基于TRIZ理論的沙柳植苗機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

彭文凱，孫亮波，劉正成，陳越，秦鴻程，劉婷婷

基于TRIZ理論的沙柳植苗機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

彭文凱，孫亮波*，劉正成，陳越，秦鴻程，劉婷婷

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

針對(duì)現(xiàn)有沙漠植苗設(shè)備功能相對(duì)單一、易受環(huán)境限制、全流程機(jī)械化程度不高等問題，基于TRIZ矛盾沖突理論和物－場模型分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款沙柳植苗機(jī)。根據(jù)沖突解決原理分析，解決系統(tǒng)中矛盾沖突，對(duì)分苗模塊進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并研究讓位鉆孔和插苗過程的“物－場模型”，確定了集電機(jī)橫向讓位、縱向鉆孔和磁吸變位的具體設(shè)計(jì)方式，使沙柳植苗機(jī)實(shí)現(xiàn)全流程機(jī)械化、效率與成本兼顧。該沙柳植苗機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊小巧、功能全面、可適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度較高，具有有很好的市場推廣價(jià)值。

TRIZ；沙柳植苗機(jī)；矛盾矩陣；物－場模型

近年來，隨著國家對(duì)防沙治沙的投入持續(xù)加大，生態(tài)文明建設(shè)不斷深入，對(duì)荒漠化治理科技創(chuàng)新提出更高的要求，傳統(tǒng)的沙漠治理向機(jī)械化、智能化、集成化方向發(fā)展[1]。目前固沙造林環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平還很低，因近年來勞動(dòng)力成本的不斷提高，在無形之中增加了防風(fēng)治沙的成本，造成單位資金投入的可治理面積在不斷減少。機(jī)械化固沙不僅能保證良好的治沙效果，還能提高防治效率，加速荒漠化治理的進(jìn)程。因此，著力提高固沙造林的機(jī)械化水平成為當(dāng)下防沙治沙的迫切需要[2-6]。

沙柳生長迅速，枝葉茂密，根系繁大，涵養(yǎng)沙地水分，固沙保土力強(qiáng)。沙柳作為北方防風(fēng)沙的主力，是“三北防護(hù)林”的首選之一，是中國沙荒地區(qū)造林面積最大的樹種之一。同時(shí)沙柳可造紙、可做牲畜飼料，利用價(jià)值高。沙柳具有優(yōu)良的燃燒性能，可發(fā)展成每三至六年砍一次的綠色沙煤田。因此，沙柳種植前景非常好，其引發(fā)的沙產(chǎn)業(yè)成為如今新一輪的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。固沙苗木的種植是防風(fēng)固沙過程的重要組成部分，沙柳植苗機(jī)是進(jìn)行固沙植物沙柳分苗和種植的重要設(shè)備。

目前現(xiàn)有的沙漠植苗方式主要有常壓水槍種植、螺旋鉆孔種植、沙漠植樹機(jī)器人，如圖1所示，存在功能相對(duì)單一、易受到環(huán)境限制、全流程機(jī)械化程度不高等問題。針對(duì)目前防風(fēng)治沙機(jī)械化存在的問題，徐先英等[7]通過省去開坑工序，解決流沙地灌木栽植過程中苗木窩根嚴(yán)重的問題；魏林源等[8]發(fā)明的沙地植物扦插栽植裝置，讓使用者更加省力地進(jìn)行操作，同時(shí)延長鉆頭的使用壽命；上述兩種研究一定程度上提高了機(jī)械化程度，但并未解決全環(huán)節(jié)的機(jī)械化工作。劉晉浩等[9]發(fā)明的多功能立體固沙車，能實(shí)現(xiàn)全流程的固沙工作，但體積大，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的沙漠微地形，昂貴的價(jià)格也限制其推廣應(yīng)用。

