花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的創(chuàng)新設(shè)計

房慶柳，李國昉*，陳立東，王逸飛，蔣延金，杜鳳永

(1 河北科技師范學院機電工程學院，河北 秦皇島，066600；2 河北永發(fā)鴻田農(nóng)機制造有限公司)

摘果是花生收獲過程中的重要環(huán)節(jié)，摘果裝置廣泛應(yīng)用于聯(lián)合收獲機和花生摘果機上。提高花生的摘凈率和降低莢果的破碎率，是優(yōu)化收獲機械摘果性能的重要途徑[1]。摘果裝置的設(shè)計多采用傳統(tǒng)設(shè)計方法進行，摘凈率和破碎率等指標不能滿足國家標準。TRIZ作為一種創(chuàng)新設(shè)計方法，可以提供良好的構(gòu)架和解決問題的方案。利用TRIZ 方法對摘果裝置進行創(chuàng)新設(shè)計，以尋求優(yōu)化的摘果裝置的解決方案。

1 TRIZ創(chuàng)新理論概述

TRIZ集成了各領(lǐng)域解決同類問題的知識和經(jīng)驗，通過系統(tǒng)化地解決問題流程，突破個人知識的局限性，避免思維的慣性。經(jīng)過多年發(fā)展，TRIZ理論逐漸被世界各國所接受，為創(chuàng)新設(shè)計發(fā)展和普及提供了良好的工具和平臺[2，3]。應(yīng)用TRIZ理論，可以把有缺陷的物體、結(jié)構(gòu)、想法等通過創(chuàng)新思維重新設(shè)計出來；利用TRIZ中的工具，如矛盾矩陣中使用的發(fā)明原理、物—場模型中的標準解等，可求出問題的普適解或稱模擬解(Analogous solution)。TRIZ理論非常適合花生摘果裝置等機械部件的創(chuàng)新設(shè)計。

2 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置現(xiàn)存的問題

農(nóng)業(yè)部對花生收獲機械摘果作業(yè)的要求是：半喂入聯(lián)合收獲機的摘凈率在99%以上，破碎率在1%以下；全喂入聯(lián)合收獲機的摘凈率在98%以上，破碎率在2%以下[4]?？梢妼Π胛谷胧绞斋@機摘果質(zhì)量要求更高一些，但因其適應(yīng)性較差和生產(chǎn)效率較低，市場占有率較小[3]。全喂入式收獲機適用于較干的花生，對花生品種和種植要求不高，北方的聯(lián)合收獲機和兩段撿拾收獲機上較多采用[5]。我國花生種植面積廣，種植農(nóng)藝各異，花生收獲機的應(yīng)用有著較強的地域性和農(nóng)藝適應(yīng)性，大多數(shù)摘果裝置只適用于當?shù)氐幕ㄉ斋@，不能大面積推廣；有些摘果裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，后期維修和保養(yǎng)困難；有些摘果裝置對莢果的摘凈率和破碎率改善不明顯。廣泛應(yīng)用的軸流式摘果裝置，只配備1個摘果滾筒，機型較小，生產(chǎn)率較低。隨著花生種植面積的增加和勞動力成本上漲，大幅寬、高生產(chǎn)率的花生收獲機型需求越來越大。切流滾筒在喂入量、含水率、花生品種等方面都有良好適應(yīng)性，尤其適用于大型花生聯(lián)合收獲機[6]。

3 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置問題的TRIZ理論分析

摘果裝置的結(jié)構(gòu)決定著摘凈率和莢果破碎率等性能指標，直接影響著收獲質(zhì)量。利用TRIZ理論提供的良好構(gòu)架和解決問題的程序，對摘果裝置進行創(chuàng)新設(shè)計，以期解決現(xiàn)有摘果裝置中存在的摘果不凈、莢果破碎率高的問題，圖1為花生聯(lián)合收獲機摘果裝置創(chuàng)新問題解決流程。

圖1 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置創(chuàng)新問題解決流程

花生聯(lián)合收獲機主要包括挖掘、輸送夾持、摘果、分離清選和收集等裝置。摘果裝置是聯(lián)合收獲機關(guān)鍵裝置之一，主要由摘果輥和凹板篩組成，摘果輥包含摘果滾筒和摘果齒。圖2是花生聯(lián)合收獲機的結(jié)構(gòu)簡圖和摘果裝置示意圖，其中：a是聯(lián)合收獲機的結(jié)構(gòu)簡圖；b是摘果滾筒結(jié)構(gòu)。

3.1.1功能分析摘果裝置主要包括摘果滾筒、摘果元件、傳動裝置、固定齒、固定齒安裝軸和凹板篩等?；ㄉ?lián)合收獲機摘果裝置系統(tǒng)分析見表1。

表1 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置系統(tǒng)分析

在系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，建立花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的功能模型(圖3)，明確各組件間的相互作用關(guān)系。其中：傳動裝置中摘果滾筒轉(zhuǎn)速和單個滾筒的作用時間，是造成摘果不干凈的最主要的不足因素；固定齒對摘果強度有不足作用。

