基于TRIZ方法的根莖類農(nóng)作物收獲機械創(chuàng)新設(shè)計

武林岳，張士軍，張繼國，李成真

（山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南250101）

隨著科學技術(shù)的提高和農(nóng)業(yè)研究的發(fā)展，越來越多的高產(chǎn)量根莖類農(nóng)作物（生姜、馬鈴薯等）品種成功研制，使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)收獲中，根莖類農(nóng)作物畝產(chǎn)不斷提高，且因其種植周期短、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，逐漸成為一些農(nóng)民的主要經(jīng)濟來源。但從目前的收獲環(huán)境來看，國內(nèi)的根莖類農(nóng)作物收獲不能達到全機械化收獲程度，收獲機械化率較低。以花生為例，據(jù)統(tǒng)計[1]，目前我國花生的收獲機械化率僅40%左右。為了響應我國《中國制造2025》的政策引導與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級，利用TRIZ創(chuàng)新方法對傳統(tǒng)的收獲機械創(chuàng)新，設(shè)計出一款更合理的根莖類農(nóng)作物智能收獲機械，提高工作效率。

1 TRIZ方法的應用與對機械的創(chuàng)新

1.1 為什么要用TIRZ方法

TRIZ是系統(tǒng)化的方法，在TRIZ中，問題的分析采用了通用且詳細的模型與理論方法[2]，使創(chuàng)新有了系統(tǒng)化知識與解決問題的系統(tǒng)化過程。

1.2 應用TRIZ方法對收獲機械現(xiàn)狀的分析

本項目基于現(xiàn)有收獲環(huán)境，對根莖類農(nóng)作物（生姜、馬鈴薯、花生等）進行收獲機械的研究。以生姜收獲機為例，如圖1、圖2所示，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械的專利數(shù)量與S曲線[3]的特點，收獲機械的技術(shù)性能已經(jīng)處于成熟期或衰退期，因而需要一種新型且創(chuàng)新點突出的收獲機械。

圖1 生姜收獲機專利數(shù)量分析圖

圖2 S曲線各階段特點分析圖

1.3 創(chuàng)新方向的確定

1.3.1 創(chuàng)新方向的總結(jié)

1）最終理想解：為了獲取完整干凈沒有莖稈的農(nóng)作物果實，采用機械自動收獲處理的作業(yè)方式。

2）九屏法：對子系統(tǒng)、系統(tǒng)和超系統(tǒng)的分析，可利用系統(tǒng)的內(nèi)部資源（莖稈）與超系統(tǒng)隱性資源能源（電能、化學能等）。

3）金魚法：對構(gòu)想進一步分析，結(jié)合現(xiàn)有專利的設(shè)備功能，細化了機械的功能與結(jié)構(gòu)。

1.3.2 機械進一步規(guī)劃的功能需要與結(jié)構(gòu)設(shè)想

如表1所示[4]，為機械所需功能。接下來需要對實際環(huán)境進一步分析，以確定合理的結(jié)構(gòu)。

表1 目的需要與機械對應功能分析

1.4 技術(shù)系統(tǒng)進化法則分析

1.4.1 向超系統(tǒng)躍遷法則

根據(jù)向超系統(tǒng)躍遷法則，對超系統(tǒng)土壤地面的性質(zhì)進行分析，調(diào)節(jié)夾持裝置的傾斜角度，使夾持裝置完成拔提。

1.4.2 能量傳遞法則

根據(jù)能量傳遞法則，收獲作業(yè)時間小于2 h，采用電動機和蓄電池驅(qū)動機械，提高能量利用效率；收獲作業(yè)時間大于2 h，采用柴油機作為動力裝置驅(qū)動機械，可控性更好，作業(yè)時間更長。

1.4.3 動態(tài)性和可控性法則

根據(jù)應用動態(tài)性和可控性法則，繪制如圖3所示的分析陰影，在移動性方面，通過動力裝置驅(qū)動機械進行移動。在可控性方面，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使夾持裝置夾持開口可調(diào)節(jié)，方便夾持、維修。對剪切裝置進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計，能夠?qū)Φ毒吒叨冗M行一定程度的調(diào)整，方便機械適用于多種環(huán)境。在柔性方面，夾持裝置可用夾緊傳送帶來夾緊莖稈拔提，提高機械的柔性。

圖3 動態(tài)性和可控性法則分析陰影圖

1.5 問題與沖突的解決與技術(shù)方案

如圖4所示，為農(nóng)作物生長與拔取狀態(tài)簡圖。

圖4 農(nóng)作物生長與拔取狀態(tài)簡圖

1.5.1 物理沖突的解決

1）農(nóng)作物生長環(huán)境的土壤緊固力解決。農(nóng)作物果實與土壤的接觸面積既需要小又需要大。運用時間分離原理，生長時農(nóng)作物果實與土壤充分接觸，成熟后使農(nóng)作物果實與土壤的接觸面減少。運用空間分離原理，在成熟收獲時，運用松土犁疏松土壤，采用夾持裝置，拔提莖稈移出農(nóng)作物[5]。

