基于TRIZ理論的機械式打瓜排種器創(chuàng)新設(shè)計*

劉希光，張靜， ，韓長杰，王超超，單發(fā)科，楊宛章

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052； 2. 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州市，310058)

0 引言

打瓜屬籽用西瓜類型，因食用時需打開，故稱打瓜，在甘肅、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)廣泛種植[1]。打瓜籽周圍一圈為黑色，包裹的中間部呈現(xiàn)淡黃色和白色，外形扁平橢圓、不規(guī)則，三軸尺寸差異性較大[2]，一定程度上增加了打瓜機械化精量播種的難度。

打瓜播種機械化不僅可以搶農(nóng)時，減輕勞動強度，提高播種效率及播種質(zhì)量，且對實現(xiàn)打瓜全程機械化具有重要意義。目前打瓜主要采取條播和半精量的播種方式[3]，為節(jié)本增益，已有部分國內(nèi)學(xué)者開始致力于打瓜等不規(guī)則種子精量播種相關(guān)領(lǐng)域的研究，但主要以氣力式打瓜精量排種器的研究為主，對于機械式打瓜排種器的鮮有報導(dǎo)。李苗苗等在陳玉龍[4]設(shè)計的打瓜排種器結(jié)構(gòu)上優(yōu)化改進，設(shè)計了一種氣吸式打瓜排種器，彌補了排種籽粒適用多樣性方面的試驗，但排種器重播指數(shù)較高達40%，需要平衡重播指數(shù)與漏播指數(shù)的矛盾。楊艷麗等[5]在辜松[6]發(fā)明的長粒種子調(diào)向精量播種裝置基礎(chǔ)上設(shè)計了一種適用于移栽作業(yè)前大粒種子定向精量播種裝置，該裝置使用氣缸驅(qū)動定向種穴，負壓吸嘴吸附籽粒，將其播入穴盤基質(zhì)中，但吸附不穩(wěn)定易導(dǎo)致播種精度不高，需考慮種子尺寸、負壓值、吸附姿態(tài)的影響。在機械式排種器研究方面，部分學(xué)者對于大顆粒、不規(guī)則種子的相關(guān)研究可為打瓜播種提供借鑒，但仍需平衡排種器結(jié)構(gòu)和排種性能指標之間的關(guān)系。如孫偉等[7]根據(jù)玉米籽粒結(jié)構(gòu)特性設(shè)計了一種勺匙式玉米精量取種器，經(jīng)試驗研究確定了種勺的結(jié)構(gòu)尺寸，得出取種器單粒指數(shù)、漏播指數(shù)分別為92.2%和2.8%，但播種速度較低，一定程度上限制了工作效率。付威等[8]基于新疆膜上點播技術(shù)，針對圓扁種子研制了一種機械強制夾持式精量排種器，結(jié)構(gòu)簡單，但因種子流動性差，不宜清種，導(dǎo)致雙粒率較高。

針對現(xiàn)有氣力式、機械式打瓜等不規(guī)則種子在精量播種過程中普遍存在的排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、吸附不穩(wěn)定、質(zhì)量重等情況與結(jié)構(gòu)相對簡單、工作可靠性高、功耗相對低之間的技術(shù)矛盾[9-11]，本文運用TRIZ理論的39個工程參數(shù)及40個發(fā)明原理[12]，解決排種器現(xiàn)有存在的技術(shù)矛盾，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)相對簡單、原理可行的夾持式打瓜精量排種器，并結(jié)合Solidworks三維建模、有限元分析及臺架試驗，驗證方案的可行性，為機械式打瓜精量播種機的設(shè)計提供參考。