圖1 現(xiàn)有沙漠植苗方式

針對(duì)以上問題，為提高林業(yè)機(jī)械化水平，以沙柳植苗機(jī)為主要研究對(duì)象，以TRIZ理論中的矛盾分析法和物質(zhì)－場分析法為基礎(chǔ)，對(duì)沙柳植苗機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增加機(jī)器的功能多樣性、提高機(jī)器的效率與實(shí)用性，使防風(fēng)固沙過程更加高效快速。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是由根里奇·阿奇舒勒（Genrich S. Altshuller）和他的研究團(tuán)隊(duì)通過分析大量專利和創(chuàng)新案例于1946年開始創(chuàng)立。TRIZ的主要內(nèi)容包括：沖突矩陣、ARIZ（發(fā)明問題解決算法）、技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、40條發(fā)明原理、39個(gè)技術(shù)參數(shù)、76個(gè)發(fā)明性問題的標(biāo)準(zhǔn)解決方案和工程知識(shí)庫等。TRIZ問題求解的一般模式，如圖2所示[10-12]。根據(jù)所需要解決的問題的特點(diǎn)，選擇合適的TRIZ理論進(jìn)行分析。常用的分析工具包括沖突矩陣和物質(zhì)－場分析模型等[13-14]。

圖2 TRIZ問題求解模式

2 依據(jù)TRIZ理論的方案設(shè)計(jì)

2.1 分苗模塊設(shè)計(jì)

沙柳在種植過程中，為保證沙柳苗的存活率，需要同時(shí)將兩根苗木一起插入鉆好的孔洞中。由于苗木在分苗箱中堆積，在分苗工作中，需要保證一次分取兩根苗木，采用單次抓取一根苗木或正向撥輪等方法，會(huì)導(dǎo)致分苗速率降低，同時(shí)無法保證分苗的準(zhǔn)確性。為解決這一矛盾，采用TRIZ矛盾沖突理論，改善的是分苗數(shù)目的準(zhǔn)確性，惡化的是能量損失。將改善因素和惡化因素轉(zhuǎn)變成TRIZ矛盾矩陣中的通用參數(shù)，得到改善參數(shù)為適應(yīng)性、通用性，惡化參數(shù)為能量損失。查詢TRIZ矛盾矩陣，得到三種發(fā)明原理：18（機(jī)械振動(dòng)）、15（動(dòng)態(tài)特性）、1（分割）。通過分析三種發(fā)明原理，選取發(fā)明原理15（動(dòng)態(tài)特性），根據(jù)原理說明“使不動(dòng)的物體可動(dòng)或可適應(yīng)”得到解決方案為：利用撥苗輪在撥苗輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下相對(duì)于苗木重力落下方向逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用撥苗輪的轉(zhuǎn)動(dòng)即可將分苗箱中的待植苗木分為單列，推出后通過出苗口依次輸出，無需人工作業(yè)參與分苗，可快速高效的完成分苗工作。

2.2 讓位鉆孔模塊設(shè)計(jì)

沙柳植苗機(jī)底部設(shè)有一個(gè)鉆頭口，由鉆孔裝置控制鉆頭進(jìn)行苗木種植孔的鉆孔作業(yè)。傳統(tǒng)鉆孔裝置需要用絲桿帶動(dòng)鉆頭電機(jī)移動(dòng)，但絲桿驅(qū)動(dòng)的鉆頭電機(jī)只能進(jìn)行單方向移動(dòng)，由于種植苗木長度在1.20 m左右，為使得苗木能夠豎直插入苗木種植孔，需要在插苗時(shí)使鉆頭避開苗木種植孔正上方區(qū)域，如果采用傳統(tǒng)的單方向避讓，會(huì)導(dǎo)致絲桿所需長度超過2.4 m，且需為絲桿等驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)留足大量無遮擋空間，會(huì)浪費(fèi)額外空間，促使沙柳植苗機(jī)整體體積擴(kuò)大。依據(jù)TRIZ物－場模型分析方法，建立鉆頭讓位的物－場模型，如圖3（a）所示，該物－場模型為非有效完整模型。

根據(jù)物－場模型分析的76種標(biāo)準(zhǔn)解，分析選擇第二類標(biāo)準(zhǔn)解中的“2.2.4使系統(tǒng)更具柔性和適應(yīng)性”來改善該物場模型。將絲杠對(duì)鉆頭電機(jī)的移動(dòng)機(jī)械控制改為S5“讓位鉆孔機(jī)構(gòu)”及F4“力場”控制，使鉆頭電機(jī)有更好的避讓位置、占用更少的空間，如圖3（b）所示，該物場模型為有效完整模型。

圖3 讓位鉆孔模塊物－場分析模型

2.3 插苗模塊設(shè)計(jì)