2）農(nóng)作物莖稈的使用與處理。既需要農(nóng)作物的莖稈，也不需要農(nóng)作物的莖稈。采用時間分離原理，當農(nóng)作物果實移出土壤時，保留莖稈，拔取農(nóng)作物；當農(nóng)作物果實移出土壤后，去除莖稈。采用條件分離原理，在拔提農(nóng)作物的時候，夾持莖稈；在拔提傳送之后，用剪切刀具切去莖稈[6]。

1.5.2 四十條發(fā)明原理

阿奇舒勒通過對大量的發(fā)明專利進行研究、分析、總結(jié)，提煉出了TRIZ理論中最重要的、最具普遍用途的40條發(fā)明原理。（包括：1.分割；2.抽??；3.局部質(zhì)量；4.非對稱；5.組合；6.普遍性；7.嵌套；8.配重；9.預先反作用；10.預先作用；11.預先應急措施；12.等勢原則；13.逆向思維；14.曲面化；15.動態(tài)化；16.不足或超額行動；17.維數(shù)變化；18.機械振動；19.周期性動作；20.有效作用的連續(xù)性；等。）

采用原理3局部質(zhì)量原理。用松土裝置疏松土壤，使周圍泥土變得松軟、不均勻，方便拔提農(nóng)作物。

采用原理18機械振動原理。去除農(nóng)作物泥土時，設(shè)置振動篩的周期性振動，清理泥土。

采用原理17維數(shù)變化原理、原理20有效作用的連續(xù)性原理。使用輔助撥動裝置，集中收攏農(nóng)作物莖稈，方便精準拔提。設(shè)計多層排列結(jié)構(gòu)，從上至下依次為莖稈剪切、泥土分離和果實收集。各個部分都能進行持續(xù)工作，消除了間歇性動作，工作節(jié)奏緊湊連續(xù)，提高收獲效率。

采用原理5組合原理、原理15動態(tài)化原理。設(shè)計墊塊和刀片組合的方式，通過調(diào)節(jié)墊塊的位置改變圓盤切刀高度，同時在墊塊的緊固作用下，可使圓盤切刀旋轉(zhuǎn)更穩(wěn)定。設(shè)置可調(diào)節(jié)夾持開口，有利于機械收獲多種環(huán)境的根莖類農(nóng)作物[7]。

1.5.3 最終技術(shù)方案

1）農(nóng)作物移出土壤：夾持裝置（夾緊傳送帶）、輔助撥動裝置、松土裝置（松土犁），精準快速拔取農(nóng)作物果實。

2）農(nóng)作物莖稈去除：剪切裝置（圓盤切刀和墊塊），穩(wěn)定剪切，切刀可調(diào)節(jié)高度。

3）農(nóng)作物泥土清理：泥土分離裝置（振動篩和毛刷），雙重作用使農(nóng)作物與泥土分離，毛刷還具有下落緩沖功能。

4）農(nóng)作物果實收集：果實莖稈收集裝置（果實收集箱和莖稈收集箱），分別收集果實和莖稈。

2 收獲機械的工作原理與裝置分析

2.1 工作原理

收獲機械充分利用根莖類農(nóng)作物特點，采用拔提與移動巧妙結(jié)合的方式實現(xiàn)農(nóng)作物收獲。其工作原理是：調(diào)節(jié)好夾持開口角度與圓盤切刀高度，通過松土犁松土與輔助撥動裝置集中莖稈，夾持裝置拔提莖稈并傳送至上方，剪切裝置切去莖稈，果實落入毛刷和振動篩組成的泥土分離裝置中，果實清潔完成落入果實收集箱中，被切去的莖稈落入后方莖稈收集箱中。具體的收獲機械模型圖如圖5所示。

圖5 收獲機械模型圖

2.2 動力裝置分析

動力裝置根據(jù)種植規(guī)模不同，采用不同方案進行動力裝置搭配，有以下兩種方案：1）電動機+蓄電池的搭配方案；2）以柴油機為動力裝置的方案。當收獲規(guī)模小、收獲作業(yè)時長小于2 h時，使用電動機和蓄電池作為動力裝置提供動力；收獲時長在2 h以上，使用柴油機作為動力裝置提供動力。機械最終的工作效率應為每小時1畝～1.5畝。

2.3 松土裝置分析

如圖6所示，松土裝置采用松土犁松土，通過收獲機械的前進和松土裝置的前后擺動松土，減少土壤對農(nóng)作物的根莖果實的束縛力，方便夾持機構(gòu)拔提出農(nóng)作物，擺動幅度介于25°~35°。

