基于TRIZ的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)

李金川，鄭毅敏，胡欖慶，尚 欣，慕 松

(寧夏大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.大學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)服務(wù)中心，銀川 750021)

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基于TRIZ的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)

李金川a，鄭毅敏b，胡欖慶a，尚 欣a，慕 松a

(寧夏大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.大學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)服務(wù)中心，銀川 750021)

針對其他根莖類作物收獲機(jī)滿足不了寶塔菜收獲要求的問題，應(yīng)用TRIZ理論提出解決方案，設(shè)計(jì)了一種高效率、多功能，并不易損傷果實(shí)表皮的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)。同時(shí)，簡述了該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)配置、工作過程、傳動(dòng)系統(tǒng)以及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)等。依據(jù)TRIZ理論分析，分離裝置設(shè)置為四級(jí)篩選組合機(jī)構(gòu)，包括兩級(jí)運(yùn)輸分離機(jī)構(gòu)、滾筒旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)及振動(dòng)篩分離機(jī)構(gòu)，大大提高了果實(shí)清潔率。經(jīng)田間初步試驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)的可使用性，且收獲效果良好。

寶塔菜；聯(lián)合收獲機(jī)；旋轉(zhuǎn)分離；TRIZ

0 引言

寶塔菜原名草石蠶，地下根莖類作物，外觀呈現(xiàn)螺旋狀塔形，肉質(zhì)脆嫩，表皮易磨損，春種秋收，可連續(xù)數(shù)年收獲。寶塔菜易與土壤粘連，在收獲過程中容易損傷果實(shí)表皮。其種植行距為25～30cm，株距為10～16cm，收貨時(shí)挖掘深度為15～20cm。

目前，國內(nèi)外對寶塔菜收獲機(jī)的研究很少，市場上暫無投入生產(chǎn)的收獲機(jī)械，完全依靠人工完成收獲作業(yè)，不能滿足當(dāng)前市場對寶塔菜的大量需求，嚴(yán)重制約了寶塔菜產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

基于上述寶塔菜的特性及種植工藝，其他根莖類作物(如馬鈴薯、花生等)收獲機(jī)并不能滿足其收獲要求。隨著市場對寶塔菜需求的不斷增加及寶塔菜的市場化、產(chǎn)業(yè)化、品牌化，實(shí)現(xiàn)寶塔菜的機(jī)械化收獲已經(jīng)成為必然趨勢。

作為取代人工收獲的機(jī)械，需要完成對收獲過程從破土、運(yùn)送、分離到果實(shí)收集的一體化[1]，從而達(dá)到取代低效率人工收獲的目標(biāo)。除此之外，其還應(yīng)具備以下特點(diǎn)[2-3]：

1)果實(shí)的殘品率不高于5%；

2)果實(shí)的清潔度不低于95%；

3)遺漏損失率不高于5%；

4)整機(jī)田間作業(yè)時(shí)應(yīng)適用于當(dāng)?shù)胤N植模式，不對農(nóng)田表觀造成大面積損毀；

5)機(jī)械入土挖掘時(shí)，不應(yīng)造成果實(shí)的損傷。

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了一種能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離和收集等工作于一體，并不易損傷果實(shí)表皮的寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)。

1 TRIZ理論應(yīng)用

寶塔菜具有皮質(zhì)脆嫩、容易磨損、易與泥土粘連等特性，其他根莖類作物收獲機(jī)滿足不了寶塔菜收獲要求。針對上述問題，本文基于TRIZ理論進(jìn)行了創(chuàng)新性方案設(shè)計(jì)，提出了一種具有“旋轉(zhuǎn)分離”裝置的“四級(jí)篩選”收獲機(jī)。

1.1 提出問題

問題1：寶塔菜表皮易磨損，普通根莖類作物收獲機(jī)會(huì)對其造成傷害，使殘品率升高。

問題2：寶塔菜果實(shí)體積較小，現(xiàn)有收獲機(jī)的篩選效率不高，果實(shí)清潔度不高。

1.2 定義技術(shù)矛盾

問題模型1中，需要改善收獲機(jī)對果實(shí)的磨損程度，對機(jī)器的制造精度提高了要求，增加了制造成本。

問題模型2中，需要提高收獲機(jī)的效率，即果實(shí)的清潔率，這可能要增加分離篩選裝置，分離的裝置的增加和布置使裝置的復(fù)雜性提高。技術(shù)矛盾如表1所示。