3.1.2因果分析對摘果裝置進行的因果分析表明，摘果不干凈、莢果破碎率高是造成摘果性能差的2個原因，而滾筒摘果時間短、摘果間隙過大是摘果不干凈的原因；摘果滾筒轉(zhuǎn)速過高、摘果元件的材料選擇不合理是莢果破碎率高的原因。深入分析上述4個原因可得出，最根本原因為：單個滾筒導(dǎo)致摘果作用時間短、沒有調(diào)節(jié)機構(gòu)導(dǎo)致摘果間隙不合理、人力控制不準確導(dǎo)致摘果滾筒轉(zhuǎn)速太高、摘果元件材料不適導(dǎo)致摘果元件不合理。圖4為花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的因果分析過程。

圖3 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的功能模型

圖4 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的因果分析

3.1.3沖突區(qū)域確定因果分析得到的原因中，推導(dǎo)出摘果裝置中的可控可改變的最根本原因，與最根本原因相關(guān)的沖突區(qū)域即為最終的沖突區(qū)域?；ㄉ?lián)合收獲機摘果裝置推導(dǎo)出最終的沖突區(qū)域為：提高摘凈率；降低莢果破碎率。

3.1.4理想解分析摘果裝置的最優(yōu)摘果狀態(tài)是最終理想解，但又是很難達到的狀態(tài)。一般情況下退而求其次，以低于最優(yōu)摘果狀態(tài)的某個水平作為摘果裝置改進的目標。理想解分析就是為了確定摘果裝置改進時能夠達到的目標而進行的分析。

通過最根本原因分析，在摘果裝置功能模型上確定2個沖突區(qū)域為提高摘凈率和降低破碎率。圍繞這2個沖突區(qū)域進行問題求解，這是摘果裝置改進的一般思路，但同時也限定了解的等級不高。為達到更好的創(chuàng)新設(shè)計要求，需要進行理想解分析。本次設(shè)計中的最終理想解為：莢果都摘取下來，莢果沒有破碎。次理想解為：通過調(diào)節(jié)控制摘果的摘凈率和破碎率。花生聯(lián)合收獲機摘果裝置理想解的分析過程見表2。

表2 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置理想解分析過程

3.1.5可用資源分析法解決摘果裝置中的摘凈率不高、莢果破碎率嚴重等問題時，按照發(fā)明資源的可及性和資源所在區(qū)域?qū)①Y源分為：內(nèi)部資源(沖突區(qū)域內(nèi)部資源)、外部資源(沖突區(qū)域外部系統(tǒng)內(nèi)資源)和超系統(tǒng)資源。通過對花生聯(lián)合收獲機摘果裝置中的內(nèi)部和外部資源進行分析，確定可用資源，并對可用資源進行評價，結(jié)果見表3。

表3 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)部資源、外部資源分析

4 摘果裝置的改進設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)計方法是以經(jīng)驗總結(jié)為基礎(chǔ)，運用力學和數(shù)學的經(jīng)驗、公式、設(shè)計手冊等作為設(shè)計依據(jù)，通過經(jīng)驗公式、近似系數(shù)等方法進行設(shè)計，很容易局限設(shè)計者的思維。應(yīng)用TRIZ理論方法對摘果裝置進行創(chuàng)新設(shè)計，可以通過矛盾矩陣方法通過對40個發(fā)明原理進行創(chuàng)新設(shè)計，也可以通過物—場模型方法，利用76個標準解進行研究[2，3]。本次研究采用矛盾矩陣方法中的39個工程參數(shù)和物—場模型中的6種解法2種創(chuàng)新方法尋求摘果裝置的創(chuàng)新設(shè)計。

4.1 摘果元件的創(chuàng)新設(shè)計

彈齒式摘果元件在弓齒式、釘齒式、板齒式摘果滾筒中廣泛應(yīng)用。原有摘果裝置上，每個方管上間隔設(shè)置有多個U型彈簧，相鄰方管上的U型彈簧交錯設(shè)置；U型彈簧通過壓墊、螺栓固定安裝在方管上。U型彈簧可實現(xiàn)柔性摘果，避免高速撞擊打擊，減少碎果和破果，脫果干凈[8]。

4.2 解決沖突區(qū)域

4.2.1提高莢果的摘凈率的解決方案

方案1：矛盾矩陣方法

現(xiàn)今摘果裝置中的摘凈率和破碎率不能滿足使用要求，為了提高摘凈率，一般提高滾筒的轉(zhuǎn)速，但單滾筒摘果裝置中，花生秧蔓在滾筒中停留時間短，摘果元件的作用弱，從而導(dǎo)致莢果不完全摘凈。利用矛盾矩陣方法中的39個通用工程參數(shù)分析，得出改善參數(shù)為速度(No.9)和惡化參數(shù)為運動物體的作用時間(No.15)[6，7]。

