zhì)量）、35（物理/化學(xué)參數(shù)變化）；對于生產(chǎn)率工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理有：1（分割）、10（預(yù)先作用）、24（中介物）、35（物理/化學(xué)參數(shù)變化）。表8所示為可靠性工程參數(shù)所選3個有價值發(fā)明原理的分析應(yīng)用，表9所示為生產(chǎn)率工程參數(shù)所選4個有價值發(fā)明原理的分析應(yīng)用。

表8 可靠性工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理分析應(yīng)用

表9 生產(chǎn)率工程參數(shù)有價值的發(fā)明原理分析應(yīng)用

依據(jù)表8對發(fā)明原理的具體描述分析，通過發(fā)明原理1（分割）提示，將輸送鋪放裝置分為輸送撥齒機(jī)構(gòu)、抖動導(dǎo)流板、鋪放擋板3個獨(dú)立部分；根據(jù)發(fā)明原理3（局部質(zhì)量）提示，輸送鋪放裝置的3個部分各自完成不同功能；根據(jù)發(fā)明原理35（物理/化學(xué)參數(shù)變化），可設(shè)置兩排輸送鏈條，分為上下輸送部分，使輸送鏈條部分最大限度地發(fā)揮輸送效能。依據(jù)表9具體描述分析，根據(jù)發(fā)明原理1（分割），輸送鋪放各部分設(shè)為可拆卸式，組裝拆卸方便且更換簡單；根據(jù)發(fā)明原理35（物理/化學(xué)參數(shù)變化），合理增加輸送裝置中機(jī)構(gòu)有效結(jié)構(gòu)密度；根據(jù)發(fā)明原理10（預(yù)先作用），在輸送部分下端設(shè)置抖動導(dǎo)流板，為最大限度提升導(dǎo)流作用，抖動導(dǎo)流板上設(shè)置3排振動鋸齒；根據(jù)發(fā)明原理24（中介物），利用中介物對豌豆作物進(jìn)行傳遞輸送，在輸送鏈條上設(shè)置輸送撥齒，輸送撥齒移動過程中與豌豆作物暫時接合，并帶動豌豆作物至排禾口處。

通過上述分析，所設(shè)計輸送鋪放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與實物如圖9所示，輸送鋪放裝置創(chuàng)新設(shè)計方案如下：將輸送裝置拆分為3個獨(dú)立部分，分別為輸送撥齒輸送部分、抖動導(dǎo)流板輔助輸送部分和鋪放擋板部分；為保證快速輸送作業(yè)，擬安裝上下兩條輸送鏈條，輸送鏈條上設(shè)置輸送撥齒，可帶動豌豆作物快速移至排禾口[28]；在輸送部分下端設(shè)置抖動導(dǎo)流板，模仿“篩”的動作以使豌豆作物處于抖動狀態(tài)，降低纏繞并實現(xiàn)輔助輸送；排禾口處設(shè)置曲面鋪放擋板，在輸送鏈條所在平面延伸形成曲面結(jié)構(gòu)，輸送撥齒帶動豌豆作物輸送至鋪放擋板處時，豌豆作物壓緊鋪放擋板，鋪放擋板會剝落輸送撥齒上的豌豆作物，剝落后的豌豆作物繞著彎曲的鋪放擋板落至地面。

1.鋪放擋板 2.輸送鏈條 3.抖動導(dǎo)流板 4.輸送撥齒

3.3 豌豆割曬機(jī)整機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

本次設(shè)計的豌豆割曬機(jī)搭載于混合動力農(nóng)機(jī)驅(qū)動裝備，采用液壓系統(tǒng)大幅度調(diào)整割臺高度，撥禾輪及割刀等裝置采用電機(jī)驅(qū)動，簡化機(jī)械傳動系統(tǒng)，助力農(nóng)用機(jī)械向著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。結(jié)合“物-場模型”確定的系統(tǒng)功能模式與“沖突解決原理”完成的部件創(chuàng)新設(shè)計有機(jī)整合，形成了豌豆整體割曬系統(tǒng)，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立的豌豆割曬機(jī)模型結(jié)構(gòu)如圖10a所示，進(jìn)行樣機(jī)試制加工，所得樣機(jī)尺寸參數(shù)為3 300 cm×1 665 cm×1 285 cm，割臺質(zhì)量為140 kg，撥禾輪質(zhì)量為110 kg，割曬機(jī)整機(jī)樣機(jī)如圖10b所示。