1.3 矛盾矩陣的建立及創(chuàng)新原理的應(yīng)用

查矛盾矩陣表得：問題模型1的技術(shù)矛盾所對應(yīng)的發(fā)明原理為不對稱原則、向另一維度過渡原則、部分剔除和再生原則及復(fù)制原則；問題模型2的技術(shù)矛盾所對應(yīng)的發(fā)明原理為等勢原則、向另一維度過渡原則、代替力學(xué)原理原則及“中介”原則。具體解決方案如表2所示。

表1 技術(shù)矛盾表

表2 矛盾矩陣表

綜合分析各原理解，采用塑料材質(zhì)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，并增加旋轉(zhuǎn)提升分離裝置。目的如下：一是減小機(jī)器與物料之間的相對移動(dòng)，降低因摩擦對果實(shí)表皮的損傷；二是較現(xiàn)有根莖類作物收獲機(jī)增加了一級(jí)分離裝置，達(dá)到了四級(jí)篩選效果，提高了果實(shí)的清潔率。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)TRIZ理論分析，該機(jī)采用四級(jí)篩選方式，增加滾筒分離裝置，既節(jié)省了布置空間，又增大了分離強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)率。

為了適應(yīng)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)需要，方便動(dòng)力傳遞，將收獲機(jī)設(shè)計(jì)為牽引式，將其置于農(nóng)用拖拉機(jī)的后端，采用傳動(dòng)軸連接；拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸為收獲機(jī)的動(dòng)力輸入，液壓調(diào)節(jié)裝置可對挖掘深度和機(jī)具高度進(jìn)行調(diào)整，保證機(jī)具的挖掘要求。

寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)由破土旋耕刀、組合二階平面鏟、一級(jí)鏈桿式輸送裝置、二級(jí)鏈桿式輸送裝置、三級(jí)滾筒提升分離裝置、四級(jí)振動(dòng)篩分離裝置及塊莖收集裝置組成，結(jié)構(gòu)配置如圖1所示。

1.旋轉(zhuǎn)提升輪 2.機(jī)架 3.二階平面鏟 4.破土旋耕刀 5.一級(jí)輸送鏈 6.集果箱 7.振動(dòng)篩選器 8.減速器 9.動(dòng)力輸入軸 10.二級(jí)橫向輸送鏈 11.連桿機(jī)構(gòu)

該機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離、篩選和收集等工作；分離篩選裝置不易對果實(shí)表皮造成損傷，這是其他普通收獲機(jī)械所達(dá)不到的；傳動(dòng)裝置采用鏈傳動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，能在低速重載、高溫條件及露天等不良環(huán)境中工作；破土旋耕刀為雙向旋向，可將土壤充分分散到一級(jí)輸送裝置上，減少了收獲機(jī)兩側(cè)的積土量，可達(dá)到對果實(shí)的充分收獲。該機(jī)的一級(jí)鏈桿式輸送裝置行程較短，不會(huì)因行程過長而造成壅土現(xiàn)象；采用的鏈桿機(jī)構(gòu)既能完成對寶塔菜果實(shí)的輸送，又能達(dá)到莖土分離的作用；裝備有兩級(jí)運(yùn)輸分離裝置、一個(gè)滾筒提升裝置和一個(gè)振動(dòng)篩選裝置，可達(dá)到四級(jí)篩選的效果，大大提高了果實(shí)清潔率。

收獲機(jī)工作過程：機(jī)器由拖拉機(jī)牽引運(yùn)行，破土旋耕刀使地表板結(jié)土壤破損，并進(jìn)行松土、碎土；隨后組合二階平面鏟將寶塔菜果實(shí)挖出并將其送入一級(jí)鏈桿式輸送裝置：經(jīng)第一次篩選后，果實(shí)隨一級(jí)分離機(jī)構(gòu)進(jìn)入橫向運(yùn)輸?shù)亩?jí)鏈桿式輸送裝置；最后，快速進(jìn)入三級(jí)滾動(dòng)篩，滾動(dòng)篩可將果實(shí)提升至振動(dòng)篩選器，寶塔菜果實(shí)經(jīng)振動(dòng)篩選后進(jìn)入集果箱。

3 主要機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該機(jī)采用分路動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，首先由動(dòng)力輸入軸(軸1)通過減速箱將動(dòng)力傳遞給軸3。之后，動(dòng)力分為3路路傳遞：一路通過錐齒輪轉(zhuǎn)換方向后傳遞給軸2，并帶動(dòng)二級(jí)輸送裝置和振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)；另一路傳遞給軸5帶動(dòng)一級(jí)輸送裝置運(yùn)動(dòng)；最后一路帶動(dòng)滾動(dòng)篩旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