1 TRIZ理論及應(yīng)用

阿奇舒勒通過分析、研究250萬份專利中解決問題的思路方法，得出解決這些問題的一般規(guī)律，提煉出39個通用工程參數(shù)，總結(jié)出解決技術(shù)矛盾的40個發(fā)明原理，并將這些工程參數(shù)與發(fā)明原理建立對應(yīng)關(guān)系，整理成39×39矛盾矩陣表，形成阿奇舒勒矛盾矩陣。TRIZ理論由阿奇舒勒提出并創(chuàng)立的用以解決實際工程中出現(xiàn)的矛盾所應(yīng)運的創(chuàng)新原理和方法，優(yōu)化工程參數(shù)，其核心是建立了消除矛盾的邏輯方法。TRIZ理論起源于20世紀40年代中后期，于60年代學(xué)者在學(xué)校教學(xué)研究，80年代后發(fā)展形成現(xiàn)代TRIZ理論，更具高效解決技術(shù)矛盾，使之進一步發(fā)展[13]。我國學(xué)者于20世紀80年代開始學(xué)習(xí)理論，并在高校及科研院所開設(shè)課程研究，在一些著名電器科技公司產(chǎn)品開發(fā)、解決技術(shù)矛盾方面得以應(yīng)用，之后也在在農(nóng)機領(lǐng)域也迅速發(fā)展[14-15]。阿奇舒勒在分析、研究、整理專利的基礎(chǔ)上，提出了一種創(chuàng)新問題的解決理論，即TRIZ理論，其不僅在工程技術(shù)方面廣泛應(yīng)用，而且在教育、管理及政策指導(dǎo)等非技術(shù)方面也具有重要的指導(dǎo)作用。

2 基于TRIZ理論的排種器創(chuàng)新設(shè)計

2.1 打瓜精量排種器矛盾

依據(jù)現(xiàn)有打瓜排種器排種精量性以及氣吸式排種器排種性能等方面的問題，應(yīng)用TRIZ理論分析、研究解決問題的方法，總結(jié)如下3對矛盾。

矛盾1：現(xiàn)有打瓜精量排種器多為氣吸式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗高，吸附不穩(wěn)定，排種適應(yīng)性較差，有的適合在室內(nèi)苗盤基質(zhì)內(nèi)排種，面對田間不確定因素，不能保證排種可靠性以及播種指標。因此需設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，排種可靠性高，滿足性能指標的打瓜精量排種器。設(shè)計為機械式精量排種器，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功耗低，但其排種的合格指數(shù)會相對降低。

矛盾2：機械式打瓜精量排種器的核心為取種裝置，其中取種塊形狀、尺寸的大小會影響排種指標。取種塊尺寸增大，會導(dǎo)致重播指數(shù)增大而漏播指數(shù)減??；取種塊尺寸減小，會減小重播指數(shù)但會導(dǎo)致漏播指數(shù)增大。

矛盾3：機械式打瓜精量排種器對種子的規(guī)則性要求較高，種子所受摩擦力也會影響取種效果，提高取種的可靠性勢必會增加取種裝置的復(fù)雜化，如何使種子在取種至投種的過程，受到變化的作用力，而使種子持續(xù)夾持不致掉落。因此，取種塊材料的選用以及作用于種子變化力如何得到，使得取種裝置子系統(tǒng)復(fù)雜化。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計的矛盾解決原理

創(chuàng)新設(shè)計的根本是不斷解決產(chǎn)品中存在的矛盾，促進產(chǎn)品需求、技術(shù)進步等發(fā)展，解決矛盾歸根于解決技術(shù)矛盾，而TRIZ理論在解決工程中的技術(shù)矛盾提供了新原理和方法，無疑是對技術(shù)矛盾的革新。針對打瓜精量排種器創(chuàng)新設(shè)計過程中的技術(shù)矛盾，對應(yīng)39個通用工程參數(shù)中有No.12形狀、No.7運動物體的體積、No.21功率、No.22能量損失、No.27可靠性、No.36裝置的復(fù)雜性、No.35適用性及多用性。為便于解決打瓜精量排種器存在的技術(shù)矛盾，將工程參數(shù)與發(fā)明原理相對應(yīng)起來，形成阿奇舒勒矛盾矩陣如表1所示，表中工程參數(shù)所對應(yīng)的數(shù)字代表40個發(fā)明原理的編碼。

表1 阿奇舒勒矛盾矩陣Tab. 1 Archie Schuler contradiction matrix

2.3 發(fā)明原理的應(yīng)用

依據(jù)表1阿奇舒勒矛盾矩陣，分析打瓜精量排種器技術(shù)矛盾，應(yīng)用發(fā)明原理進行創(chuàng)新設(shè)計，用到4條發(fā)明原理，即發(fā)明原理1、3、14及35，解決這些技術(shù)矛盾，進而使其得以創(chuàng)新。