插苗作業(yè)過程中，插苗模塊需要與鉆孔模塊進(jìn)行相互的避讓，保證鉆孔和插苗的落點(diǎn)在空間處于同位置。由于讓位鉆孔模塊的驅(qū)動(dòng)部分在空間上占用一定空間，插苗模塊將分苗結(jié)構(gòu)分出的沙柳苗由水平轉(zhuǎn)為豎直后，并不能直接使其位于所鉆孔洞正上方。依據(jù)TRIZ物－場模型分析方法，建立沙柳苗在插苗模塊轉(zhuǎn)移的物－場模型，如圖4（a）所示，該物－場模型為不完整模型。

根據(jù)物場模型分析的76種標(biāo)準(zhǔn)解，分析選擇第一類標(biāo)準(zhǔn)解中的“1.1.1補(bǔ)全不完整物場”，在沙柳苗與種植孔之間增加S8“磁吸變位結(jié)構(gòu)”作為連接，使沙柳苗能順利地移動(dòng)到種植孔正上方，隨后落入種植孔中。如圖4（b）所示，該物場模型為有效完整模型。

圖4 插苗模塊物場分析模型

3 沙柳植苗機(jī)具體方案設(shè)計(jì)

3.1 分苗模塊的設(shè)計(jì)

分苗模塊實(shí)現(xiàn)從苗箱中一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)分出兩根沙柳苗的功能。分苗模塊主要由電機(jī)、傳動(dòng)軸、同步帶輪、同步帶、導(dǎo)軌滑塊等組成，如圖5所示。

具體功能實(shí)現(xiàn)描述如下：苗箱中的苗在重力作用下向下滾動(dòng)至第一通道板和第二通道板形成的豎直方向的落苗通道中，該通道僅能存儲(chǔ)單列沙柳苗，苗繼續(xù)下落至落苗板上時(shí)，苗箱底部推動(dòng)鈑金會(huì)向前推動(dòng)單根苗沿落苗板滾落至下一模塊。電機(jī)通過與其連接的聯(lián)軸器帶動(dòng)第一傳動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使軸上撥苗輪轉(zhuǎn)動(dòng)，防止苗在進(jìn)入落苗通道時(shí)卡死。同時(shí)，同步帶輪與第一傳動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶輪3、8、14、20及同步帶4、21組成一組二級(jí)減速裝置，最終動(dòng)力由同步帶輪8經(jīng)二級(jí)減速傳遞至第三傳動(dòng)軸，第三傳動(dòng)軸另一端與曲柄同步轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄、連桿、滑塊模組共同組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成滑塊模組的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鈑金固接在滑塊模組上，推動(dòng)鈑金做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩次向前推動(dòng)單根沙柳苗為一個(gè)周期，從而實(shí)現(xiàn)將兩根苗推至下一模塊的功能。

傳動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)減速帶輪傳動(dòng)，第一階段帶輪減速的傳動(dòng)比為1＝2:1，第二階段帶輪傳動(dòng)比為2＝3:1，則總傳動(dòng)比為總＝1×2＝6。

3.2 讓位鉆孔模塊的設(shè)計(jì)

讓位鉆孔模塊由鉆桿、鉆桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和鉆桿讓位升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示。

1.絲桿滑臺(tái)電機(jī)；2.絲桿；3.絲桿滑塊；4.承軌鈑金；5.滑軌；6.滑塊；7.電機(jī)變位鈑金；8.限位滾動(dòng)輪；9.變位導(dǎo)軌；10.鉆頭電機(jī)；11.鉆頭。