結(jié)合矛盾矩陣，得到3條發(fā)明原理來解決這個矛盾，分別是：(No.3)局部質(zhì)量原理、(No.5)組合原理、(No.35)物理和化學參數(shù)改變原理[9～11]。運用組合原理，在不減少滾筒作用時間的前提下，將滾筒副增加到3個；每個滾筒副的速度逐次降低，使得摘果性能達到最優(yōu)的狀態(tài)。每個滾筒副都包含1個摘果輥和1個凹板篩，摘果輥上有摘果滾筒和彈齒式摘果元件，凹板篩上有固定齒和調(diào)節(jié)機構(gòu)，改進的花生聯(lián)合收獲機摘果裝置簡圖見圖5。

圖5 改進后的花生聯(lián)合收獲機摘果滾筒

方案2：物—場模型分析

通過TRIZ理論中的物—場分析方法對摘果裝置進行研究，先建立花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型(圖6)。

假設(shè)摘果裝置通過恒定的機械作用把莢果摘取下來。因花生品種和收獲時間不同，花生秧果物料特性不同，固定的摘果間隙不能滿足物性不同的花生摘取，導(dǎo)致摘凈率不高。采用第6種解法[7]，即通過引入第3種物質(zhì)并增加另外1個場來強化摘果性能，利用物—場分析的標準解尋求對摘果裝置的摘凈率不高的問題。

根據(jù)所建問題的物質(zhì)—場模型，應(yīng)用標準解解決流程，得到標準解為No.15(S2.1.2 雙物—場模型)。依據(jù)選定的標準解，得到問題的解決方案為通過引入新的調(diào)節(jié)機構(gòu)和場F2來增強F1的作用[12]。改進之后花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型見圖7。

加入1個調(diào)節(jié)機構(gòu)，摘果裝置可以滿足不同地區(qū)、不同品種的花生莢果類型，改善摘果不凈的問題(圖7)。圖8是調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，將調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在固定齒的安裝軸上，通過改變調(diào)節(jié)機構(gòu)把手的位置即可確定適當?shù)恼g隙。

圖6 原有花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型 圖7 改進后的花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型

圖8 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置加入的調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)1 調(diào)節(jié)把手；2 調(diào)節(jié)板；3 把手固定板；4 把手調(diào)節(jié)孔

4.2.2降低莢果的破碎率解決方案當摘果滾筒的轉(zhuǎn)速超過一定界限時，莢果的破碎率也會隨之增加。假設(shè)摘果裝置以高速將大部分莢果都摘下來，摘凈率滿足相關(guān)標準，但莢果破碎率也逐漸增大。采用第2種解法[7]，通過引入第3種物質(zhì)并增加另外1個場來強化有用效應(yīng)，利用物—場分析的標準解來解決莢果破碎率。

先建立原有花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型圖(圖9)，應(yīng)用標準解解決流程，得到標準解為No.9(S1.2.1引入S3消除有害效應(yīng))。對標準解進行分析可知，摘果裝置存在莢果破碎率高的危害作用，又無法限制傳動裝置對莢果的作用，在二者間引入監(jiān)測系統(tǒng)以消除有害作用，保證速度和摘果間隙滿足摘果性能的要求。

改進之后的花生聯(lián)合收獲機摘果裝置物質(zhì)—場模型見圖10。

圖9 原有花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型 圖10 改進后的花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的物—場模型

創(chuàng)新設(shè)計后的摘果裝置包括3個摘果滾筒副、傳動裝置和監(jiān)測系統(tǒng)。摘果副中包含摘果滾筒和凹板篩，摘果滾筒上有彈性摘果齒；凹板篩上有調(diào)節(jié)機構(gòu)、固定齒和固定齒角度調(diào)整軸?；ㄉ砺邢蜻M入摘果滾筒，經(jīng)過摘果元件和底部凹板篩的固定齒的刷拉，使得莢果從秧蔓上分離。底部凹板篩的固定軸調(diào)整機構(gòu)可以調(diào)節(jié)摘果強度，防止莢果破碎嚴重。第1個摘果滾筒轉(zhuǎn)速最快，摘果強度最高，后續(xù)摘果滾筒的轉(zhuǎn)速逐漸降低，花生莢果、碎秧和土塊經(jīng)凹板篩落入振動篩進行清選。在摘果滾筒內(nèi)部安裝監(jiān)測設(shè)備，保證摘果速度滿足摘果性能的要求，效果有待以后驗證。

5 結(jié)論與討論

通過利用TRIZ對摘果裝置進行了創(chuàng)新設(shè)計，采用了技術(shù)矛盾方法和物-場模型方法，對現(xiàn)有摘果裝置所存在的問題進行分析，得到了解決問題的方案，為了提高莢果摘凈率高的問題，通過矛盾矩陣方法得出3個滾筒副組合和利用物—場模型的第6種解法增加1個調(diào)節(jié)機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計；為了降低莢果破碎率高這一難題，通過物—場模型的第6種解法增加1個監(jiān)測設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計。本次進行的創(chuàng)新設(shè)計其效果有待今后實踐檢驗。