1) No.1分割原理。針對排種器的復(fù)雜性，同時考慮取種、排種等過程的可靠性，替換部件取種的多樣性，又由打瓜精量排種器矛盾分析中確定了排種器的復(fù)雜性與工作的可靠性技術(shù)矛盾，欲解決此對技術(shù)矛盾，可根據(jù)表1中推薦的發(fā)明原理有No.13、No.35以及No.1，其中No.13為反向作用原理、No.35為狀態(tài)改變原理，回到設(shè)計的初衷上，即設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，排種可靠性高的打瓜精量排種器，No.13原理并不能對系統(tǒng)設(shè)計起到主要作用，而No.1原理在表1中總共出現(xiàn)了3次，故采用No.1分割原理。將打瓜精量排種器分割成相互獨立的部分，使之模塊化，提高排種器的分割程度。分割后的排種器主要零部件有底盤、端蓋、排種器主軸、鴨嘴總成及取種總成等，不僅結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠性高而且安裝架及取種總成模塊化易拆裝，便于適應(yīng)不同尺寸種子排種需求以及后期的維護。

2) No.3局部特性原理。取種總成為排種器的核心部件，其整體隨排種軸繞充種盤旋轉(zhuǎn)，為提高取種、排種的可靠性，確保取種總成結(jié)構(gòu)的緊湊性，各部件連接的牢固性，同時避免取種總成的復(fù)雜化，轉(zhuǎn)化需解決的問題為可靠性與取種總成的體積作為技術(shù)矛盾，因取種總成為取排種的核心，需分析各部件的作用，對應(yīng)表1中發(fā)明原理No.10預(yù)先作用原理及No.24中介物原理對取種總成的設(shè)計應(yīng)用意義不大，反而增加了取種總成的復(fù)雜性，使得取種可靠性降低，因而應(yīng)用No.3局部特性原理進行取種總成設(shè)計。設(shè)計的取種總成由聚丙烯(簡稱PP)安裝架、角度調(diào)節(jié)墊塊、金屬彈片、取種塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。6個金屬彈片一端與角度調(diào)節(jié)塊及安裝架端部螺栓連接，另一端與取種塊螺釘連接，金屬彈片回轉(zhuǎn)時的壓縮量保證了種子在不同取種過程中所受的作用力，轉(zhuǎn)至排種口恢復(fù)形變的彈片又將種子排出充種盤；角度調(diào)節(jié)墊塊調(diào)節(jié)金屬彈片初始角度，試驗時針對取種效果進行調(diào)節(jié)；取種塊的材料用改性過的聚丙烯和聚酰胺的合成物(即PP+PA)，具有一定的彈性，使種子在摩擦力和彈力作用下于充種盤內(nèi)圈螺旋線運動，完成取種、排種過程。

3) No.14曲面化原理。取種塊的形狀、尺寸對取種夾持至關(guān)重要。依據(jù)打瓜籽物料特性及三軸尺寸，同時也考慮取種的多用性對取種塊進行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)尺寸有取種塊有效夾持長度B，取種塊寬度C，取種塊高H，取種塊長度L，取種塊導(dǎo)流角α，導(dǎo)流角α為取種塊導(dǎo)流面與有效夾持面間的角度，取種塊尺寸大小對排種合格指數(shù)的影響非常顯著。根據(jù)表1中改善的形狀參數(shù)，惡化參數(shù)運動物體的體積形成的單一技術(shù)矛盾，解決方案的發(fā)明原理有No.14曲面化原理、No.4不對稱原理、No.15動態(tài)化原理、No.22變害為益原理，此處設(shè)計主要針對取種塊的結(jié)構(gòu)形狀，No.15動態(tài)化原理及No.22變害為益原理對取種塊的設(shè)計無意義，又考慮到取種塊的加工制造的方便性，不建議使用No.4不對稱原理，而在表1中No.14曲面化原理出現(xiàn)了3次，同時結(jié)合夾持的可靠性與取種塊的體積，取種塊的形狀與能量損失出現(xiàn)的2對技術(shù)矛盾都應(yīng)用了No.14曲面化原理，設(shè)計的其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在取種塊導(dǎo)流面與有效夾持面間給予倒圓成過渡曲面，使種子流向夾持面時所受作用力的方向時刻改變、種子流暢地運動到取種塊的有效夾持面處。