鉆桿的讓位由鉆桿讓位升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，鉆桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在滑動(dòng)安裝座上。絲桿滑臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲桿滑塊向下運(yùn)動(dòng)，絲桿滑塊與承軌鈑金固定連接同步運(yùn)動(dòng)。電機(jī)變位鈑金通過限位滾動(dòng)輪與變位導(dǎo)軌連接，絲桿滑臺(tái)通過滑軌、滑塊對(duì)電機(jī)變位鈑金產(chǎn)生向下方向作用力，同時(shí)由于限位滾動(dòng)輪（圖7）與變位導(dǎo)軌的作用，使得對(duì)電機(jī)變位鈑金產(chǎn)生橫向作用力，從而驅(qū)使滑塊、電機(jī)變位鈑金、限位滾動(dòng)輪、鉆頭電機(jī)整體沿變位導(dǎo)軌進(jìn)行變位。當(dāng)限位滾動(dòng)輪在變位導(dǎo)軌弧形軌道部分時(shí)，實(shí)現(xiàn)橫向變位以及部分縱向變位，當(dāng)限位滾動(dòng)輪在變位導(dǎo)軌的直型軌道部分時(shí)實(shí)現(xiàn)縱向變位，即實(shí)現(xiàn)鉆孔所需的豎直向下作用力。限位滾動(dòng)輪運(yùn)行至變位導(dǎo)軌的直型軌道部分時(shí)，鉆頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鉆頭由承軌鈑金和鉆頭電機(jī)帶動(dòng)沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔功能。鉆孔結(jié)束后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲桿滑塊向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔模塊回到初始位置。

1.銷軸；2.銷軸座蓋；3.銷軸座；4.固定滾動(dòng)輪；5.擺動(dòng)滾動(dòng)輪。

由于鉆孔模塊采用倒L型變位導(dǎo)軌進(jìn)行變位，相比于傳統(tǒng)鉆孔裝置絲桿豎直方向上進(jìn)行讓位，有效地縮短了絲桿運(yùn)行長度以及縮小空間占用率。

根據(jù)對(duì)沙柳苗尺寸的調(diào)查，大部分種植的沙柳苗長度在1000～1300 mm范圍內(nèi)，直徑在15～35 mm范圍內(nèi)，為保證存活率，需要將兩根沙柳苗插入同一種植孔。

設(shè)計(jì)讓位鉆孔模塊尺寸為：底盤距地面高度＝200 mm，沙柳苗長度1＝1200 mm、直徑1＝30 mm，所需鉆孔深度＝1000 mm、直為2＝60～80 mm，故所用鉆頭的長度2＝1200 mm、直徑3＝70 mm。倒L型變位導(dǎo)軌豎直部分長度＝1300 mm，彎曲部分為橢圓軌道的1/4，其長軸＝700 mm、短軸＝200 mm。

傳統(tǒng)豎直方向進(jìn)行讓位時(shí)，為避免插苗機(jī)構(gòu)豎直插入與鉆頭干涉，預(yù)留＝100 mm的間隔，求得所需絲桿長度為：

而采用倒L型變位導(dǎo)軌，絲桿所需長度為：

則可計(jì)算相對(duì)于倒L型變位導(dǎo)軌設(shè)計(jì)鉆孔模塊的減小高度以及對(duì)沙柳植苗機(jī)整體體積的縮小率，為：

3.3 插苗模塊的設(shè)計(jì)

插苗模塊由落苗機(jī)構(gòu)、接苗架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、磁吸變位機(jī)構(gòu)組成，其中接苗架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括接苗架、接苗架轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和接苗架平動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖8所示。

1.電動(dòng)推桿支架；2.接苗底板；3.接苗架；4.沙柳苗；5.電磁鐵一；6.電磁鐵吸片；7.落苗架；8.電磁鐵三；9.落苗板；10.字母螺栓；11.絲杠滑臺(tái)模組；12.電磁鐵二；16.電動(dòng)推桿.

當(dāng)沙柳苗從分苗模塊出來時(shí)，沙柳苗會(huì)先落到接苗架上。當(dāng)接苗架上由分苗模塊分出兩根沙柳苗后插苗模塊開始工作。通過接苗底板上通電的電磁鐵一，接苗架固定在接苗底板上。進(jìn)行插苗作業(yè)時(shí)，電動(dòng)推桿推動(dòng)接苗底板由水平狀態(tài)變位直立狀態(tài)，接苗架隨之一起到達(dá)直立狀態(tài)。同時(shí)，接苗架末端的電磁鐵吸片與落苗架上的電磁鐵二吸住。之后，落苗架上的電磁鐵二通電，接苗架被吸住。再之后，接苗底板上的電磁鐵失電。由此完成接苗架與接苗架底板的脫離，與落苗架的對(duì)接，此時(shí)接苗底板一直保持直立狀態(tài)。之后，落苗架底部的絲杠滑臺(tái)模組驅(qū)動(dòng)落苗架向前移動(dòng)，到插苗位置后停止。接著，落苗架末端的電磁鐵三失電松開，落苗架底部的落苗板分開，沙柳苗落下。沙柳苗落下后，電磁鐵三得電，落苗板閉合。絲杠滑臺(tái)模組驅(qū)動(dòng)落苗架向后移動(dòng)，當(dāng)接苗架與接苗底板的電磁鐵一接觸之后，電磁鐵一通電，接苗底板與接苗架銜接，再之后，落苗架上的電磁鐵二失電斷開。最后，電動(dòng)推桿帶動(dòng)夾苗底板由直立狀態(tài)回到水平狀態(tài)，為下一次的接苗作業(yè)做準(zhǔn)備。