圖6 松土裝置模型與機構(gòu)簡圖

2.4 可調(diào)節(jié)精準夾持傳送裝置

如圖7所示，為稀疏種植與密集種植的兩種夾持裝置。稀疏種植的夾持機構(gòu)夾持前端張開較大，輔助撥動裝置位于夾持位置的前段外側(cè)，相對向內(nèi)旋轉(zhuǎn)收攏莖稈，夾緊傳送帶上帶有密集排布的圓角方形夾緊塊結(jié)構(gòu)，因種植稀疏，圓角方形夾緊塊能夠更好地固定夾持農(nóng)作物莖稈，且圓角設(shè)計使莖稈不會被夾斷。密集種植夾持裝置夾持前端張開較小，輔助撥動裝置處于下方，相對向內(nèi)旋轉(zhuǎn)收攏農(nóng)作物莖稈，夾緊傳送鏈上帶有稀疏鋸齒的夾緊塊結(jié)構(gòu)，因種植密集，鋸齒可更好地插入莖稈內(nèi)部，夾持拔提莖稈。

圖7 夾持裝置結(jié)構(gòu)模型圖

夾持裝置與水平面應傾斜放置，將農(nóng)作物傳送至上端，進行后續(xù)的莖稈剪切與泥土分離工作。如圖8所示，夾持裝置與水平面的傾斜角度為θ，θ在30°~40°范圍內(nèi)。根據(jù)農(nóng)作物莖稈的情況，通過可調(diào)節(jié)板架進行夾持開口的調(diào)節(jié)，夾持開口角度α可調(diào)節(jié)范圍為5°~30°。可調(diào)節(jié)的夾持開口，能夠適應多種環(huán)境的作物夾持，方便維修與機械檢查等。

圖8 夾持裝置傾斜角度與夾持開口角度示意圖

2.5 可調(diào)節(jié)剪切裝置

剪切裝置示意圖如圖9所示，通過調(diào)整墊塊和圓盤切刀的位置順序來調(diào)節(jié)剪切刀的高低位置，可以適用于剪切多種不同莖稈長度的農(nóng)作物，減少了因剪切高度無法調(diào)節(jié)造成的農(nóng)作物果實的破壞。墊塊緊壓圓盤切刀，與剪切軸蓋通過四個螺栓固定，剪切軸蓋通過螺紋與剪切刀軸連接，減少震動，使旋轉(zhuǎn)更加安全平穩(wěn)。使用圓盤切刀切斷莖稈，墊塊可調(diào)節(jié)高度為4 mm×25 mm，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，剪切快速，剪切效率遠遠超過兩刃剪刀。

圖9 剪切裝置示意圖

2.6 泥土分離裝置

泥土分離裝置與機構(gòu)簡圖如圖10中左圖所示，毛刷與振動篩[8]組成的泥土分離裝置兩次分離泥土，不僅能夠使果實上的泥土分離得更徹底，而且毛刷作為初分離的裝置在農(nóng)作物下落時也能起到緩沖的效果，保護農(nóng)作物果實不會因為過脆而導致下落時受沖擊摔碎[9]。振動篩的極位夾角如圖10中右圖所示，μ在10°~20°范圍內(nèi)，可根據(jù)農(nóng)作物種類進行調(diào)整，設(shè)置篩土軸轉(zhuǎn)速范圍為120 r/min~180 r/min。

圖10 泥土分離裝置與機構(gòu)簡圖

2.7 果實莖稈移動收集裝置

2.7.1 收集裝置

果實收集箱為鏤空設(shè)計，可以在移動中繼續(xù)令泥土下落；莖稈收集箱為平滑斜板設(shè)計，使莖稈自然落入收集箱中。分別用于收集農(nóng)作物的果實與莖稈，如圖11所示。

圖11 果實莖稈收集箱視圖

如圖12所示，為機械工作流程示意圖。莖稈的收集流程，通過多層排列和流水線式的作業(yè)方式，在完成了其他功能之后，移動中便可收集干凈的果實與被切斷的莖稈。

圖12 機械工作流程示意圖

2.7.2 行走裝置

基于根莖類農(nóng)作物收獲環(huán)境的不同，設(shè)計出兩種不同的行走輪，如圖13所示，使機械能夠在不同的土壤狀態(tài)下正常移動作業(yè)。普通行走輪適合土壤有良好摩擦力的平緩地面環(huán)境，可以使機械平穩(wěn)運行；并可采用帶有花紋的橡膠輪胎，在減震的同時與土壤具有適當?shù)哪Σ粒軒椭Ｆ椒€(wěn)作業(yè)。而在某些特殊土壤環(huán)境下，為了避免行走輪因打滑等問題無法前進，設(shè)置了一種增加抓地力的行走輪，可在特殊的土壤環(huán)境下正常行走作業(yè)。

圖13 行走輪視圖

3 結(jié)論

利用TRIZ方法設(shè)計創(chuàng)新的此種一體化收獲機械，不僅做到了結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，而且從可調(diào)節(jié)性與可適應性的角度進行了考慮，對多種根莖類農(nóng)作物或多種種植環(huán)境都能有很好的兼容性，對農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展具有了一定的研究意義與價值。作為一種機械產(chǎn)品，不僅可以進行貿(mào)易交流，也可以不斷地進一步創(chuàng)新發(fā)展，根據(jù)TRIZ方法提供的經(jīng)驗，我國能夠更好地利用該方法進行農(nóng)業(yè)機械的高水平發(fā)展與智能化提升。