該機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的各零件參數(shù)是根據(jù)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速和行走速度而設(shè)計(jì)的。本文根據(jù)約翰，迪爾404拖拉機(jī)設(shè)計(jì)，拖拉機(jī)以I擋速度(1.88km/h)運(yùn)行，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速n=540r/min。一級(jí)、二級(jí)輸送裝置為升運(yùn)鏈裝置，類似于鏈板式輸送機(jī)，根據(jù)鏈板輸送機(jī)的輸送能力可求得兩級(jí)輸送裝置鏈條的平均速度[4]：第一級(jí)鏈條輸送速度1.04m/s，第二級(jí)鏈條輸送速度1.77m/s。由此確定各鏈輪轉(zhuǎn)速，第三級(jí)滾動(dòng)篩的轉(zhuǎn)速為90r/min，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率為194次/min。

3.2 破土旋耕刀

根據(jù)寧夏大學(xué)陳虎[2-3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寶塔菜收獲機(jī)在收獲后會(huì)造成收獲路徑旁的積土量過多，一些寶塔菜果實(shí)也會(huì)存留在積土里，使果實(shí)遺漏損失率升高；加之寧夏收獲季節(jié)土壤表層干燥、板結(jié)嚴(yán)重，所以設(shè)置破土旋耕刀，并將其設(shè)計(jì)為雙向螺旋，在松土的同時(shí)，將土壤、遺漏果實(shí)及其他雜物通過旋耕刀螺旋推移的作用，進(jìn)入第一級(jí)鏈桿式輸送裝置，既達(dá)到了破土的效果，又減少了積土量，從而降低了果實(shí)遺漏率。該裝置左右螺旋片的高度均為420mm，螺距均為130mm ，為對稱布置，其外形如圖3所示。

圖3 破土旋耕刀

3.3 二階平面鏟

在寶塔菜的挖掘收獲過程中，出土量較多，綜合考慮入土性能、碎土能力及制造成本等方面因素，選用二階平面鏟來改善寶塔菜收獲機(jī)的碎土性能[5-6]。本設(shè)計(jì)的二階平面鏟具有兩個(gè)不同的傾角，可使土壤破碎程度加大，在很大程度上提高了碎土能力，減小了機(jī)具的動(dòng)力消耗；在制造成本方面，加工制造也相對容易，適用于收獲寶塔菜這類表皮較薄的作物。

通過引入土壤破裂模型和挖掘鏟力學(xué)模型[7-8]，對挖掘鏟鏟面傾角進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[9]，運(yùn)用Mathematica軟件優(yōu)化得到了一階鏟面傾角20.44°，二階鏟面傾角43.64°，一階鏟面高度0.12m，虛擬鏟面傾角30.53°。二級(jí)平面鏟截面參數(shù)如圖4所示。

圖4 二階平面鏟截面參數(shù)

考慮一級(jí)輸送裝置采用鏈桿輸送機(jī)構(gòu)，桿長不能太長，為實(shí)現(xiàn)鏟與輸送裝置的良好對接，將鏟件設(shè)計(jì)為組合鏟。組合鏟由3個(gè)二階平面鏟構(gòu)成，它們均固定在機(jī)架上。組合鏟可分擔(dān)土壤對單鏟的法向載荷、土壤對鏟面的摩擦力等，降低了對機(jī)架的剛度要求。二階平面鏟的結(jié)構(gòu)布置圖如圖5所示，從左至右，二階平面鏟的寬度依次為270、320、270mm。

圖5 二階平面鏟結(jié)構(gòu)布置圖

針對寶塔菜易受損傷、體積小等特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的二階平面鏟，理論上提高了挖掘鏟的碎土能力，降低了果實(shí)破損率，也為小型根莖類作物收獲機(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)與改良提供了方向。

3.4 鏈桿式輸送裝置

鏈桿式輸送裝置分為一級(jí)輸送裝置和二級(jí)橫向輸送裝置，二者均采用鏈桿結(jié)構(gòu)(即傳統(tǒng)馬鈴薯收獲機(jī)中所說的升運(yùn)鏈裝置)。鏈桿由輸送鏈條和圓柱形長桿構(gòu)成，如圖6所示。該裝置采用鏈傳動(dòng)是考慮到鏈傳動(dòng)具有無彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象及過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既可作為輸送器，又可篩選果實(shí)。由于寶塔菜果實(shí)呈螺旋塔形，橫截面直徑為8mm左右，為使果實(shí)在輸送過程中不會(huì)掉落，故將鏈條節(jié)距、鏈桿直徑均設(shè)為8mm。一級(jí)輸送裝置中的鏈桿長度依次為264、314、264mm(從左至右)，其輸送行程均為450mm；二級(jí)輸送裝置中的鏈桿長度為230mm，輸送行程為1 150mm。