圖1 取種總成

(a) 優(yōu)化前取種塊 (b) 優(yōu)化后取種塊

4) No.35狀態(tài)改變原理。為減少排種所需能量損失，同時降低排種器功耗，得出功率與能量損失技術(shù)矛盾，由表1矛盾矩陣可知，No.38強氧化作用原理對解決此矛盾無效，No.10預(yù)先作用原理主要應(yīng)用在氣力式排種器上，針對此次設(shè)計的機械式打瓜排種器又會增加其復(fù)雜性，而No.35狀態(tài)改變原理在表1中現(xiàn)的次數(shù)最多(5次)，同時又在裝置的復(fù)雜性與可靠性矛盾中體現(xiàn)了其發(fā)明原理，采用表1中狀態(tài)改變原理No.35對排種器創(chuàng)新設(shè)計?？紤]排種器總成試制的方便性，同種性能的材料選擇相同的材料的原則，排種器的充種盤、取種壁、導(dǎo)種管及安裝架的材料設(shè)計為改性的聚丙烯PP，安裝架和取種盤實物如圖3所示，其性能和強度均滿足設(shè)計要求，開模制造比較簡單，減輕排種器的重量，降低了功耗；為進一步增強取種的可靠性，充種盤內(nèi)壁設(shè)有螺旋線，減少零部件的復(fù)雜性，同時又減輕取種塊在充種壁運轉(zhuǎn)時的磨損，增加取種的有效壽命。

(a) 安裝架 (b) 取種盤

3 排種器三維建模與分析

3.1 排種器三維模型設(shè)計

運用TRIZ理論解決技術(shù)矛盾的方法對打瓜精量排種器進行了創(chuàng)新設(shè)計，其主要由排種器主軸、底盤、端蓋、鴨嘴總成、取種壁、安裝架、彈片、取種塊、充種盤、進種管等組成。創(chuàng)新設(shè)計后的三維模型圖如4所示。

圖4 夾持式打瓜精量排種器

排種器的核心部件[18]由取種塊、彈片、安裝架、充種盤組成，其中取種塊的結(jié)構(gòu)及尺寸至關(guān)重要，直接作用于漏播指數(shù)及重播指數(shù)；安裝架均勻設(shè)置6個支架，用以連接彈片；彈片一端連接取種塊，另一端與安裝架外端的角度調(diào)節(jié)塊連接，角度調(diào)節(jié)塊調(diào)節(jié)彈片與支架之間的角度，用來改變?nèi)》N塊與充種盤內(nèi)壁的作用力；充種盤側(cè)面開設(shè)有排種口，排種口距離充種盤中心的距離以及排種口寬度的大小對排種性能都有影響。

排種器工作時，種子由自身重力從導(dǎo)種管進入充種盤，主要集中在充種盤下部的充種區(qū)，安裝架隨主軸的轉(zhuǎn)動，帶動彈片及取種塊一起運動，彈片受到種子群阻力彎曲一定的角度，打瓜籽在取種塊夾持面、充種盤內(nèi)壁及周圍種子接觸面的封閉區(qū)域下被夾持，完成充種過程；當取種塊離開種子群，進行清種時，種子受自身重力、取種塊推力、充種盤內(nèi)壁摩擦力及離心力共同作用，在取種塊夾持面與充種盤內(nèi)壁形成的半封閉區(qū)域被夾持而繼續(xù)運動。當種子運動到充種盤排種口處，彈片及取種塊恢復(fù)變形，一起將種子排出口，鴨嘴張開，完成排種過程。在取種過程中，充種盤內(nèi)壁設(shè)有螺旋線，種子受導(dǎo)流作用，夾持力不斷增加，確保取種的可靠性。

3.2 有限元分析

應(yīng)用TRIZ理論對打瓜精量排種器進行創(chuàng)新設(shè)計，并用Solidworks軟件對其零部件進行三維建模，自底向上裝配，檢查各零部件無干涉，對排種裝置運動仿真，仿真結(jié)果：運動平穩(wěn)并未出現(xiàn)失真情況。安裝架的材料采用改性的聚丙烯PP，改性過的聚丙烯生產(chǎn)成本低且機械強度高；彈片在取種過程中持續(xù)對取種塊作用，保證取種可靠，排種時恢復(fù)形變的力又使種子向外排出，彈片材料選用65Mn，工藝性好、性價比高。模擬其工作受力狀態(tài)分別進行有限元分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示，表明取種裝置安裝架及彈片工作時所受的最大應(yīng)力遠遠小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。

