TRIZ輔助馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置創(chuàng)新設計

付敏 李慶雙 郝鎰林 高風

摘要：針對馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置存在薯土分離不充分、傷薯率高等問題，應用TRIZ理論對薯土分離輸送裝置進行創(chuàng)新設計；基于系統(tǒng)功能分析識別薯土分離輸送裝置的功能缺陷，應用物場模型、技術矛盾、物理矛盾等TRIZ工具求解創(chuàng)新方案，設計一種具有雙抖動單元和降運抖動篩面的薯土分離輸送裝置?；谳斔秃Y面上薯土秧混合物的力學分析，確定篩面傾角范圍為β≤32°；結合理論分析和生產實際確定一階升運篩面傾角為20°、二階升運篩面傾角為16°、降運抖動篩面傾角10°、抖動單元振幅為21 mm、分離篩桿條間距為50 mm、各階篩面輸送有效長度分別為450 mm、600 mm、1 000 mm 和100 mm。通過升運分離篩和降運分離篩抖動篩面的運動學分析對比，驗證創(chuàng)新方案的合理性。

關鍵詞：馬鈴薯收獲機；薯土分離；輸送裝置；TRIZ

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0006-07

Abstract： Aiming at the problems of insufficient separation of potato and soil as well as high injury rate of potato in potatosoil separating and conveying device for potato harvester， an innovative design of potatosoil separating and conveying device assisted by TRIZ theory was carried out. Based on the analysis of systematic function， the functional defects of the potatosoil separating and conveying device were identified. A set of TRIZ tools including sufield model， technical contradiction， and physical contradiction were applied to seek innovative solutions. A potatosoil separating and conveying device with a double jitter unit and downwardmotion jitter screen surface was designed. Through the mechanical analysis of the mixture of potato， soil and vine on the conveying screen surface， the angle range of tilt of sieve surface was defined to be β≤32°. Combined with theoretical analysis and production practice， the angle of firstorder ascending sieve surface was 20° while the secondorder one was 16°， and the angle of descending sieve surface was 10°. The amplitude of jittering unit was 21 mm， the spacing of separating sieve rod was 50 mm， and the effective conveying lengths of sieve surfaces of each stage were 450 mm， 600 mm， 1 000 mm and 100 mm respectively. Via the kinematic analysis and comparison of the jitter screen surface including ascending as well as descending separation screen， the rationality of the innovative scheme was verified.

Keywords： potato harvester; potatosoil separation; conveying equipment; TRIZ

0引言

目前，國內常用的牽引式馬鈴薯收獲機具有輕便、耐用、安裝方便和動力消耗少的特點，收獲作業(yè)前期需殺秧作業(yè)，作業(yè)后期輔以人工撿拾和清選，但自動化程度低。

馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置的作用是將馬鈴薯與土壤和秧蔓分離并輸送鋪放至地面。國外薯土分離輸送一般采用氣動式薯土分離原理或者兩級升運鏈、三級連續(xù)分離和完全模塊化等作業(yè)方式，但因整機龐大、價格昂貴等因素，不適合中國馬鈴薯小農種植國情［12］。國內魏忠彩等［3］采用一級升運分離篩+兩級振動分離的薯土分離輸送方式，薯土分離效果得到提升，但馬鈴薯易沿篩面反向回流。魏忠彩等［4］設計的擺抖薯土分離裝置，可減輕薯土分離作業(yè)負荷，但因兩端擺抖連桿的存在，增加回流作用次數。謝勝仕等［5］設計的薯土分離輸送裝置以升運鏈和擺動分離篩為核心，但擺動分離篩易造成馬鈴薯碰撞和回流。楊然兵等［6］以多組傾斜撥輥作為薯土分離輸送裝置，傷薯率降低，但撥輪間隙易發(fā)生土壤堵塞，影響薯土分離效果。呂金慶等［7］設計的4U2A型馬鈴薯挖掘機借助兩級升運鏈和一級振動分離組成薯土分離輸送裝置，篩面行程增加，增強了薯土分離效果，但兩級升運鏈的空間布局增加了馬鈴薯碰撞動能，易增加傷薯率。此外，土壤黏性、抖動單元振動頻率等因素均影響薯土分離效果和傷薯程度［8］。