豌豆割曬機(jī)整機(jī)系統(tǒng)工作過程可分為以下幾步：1）將割刀調(diào)整到一個合適的高度，割曬機(jī)在動力機(jī)具的推動下前進(jìn)，仿形輪根據(jù)地形變化帶動割曬系統(tǒng)上下仿形運(yùn)動；2）立刀解除待割區(qū)與收割區(qū)的豌豆纏繞，撥禾輪挑起伏地的豌豆輔助割臺切割豌豆根部，使割茬高度保持一致；3）豌豆作物被切割后，被撥禾輪推至后部輸送機(jī)構(gòu)，輸送鏈條上的輸送撥齒撥動豌豆作物快速移動，底部抖動導(dǎo)流板進(jìn)行“篩”的動作以降低豌豆作物纏繞并實現(xiàn)輔助輸送；4）輸送撥齒帶動豌豆作物輸送至排禾口，排禾口處鋪放擋板剝落輸送撥齒上的作物完成鋪放作業(yè)。

圖10 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 田間試驗

對所設(shè)計的豌豆割曬機(jī)進(jìn)行田間試驗驗證，研究確定豌豆割曬機(jī)的最佳工作方案，從而提升收割作業(yè)質(zhì)量，推進(jìn)豌豆收獲機(jī)械化進(jìn)程。分別于2019年8月在北京平谷區(qū)（117°02′E，40°20′N）、2019年5月在河南省南陽市鎮(zhèn)平縣（112°09′E，32°97′N）、2019年9月在內(nèi)蒙古商都縣小劉盆地（113°49′E，41°78′N）3個不同地區(qū)的地點(diǎn)進(jìn)行了豌豆割曬機(jī)田間試驗。測定割曬機(jī)實際作業(yè)的割茬高度、收割損失率、漏割率、收割效率性能參數(shù)，對豌豆割曬機(jī)的適應(yīng)性、可靠性、生產(chǎn)率、收獲質(zhì)量等進(jìn)行綜合評價分析。田間試驗現(xiàn)場及收割效果如圖11所示，試驗結(jié)果如表10所示。

圖11 田間試驗

河南省南陽市鎮(zhèn)平縣試驗田屬于林間套作種植模式，分為2個區(qū)域，一部分為桂樹豌豆套種，另一部分為核桃樹豌豆套種，種植品種為奇珍76，農(nóng)戶按需收獲青豌豆，豌豆成熟度為60%；內(nèi)蒙古商都縣當(dāng)?shù)赝临|(zhì)屬于沙質(zhì)土，局部地勢高低起伏較為嚴(yán)重，豌豆品種為榮濤5號，由于土質(zhì)特性，豌豆作物矮小結(jié)莢率低，雜草較多，豌豆的成熟度達(dá)90%以上；北京平谷區(qū)豌豆種植規(guī)模超過300 hm2，地勢平坦，田間管理合理，種植品種為中豌8號，豌豆成熟度為85%?？傮w來說豌豆割曬機(jī)的割茬高度小于40 mm，收割效率可達(dá)0.13～0.19 hm2/h。試驗結(jié)果表明，豌豆割曬機(jī)作業(yè)效果性能穩(wěn)定，具有結(jié)構(gòu)精巧、操作簡便、高效實用的特點(diǎn)。

表10 試驗田樣機(jī)試驗結(jié)果

由表10可知，豌豆割曬機(jī)在北京平谷區(qū)收獲效果最佳，收割損失率僅有4.96%，漏割率為4.78%；河南試驗田地表不平坦、田間管理不到位，豌豆成熟度較低導(dǎo)致收割損失率達(dá)到9.79%；內(nèi)蒙古試驗田田間雜草眾多，沙質(zhì)土壤并有較多石塊，豌豆種植不均勻且存在有炸莢現(xiàn)象，收割損失率達(dá)到6.85%，漏割率為5.72%。由于割曬機(jī)體型小巧，無堵塞現(xiàn)象，豌豆割曬機(jī)能夠滿足大田作業(yè)、林間套作收獲作業(yè)。在田間管理較好、農(nóng)藝水平較高的地塊表現(xiàn)出較好的收獲效果。同時試驗也反映了要推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，必須堅持農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相互適應(yīng)、相互促進(jìn)。只有農(nóng)機(jī)農(nóng)藝高度相互融合，才能促進(jìn)建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展。

5 結(jié) 論

1）本文采用TRIZ理論對豌豆割曬系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了割曬系統(tǒng)的基本組成、功能模式以及關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計，提升了設(shè)計方案的可行性，成功設(shè)計并研制出國內(nèi)第一臺豌豆割曬機(jī)。