1. 一級(jí)鏈桿輸送裝置 2.二級(jí)鏈桿橫向輸送裝置

3.5 滾筒提升分離裝置

該裝置具有兩個(gè)作用：一是將果實(shí)提升至頂部的振動(dòng)篩中；二是篩選果實(shí)，相當(dāng)于第三級(jí)分離篩選裝置。滾筒提升分離裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。滾筒直徑1 000mm，厚度250mm，其內(nèi)部裝有25塊均勻分布的并與水平面成30°的塑料板，用于果實(shí)的提升。為減少對果實(shí)表皮的損傷，滾筒由尼龍制成，滾筒四周為均勻的網(wǎng)孔，用于分離碎土。

圖7 滾筒提升分離裝置配置圖

3.6 振動(dòng)篩

該裝置的作用是進(jìn)一步對果實(shí)進(jìn)行篩選，提高果實(shí)清潔度，相當(dāng)于第四級(jí)分離篩選裝置。為了有效地從挖掘物中分離出寶塔菜果實(shí)，并減輕對寶塔菜表皮的損傷，該裝置采用塑料圓柱條形篩，利用連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)篩左右擺動(dòng)。振動(dòng)篩越長，分離效果越佳，所以本設(shè)計(jì)將振動(dòng)篩貫穿整機(jī)，已達(dá)到良好的分離效果。振動(dòng)篩長度設(shè)計(jì)為1 350mm，為使果實(shí)順利進(jìn)入集果箱，將振動(dòng)篩設(shè)計(jì)為傾斜狀態(tài)，傾斜角度為15°，其結(jié)構(gòu)布置圖如圖8所示。

1.集果箱 2.小連桿 3.振動(dòng)篩 4.大連桿 5.偏心圓盤

4 初步試驗(yàn)

該機(jī)委托寧夏銀川凱盛機(jī)械制造有限公司制造，并于2015年11月在寧夏銀川市賀蘭縣寶塔菜種植基地進(jìn)行初步試驗(yàn)考核。該產(chǎn)區(qū)的寶塔菜種植方式為平種，行距為25cm，株距為10cm，作業(yè)時(shí)一次收獲4行。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：果實(shí)遺漏情況不明顯，不存在果實(shí)磨損情況；但由于寧夏地區(qū)土地較為干旱，板結(jié)嚴(yán)重，造成碎土顆粒過硬，從而導(dǎo)致了部分碎土顆粒分離不完全的現(xiàn)象。本次試驗(yàn)旨在測定該聯(lián)合收獲機(jī)的可使用性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供理論與實(shí)踐依據(jù)。田間試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 田間初步試驗(yàn)

5 結(jié)論

1)應(yīng)用TRIZ理論找出來解決關(guān)鍵問題的方法，設(shè)計(jì)制造了一種能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離和收集等工作，并不易損傷果實(shí)表皮的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)了寶塔菜的機(jī)械化收獲。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)收獲效果良好，不易對果實(shí)表皮造成損傷，果實(shí)遺漏現(xiàn)象不明顯，且果實(shí)清潔度較高，為后續(xù)的設(shè)計(jì)制造及試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

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Design of Rotary Type Artichoke Combine Harvester Based on TRIZ

Li Jinchuana，Zheng Yiminb，Hu Lanqinga, Shang Xina，Mu Songa

(a.School of Mechanical Engineering; b.Career Guidance Students' Employment Service Center，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

Aimed at the existing problem that other root-tuber harvester can’t meet the harvest requirements of artichoke, this article puts forward some solutions based on TRIZ, and designs a rotary type artichoke combine harvester which has high efficiency, multifunction, and no damage on fruit epidermis. This paper describes the overall structural configuration, operating process, transmission system, and the design of key components. With the theoretical analysis based on TRIZ, this design sets up four filter combination mechanism which includes two separate conveyors, a picking roller, and a shaker. This design improves the fruit-cleaning rate. The initial field-test verified the usability of the machine and achieved good results.

artichoke; combine harvester; picking roller; TRIZ

2016-03-28

寧夏回族自治區(qū)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(413-0224)

李金川(1992-)，男，山東夏津人，碩士研究生，(E-mail)ljcnxu@163.com。

鄭毅敏(1964-)，男，銀川人，教授，碩士研究生，(E-mail)XJKZym@nXu.edu.cn。

S225.92

A

1003-188X(2017)04-0149-05