近年來，TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論在農業(yè)機械裝備的創(chuàng)新設計中得到廣泛應用，提高了設計質量和效率［912］。本文應用TRIZ理論對薯土分離輸送裝置進行創(chuàng)新設計，基于系統(tǒng)功能分析發(fā)現(xiàn)薯土分離輸送裝置功能缺陷，應用物場模型、技術矛盾、物理矛盾等TRIZ方法求解創(chuàng)新方案；基于升運段篩面薯土秧混合物力學分析以及抖動單元振幅、分離篩桿條間距和篩面輸送長度的設計，確定薯土分離輸送裝置關鍵參數；通過升運抖動篩面和降運抖動篩面的運動學分析對比，驗證創(chuàng)新方案的合理性。

1馬鈴薯收獲機整體結構及工作原理

1.1馬鈴薯收獲機整體結構

常用的牽引式馬鈴薯收獲機整體結構如圖1所示，主要包括仿形輪機構、圓盤切刀機構、夾秧輪機構、挖掘鏟機構、前分離篩機構以及后分離篩機構。

1.2工作原理

馬鈴薯收獲機通過懸掛系統(tǒng)與拖拉機連接，拖拉機通過傳動軸將動力傳輸給馬鈴薯收獲機。收獲作業(yè)時，先將仿形輪與田間種植壟型對齊，調整好挖掘深度后開始作業(yè)。在拖拉機牽引下，挖掘鏟不斷地挖掘薯土秧混合物，同時圓盤切刀通過與土壤的摩擦力切割種植壟型兩側的秧蔓；在前分離篩和夾秧輪的旋轉作用下，馬鈴薯、土壤、壟頂和壟側秧蔓進入前分離篩，進行薯土和薯秧的初步分離后，進入后分離篩進行二次薯土、薯秧分離，馬鈴薯則通過后分離篩的低位鋪放裝置掉落在地面。

1.3薯土分離輸送過程存在的問題

馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置主要由兩級分離篩和抖動單元組成，收獲作業(yè)時，土壤破碎、分離的效果不僅受到土壤環(huán)境、薯土分離輸送行程、抖動單元頻率、薯土分離裝置橡膠皮帶張緊程度等工作參數影響，還與薯土分離輸送裝置的結構形式密切相關［1314］。升運抖動篩面結構示意及薯土秧混合物的受力分析見圖2，在薯土分離輸送作業(yè)時存在以下問題。

1） 薯土秧混合物輸送時，在重力G沿平行篩面方向的斜向分力G1作用下，升運分離篩的抖動篩面易造成薯土秧等混合物沿篩面回轉方向的反向回流，降低輸送效率。

2） 因抖動單元中的圓柱形橡膠輪與薯土分離裝置篩面存在接觸，部分篩面產生簡諧振動，使得馬鈴薯被拋離篩面，當其降落時與分離篩桿條發(fā)生彈塑性碰撞，造成馬鈴薯損傷。

2TRIZ輔助馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置創(chuàng)新設計

2.1功能分析

功能分析是TRIZ理論體系中分析問題的重要工具之一，可以清晰地反映技術系統(tǒng)的組成結構、各組件之間的關系及功能作用，發(fā)現(xiàn)解決問題的切入點［15］。馬鈴薯收獲機系統(tǒng)作用對象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件如表1所示。

依次分析各組件之間的作用關系，建立系統(tǒng)功能模型圖（圖3）。

由圖3可知，薯土分離輸送裝置存在兩個關鍵功能缺陷。

（1） 抖動單元對后分離篩的抖動作用不足，使得土壤破碎、分離效果不理想。

（2） 升運結構中后分離篩的部分篩面在抖動單元作用下做簡諧振動時，重力分力G1造成薯土秧混合物沿篩面回流，屬于有害作用。

2.2應用物場模型求解

物場模型是TRIZ理論中解決問題的工具，基于系統(tǒng)功能模型圖（圖3）構建問題物場模型［15］，如圖4所示。

針對圖4（a）升運抖動篩面造成薯土秧混合物回流的有害作用，應用TRIZ標準解［15］S1.2.2—引入物質S1或S2的變形，提出概念方案1—降運抖動篩面：將抖動單元上方的篩面設計為遞降式坡度（圖5），在薯土秧混合物輸送過程中，當薯土秧混合物被拋離降運抖動篩面時，重力分力G3使薯土秧混合物沿篩面向下加速滾動，提高薯土秧混合物的輸送效率。

針對圖4（b）抖動單元對分離篩的抖動作用不足，應用TRIZ標準解［15］S2.1.2—雙物場模型增強不足作用，提出概念方案2—雙抖動單元：將原有單一抖動單元改為雙抖動單元，增加抖動篩面的長度，以增強薯土分離效果。