4 總體方案設(shè)計(jì)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，利用SolidWorks建立沙柳植苗機(jī)的三維模型如圖9所示，利用模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，依據(jù)初步設(shè)計(jì)制成小尺寸樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)各方面特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，最終各方面均達(dá)到預(yù)期效果。沙柳植苗機(jī)三維模型實(shí)物圖，如圖10所示。

沙柳植苗機(jī)通過分苗模塊、讓位鉆孔模塊和插苗模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械化連續(xù)植苗作業(yè)。分苗作業(yè)時(shí)，只需將待植苗木預(yù)先放置在分苗箱中，啟動(dòng)撥苗輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即可將分苗箱中的待植苗木通過出苗口依次水平輸出至插苗模塊，無需人工作業(yè)參與分苗，可快速高效的完成分苗工作；鉆孔作業(yè)時(shí)，通過讓位鉆孔模塊實(shí)現(xiàn)鉆頭的橫向讓位和縱向鉆孔，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)的疊加，有效的縮小整機(jī)空間，同時(shí)方便快速地完成鉆孔作業(yè)；插苗作業(yè)時(shí)，插苗模塊將水平苗木轉(zhuǎn)為豎直并移動(dòng)至種植孔正上方，之后進(jìn)行落苗，從而完成插苗作業(yè)。

圖9 沙柳植苗機(jī)三維模型渲染圖

圖10 沙柳植苗機(jī)三維模型實(shí)物圖

5 結(jié)論

以TRIZ理論為基礎(chǔ)，研究了沙柳植苗機(jī)機(jī)的功能模式并對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

（1）利用矛盾沖突矩陣，分析現(xiàn)有沙柳植苗機(jī)分苗模塊中所存在的問題，并利用發(fā)明原理解決主要矛盾，對(duì)機(jī)器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)；

（2）采用物－場分析模型進(jìn)行設(shè)計(jì)方案具體化，對(duì)讓位鉆孔模塊、插苗模塊進(jìn)行詳細(xì)分析，解決了沙柳植苗機(jī)在植苗過程中鉆頭的讓位和沙柳苗種植的問題；

（3）創(chuàng)新設(shè)計(jì)一款整體結(jié)構(gòu)緊湊小巧、功能全面、可適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度較高的沙柳植苗機(jī)，具有很好的實(shí)用價(jià)值和市場推廣價(jià)值。

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A TRIZ Based Innovative Design of Salix Seedling Planter

PENG Wenkai，SUN Liangbo，LIU Zhengcheng，CHEN Yue，QIN Hongcheng，LIU Tingting

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at solving the problems of the existing desert seedling planter, such as relatively simple function, vulnerable to environmental constraints, and low mechanization of the whole process, a Salix seedling planter was innovatively designed based on TRIZ conflict theory and matter-field model analysis. According to the analysis of conflict resolution principle, the conflict in the system was solved, the seedling separation module was innovatively designed, and the matter-field model of abdicating drilling and seedling transplanting process was studied. The specific design mode of motor horizontal abdicating, vertical drilling and magnetic displacement was determined, which made the Salix seedling planter realize mechanization of the whole process and the powerful function considering both efficiency and cost. The Salix seedling planter has the advantages of compact structure, comprehensive functions, high degree of mechanization and strong expansibility. It shows good market value of the planter.

TRIZ；salix seedling planter；contradiction matrix；matter-field model；innovative design

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.008

1006-0316 (2022) 10-0051-07

2022-02-23

國家自然科學(xué)基金（51875418）

彭文凱（2001－），男，湖北天門人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，E-mail：482917590@qq.com。

孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)學(xué)，E-mail：4117449@qq.com。