2）運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行了切割系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)的“物-場模型”功能分析，并根據(jù)豌豆收獲的特點(diǎn)提出了能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場有效耦合的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，為割曬作業(yè)過程的流暢、可靠、高效動作提供了保障；基于“沖突解決原理”對切割系統(tǒng)、防纏繞撥禾輪裝置、輸送鋪放裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，解決了系統(tǒng)在執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的低效、損失大、可靠性不足等方面的問題，并借助虛擬樣機(jī)技術(shù)完成了豌豆割曬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3）在3個地區(qū)進(jìn)行了田間試驗驗證，試驗表明所設(shè)計的豌豆割曬機(jī)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以滿足豌豆不同生長階段、不同生長模式下的收獲作業(yè)，條鋪整齊，割茬統(tǒng)一，輸送堵塞現(xiàn)象少，在田間管理較好地段收割損失率僅為4.96%，漏割率為4.78%。試驗證明只有農(nóng)機(jī)農(nóng)藝高度結(jié)合才能實現(xiàn)較高農(nóng)機(jī)化水平。本文研究為后續(xù)的豌豆收獲機(jī)械理論研究及試驗優(yōu)化設(shè)計提供了良好基礎(chǔ)。

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Luo Haifeng, Tang Chuzhou, Zou Dongsheng, et al. Experiment on reciprocating cutting of eulaliopsis binata stem[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 13-17. (in Chinese with English abstract)

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Design and experiment of pea windrower equipment with TRIZ theory

Li Jinfeng, Zhao Jiyun, Hou Xiuning, Liu Siyao, Zhang Xuemin※

(100083,)

In view of the fact that the current mechanization technology of pea harvesting in China is basically blank, in order to realize the matching operation of pea harvesting mechanization and reduce labor input, the first equipment of pea windrower in China was designed. The characteristics of the pea plant with the soft and creeping vines make it difficult for general machines to harvest effectively. At the same time, the machines will be blocked due to the instability of feeding during harvesting. Moreover, the plants are intertwined in the process of pea plant delivery, which is easy to form delivery blockage. These problems greatly reduce the reliability of the machine and increase the difficulty of continuous harvesting. The innovative design of pea windrower equipment was studied for filling the gap of mechanized harvesting of pea crops in China. Firstly, the characteristics of pea were studied and the problems in pea harvesting were analyzed. Then, based on the plant characteristics of pea, “substance-field model” function analysis of cutting system and conveying system was carried out based on “substance-field model” analysis method in TRIZ theory. Meanwhile, “conflict solving principle” was used to analyze and solve the contradictory conflict involved in the overall system. The appropriate solution was obtained and the main mechanism of the windrower was innovated according to the plant characteristics of pea. According to the analysis, the key components such as anti-winding reel and dithering guide plate were designed. The device can solve the intertwined and blocked problem in the harvest process and realize the efficient conveying and laying operation of pea harvester. The equipment of pea windrower was equipped with hybrid power agricultural machinery drive equipment, the usage of hydraulic system to greatly adjust the height of the header. The reel and cutter are driven by electric motor, which simplifies the mechanical transmission system and helps the agricultural machinery to develop towards the direction of energy conservation and environmental protection. Finally, based on the virtual prototype technology, the model of pea windrower was established and the prototype was manufactured. and field experiments were carried out in three experiment places of Henan Nanyang, Inner Mongolia Shangdu, Beijing Pinggu. In the process of the field experiment, windrowers showed strong adaptability, the height of cutting stubble was less than 40 mm and the harvesting efficiency reached 0.13-0.19 hm2/h. In the experiment of Beijing Pinggu, the harvest loss rate was 4.96%, the leakage sowing rate was 4.78%. The results indicated that the pea windrower could meet the requirements of harvesting in different growth stages and different growth modes with neat strips and uniform stubble, and less conveying blockage. The experiments showed that the combination of agricultural machinery and agronomy can achieve a higher level of agricultural mechanization. The study can provide reference for the mechanical equipment research of pea harvest, and it is helpful to break through the bottleneck of mechanization in the key link of pea harvest, realize the popularization and application of pea production technology in China, and accelerate the development speed and quality of pea production mechanization.

agricultural machinery; test; innovative design; windrower; peas; TRIZ theory

李金鳳，趙繼云，侯秀寧，等. 采用TRIZ理論的豌豆割曬機(jī)械裝備設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(8)：11-20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.002 http://www.tcsae.org

Li Jinfeng, Zhao Jiyun, Hou Xiuning, et al. Design and experiment of pea windrower equipment with TRIZ theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 11-20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.002 http://www.tcsae.org

2019-12-13

2020-04-12

科技部創(chuàng)新方法工作專項（2016IM030200）

李金鳳，博士生，主要從事車輛工程研究。Email：lijinfengvip163@163.com

張學(xué)敏，副教授，主要從事車輛節(jié)能環(huán)保與新能源技術(shù)研究。Email：xuemin zh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.002

S225

A

1002-6819(2020)-08-0011-10