2.3應用技術矛盾求解

由系統(tǒng)功能模型圖（圖3）確定待解決的技術矛盾［15］發(fā)生在提高薯土分離程度與傷薯率增加之間，發(fā)生在增大桿條間隙的時候。

查找發(fā)生技術矛盾的參數［15］：改善的參數是NO26—物質的量；惡化的參數是NO.30—作用于物體的有害因素。查找矛盾矩陣表［15］，得到推薦的發(fā)明原理為NO.35—物理或化學參數變化法、NO.33—同質法、NO.29—氣壓或液壓結構法、NO.31—多孔材料法。

應用NO.29—氣壓或液壓結構法，提出概念方案3—氣力式薯土分離裝置：借助高速氣流對篩面土壤、塊狀馬鈴薯表面黏附土壤以及分離篩桿條黏附土壤進行吹離，提高薯土分離效果，且避免抖動單元振動造成的馬鈴薯碰撞損傷。

2.4應用物理矛盾求解

確定物理矛盾［15］：分離篩桿條間隙既應該大，以滿足提高薯土分離率的要求；分離篩桿條間隙又應該小，以滿足減小傷薯率的要求。

應用條件分離原理［15］提出概念方案4—土壤破碎裝置：收獲作業(yè)時，由破碎彈齒組成的前置土壤破碎輥對塊狀土壤和篩面松散土壤進行初步擠壓、破碎。隨后，在分離篩運轉作用下，進入由破碎彈齒組成的后置土壤破碎輥作業(yè)區(qū)域，進行塊狀土壤和篩面松散土壤的二次破碎、分離。

2.5薯土分離輸送裝置整體結構

經方案評價與綜合，創(chuàng)新設計了一種具有雙抖動單元和降運抖動篩面的馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置，如圖6所示。

薯土分離輸送裝置的分離篩由一階升運篩面、二階升運篩面、降運抖動篩面和張緊篩面組成，收獲作業(yè)時，在分離篩旋轉作用下，薯土秧混合物依次進入一階升運篩面、二階升運篩面、降運抖動篩面和張緊篩面完成薯土分離和馬鈴薯鋪放。裝置中的雙抖動單元增加了抖動篩面長度，可增強薯土分離效果；降運抖動篩面可提高薯土秧混合物的輸送效率，并減少馬鈴薯碰撞損傷。

2.6薯土分離輸送裝置關鍵參數確定

2.6.1篩面傾角的確定

若分離篩升運段篩面傾角過大，會影響薯土秧混合物進入分離篩，并在分離篩前部、挖掘鏟、仿形輪以及圓盤切刀四者形成的空間區(qū)域A產生堆積，如圖7所示。

若分離篩篩面傾角過小，會減小馬鈴薯收獲機空間利用率，縮短分離篩輸送行程，降低薯土分離效果。

本文通過分離篩篩面的薯土秧混合物力學分析確定升運段篩面傾角，如圖8所示。

假設薯土秧混合物為某一質點、分離篩篩面為平面，且忽略空氣阻力。為保證薯土秧混合物沿分離篩升運段篩面正常輸送，應滿足的條件如下

薯土分離輸送裝置分離篩由多根等間距的65Mn圓桿條組成，圓桿條與塊狀馬鈴薯的靜摩擦系數μ為0.445～0.644［1617］。代入式（2）可得，β≤32°。

結合企業(yè)實際生產經驗，馬鈴薯收獲機在田間收獲作業(yè)時要求機器工作傾角調節(jié)范圍為5°～10°，確定一階升運篩面傾角β1為20°，以保證薯土秧混合物的正常輸送作業(yè)。

牽引式馬鈴薯收獲機既要求整體尺寸較小以減輕拖拉機負載和便于田間作業(yè)，又要求增加薯土分離行程以提高薯土分離效果，因此薯土分離輸送裝置一般要設置二階升運篩面，以提高收獲機空間利用率。同時，為保證馬鈴薯輸送效果，二階升運篩面傾角要小于一階升運篩面傾角，據此，本文確定二階升運篩面傾角β2為16°。

考慮收獲作業(yè)時的機器工作調節(jié)傾角為5°～10°，同時為保證分離篩抖動篩面一直處于遞降式坡度結構，現(xiàn)取最大工作調節(jié)傾角10°作為降運抖動篩面的傾角值，即β3=10°。