圖5 安裝架最大應(yīng)力圖

圖6 彈片最大應(yīng)力圖

4 試驗驗證

為驗證排種器創(chuàng)新設(shè)計后的實際排種效果，重點驗證取種塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化對排種性能的影響。試驗地點在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室，試驗臺架選用自制精量排種器試驗臺，試驗材料選用新疆廣泛種植的“新籽1614”，根據(jù)《單粒(精量)播種機試驗方法(GB/T 6937—2005)》[19]及《播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(NY/T 1143—2006)》，選取合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)作為排種器性能指標，進行10次重復(fù)試驗取平均值。因打瓜種子流動性差，在承種帶上不易滾動且成穴粒距較明顯均勻(變異系數(shù)<5%)，本試驗通過統(tǒng)計計算承種傳送皮帶上相鄰粒距內(nèi)的種子數(shù)量(0，1，2粒及以上)出現(xiàn)的頻率和排種總穴數(shù)，得到排種器性能指標

(1)

(2)

(3)

式中：A——合格指數(shù)，%；

D——重播指數(shù)，%；

M——漏播指數(shù)，%；

n1——單穴單例種子出現(xiàn)的頻率；

n2——單穴出現(xiàn)2粒及以上種子的頻率；

n3——單穴出現(xiàn)空穴(0粒種子)的頻率；

N——播種總穴數(shù)。

根據(jù)前期的排種預(yù)試驗效果，選取排種器的適宜轉(zhuǎn)速為43 r/min(播種速度約為1.1 km/h)，取種塊有效夾持長度9 mm，取種塊寬度7.8 mm[1]，對比驗證取種塊優(yōu)化前后的排種性能，排種器臺架試驗結(jié)果如表2所示。

表2 排種試驗性能對比Tab. 2 Performance comparison of seed placement test

試驗結(jié)果表明，設(shè)計的夾持式打瓜排種器優(yōu)化前后的整體性能均較好，無籽粒破碎現(xiàn)象，進一步驗證了利用發(fā)明原理所設(shè)計方案的可行性。但取種塊結(jié)構(gòu)對排種器性能指標有顯著影響。利用曲面化原理優(yōu)化后的取種塊結(jié)構(gòu)的排種性能最佳，排種器的合格指數(shù)、重播指數(shù)及漏播指數(shù)分別為83.87%、9.23%、6.90%；優(yōu)化后的排種器重播指數(shù)較優(yōu)化前增加0.47%，但漏播指數(shù)降低2.66%，整體合格指數(shù)增加2.22%?；诟咚贁z像機發(fā)現(xiàn)種子在夾持取種階段，種子流動性差，優(yōu)化前后沿喂入口切面流向有效夾持區(qū)域的種子數(shù)量發(fā)生了變化；優(yōu)化后的大多數(shù)種子流向?qū)Я髅鏁r能夠順利經(jīng)由過渡曲面運動到取種塊的有效夾持面處，而優(yōu)化前的部分種子流經(jīng)導(dǎo)流面過渡面時向夾持區(qū)域兩側(cè)方向運動，運動方向的改變導(dǎo)致充種數(shù)量有所下降，排種性能指標出現(xiàn)差異，這可能和打瓜的不均勻質(zhì)地和不規(guī)則幾何形狀有關(guān)。

5 結(jié)論

1) 運用TRIZ理論對打瓜精量排種器進行了創(chuàng)新設(shè)計，分析了氣吸式打瓜精量排種器在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、吸附不穩(wěn)定及排種合格指數(shù)低等方面的問題，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、排種可靠性高的機械式打瓜精量排種器，確定了3種主要技術(shù)矛盾，建立矛盾矩陣，應(yīng)用分割原理、局部特性原理、曲面化原理及狀態(tài)改變原理4種發(fā)明原理結(jié)合具體情況，得到解決這些矛盾的方案。

2) 用Solidworks軟件對機械式打瓜精量排種器的零部件建立了三維模型，進而自底向上裝配，并檢查零部件間無干涉；對核心裝置取種機構(gòu)運動仿真，運動平穩(wěn)無失真情況；對彈片進行應(yīng)力應(yīng)變分析，滿足疲勞強度要求；對安裝架關(guān)鍵部件進行有限元分析，其工作所受最大應(yīng)力遠小于材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。

3) 排種器臺架試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后排種器性能較好，重播指數(shù)較優(yōu)化前增加0.47%，漏播指數(shù)降低2.66%，整體合格指數(shù)增加2.22%，進一步證實了基于TRIZ理論設(shè)計的機械式打瓜排種器能滿足打瓜精量排種性能。在后續(xù)的研究中，可以考慮結(jié)合離散元仿真分析，重點考察種子運動規(guī)律以及不同品種和不同規(guī)格尺寸的打瓜種子對排種器性能的影響，以進一步提高精量排種性能。