2.6.2抖動單元振幅的確定

抖動單元用于離散薯土秧混合物，增大塊狀土壤破碎程度，強化土壤、短小秧蔓分離效果。根據TRIZ物場模型求解方案，兩個抖動單元均安裝在遞降式坡度結構篩面下方，形成降運抖動篩面。單個抖動單元結構如圖9所示，直徑為40 mm的抖動軸回轉一周，直徑為70 mm的橡膠輪與輸送帶發(fā)生4次接觸，篩面完成4次簡諧振動，可增強土壤破碎、分離能力，提高收獲作業(yè)明薯率。

抖動單元的振幅為15～60 mm［18］，基于高頻低幅原理的碰撞減損策略，設計抖動單元振幅為21 mm，實現(xiàn)低幅振動，減少馬鈴薯碰撞損傷。

2.6.3桿條間距的確定

65Mn材質的分離篩圓桿條直徑為9～11 mm［19］，為提高分離篩工作可靠性，增大桿條強度，本文選取桿條直徑為11 mm。中國馬鈴薯薯塊空間最小尺寸在30～80 mm之間［3］，為使相鄰兩個分離篩桿條較好地支撐、輸送塊狀馬鈴薯，同時為提高薯土分離效果、減少桿條數量和減輕機器重量，選取相鄰桿條間距為50 mm。

2.6.4篩面輸送有效長度

收獲作業(yè)時，在分離篩的旋轉作用下，薯土秧混合物依次進入各篩面完成薯土分離和馬鈴薯鋪放。分離篩完成土壤破碎和分離的分離篩篩面有效長度在1 340～2 140 mm之間［19］，為提高土壤分離效果，選取篩面輸送有效長度為2 150 mm。結合企業(yè)工作人員經驗，選取一階升運篩面有效長度為450 mm、二階升運篩面有效長度為600 mm?？紤]遞降式坡度結構篩面需安裝雙抖動單元，選取降運篩面有效長度1 000 mm。為增加分離篩篩面與分離篩主驅動輪的嚙合包角，降運抖動篩面后接100 mm長度張緊篩面，以便安裝張緊膠輪。

3薯土分離輸送裝置抖動篩面的運動學分析

通過升運抖動篩面和降運抖動篩面薯土秧混合物的運動學分析，對比馬鈴薯拋離抖動篩面高度H的大小，驗證降運抖動篩面的合理性。

薯土秧混合物在抖動單元的作用下，被抬起或拋離篩面，隨后降落在篩面。拋離高度H的大小與馬鈴薯碰撞損傷有關，拋離高度H越小，馬鈴薯和篩面桿條的碰撞動能越小，馬鈴薯損傷程度越低。

比較式（4）和式（5）可知，在同樣的振幅和頻率下，降運抖動篩面上的薯土秧混合物拋起高度H2小于升運抖動篩上的薯土秧混合物拋起高度H1，可減小馬鈴薯的碰撞損傷，驗證了概念方案的合理性。

4結論

1） 針對馬鈴薯收獲機薯土分離輸送裝置土壤分離效果不理想、升運抖動篩面易造成馬鈴薯回流、馬鈴薯碰撞損傷問題，應用TRIZ系統(tǒng)功能分析明確馬鈴薯收獲機各組件作用關系并發(fā)現(xiàn)問題切入點，應用物場模型、技術矛盾、物理矛盾等工具為創(chuàng)新設計提供思路。

2） 所設計的降運抖動式薯土分離輸送裝置，采用雙抖動單元以增加抖動篩面長度，增強薯土分離效果；通過降運抖動篩面可減小馬鈴薯拋起高度，降低馬鈴薯碰撞損傷，同時提高馬鈴薯輸送效率。

3） 通過升運段篩面上薯土秧混合物的力學分析，確定升運段篩面傾角β≤32°，以保證薯土秧混合物沿篩面有效輸送，并設計一階升運篩面傾角為20°、二階升運篩面傾角為16°和降運抖動篩面傾角為10°；基于理論分析，設計抖動單元振幅為21 mm，分離篩抖動篩面實現(xiàn)低幅抖動，降低馬鈴薯碰撞損傷；結合生產實際，設計分離篩桿條間距為50 mm，并確定一階升運篩面長度為450 mm、二階升運篩面長度為600 mm、降運抖動篩面長度為1 000 mm和張緊篩面長度為100 mm。

4） 對抖動篩面進行了運動學分析，結果表明，降運抖動篩面引起的馬鈴薯拋起高度H2小于升運抖動篩面的馬鈴薯拋起高度H1，驗證創(chuàng)新方案的合理性。

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