基于TRIZ理論的鴨嘴式移栽末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙 龍，楊 波，金 鑫

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，蔬菜是除糧食作物外栽培面積最廣、經(jīng)濟(jì)地位最重要的作物[1]。隨著蔬菜市場(chǎng)需求繼續(xù)增加、農(nóng)村勞動(dòng)力繼續(xù)減少，傳統(tǒng)的手工移栽作業(yè)已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，迫切需要研究機(jī)械化的移栽技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2-3]。移栽末端執(zhí)行器作為移栽機(jī)中的核心機(jī)構(gòu)，直接決定移栽缽苗的存活率，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中不確定因素的影響以及缽苗的生理特性[4]。張煒等[5]針對(duì)二指式夾持穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，結(jié)合ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種三指式移栽末端執(zhí)行器。童俊華等[6]基于離散單元法，通過(guò)EDEM(Enhanced discrete element method)仿真分析，設(shè)計(jì)一種指鏟式末端執(zhí)行器。

移栽機(jī)械是農(nóng)機(jī)領(lǐng)域十分重要的生產(chǎn)機(jī)械，然而農(nóng)機(jī)領(lǐng)域?qū)RIZ理論的運(yùn)用卻基本沒(méi)有。該文通過(guò)結(jié)合TRIZ理論對(duì)移栽末端執(zhí)行器外形及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，證實(shí)TRIZ理論在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的廣泛適用性及其所具有的巨大指導(dǎo)意義[7]。國(guó)內(nèi)許多其他領(lǐng)域已經(jīng)將TRIZ理論運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，如張建敏等[8]針對(duì)小型旋耕機(jī)所存在安全性等問(wèn)題，用TRIZ理論對(duì)手扶式旋耕機(jī)進(jìn)行功能與外觀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。李佳陽(yáng)等[9]針對(duì)當(dāng)前海上應(yīng)急救援產(chǎn)品自身功能單一、救援效果不理想的問(wèn)題，通過(guò)TRIZ理論中系統(tǒng)進(jìn)化法則等部分，設(shè)計(jì)一種海上應(yīng)急救援產(chǎn)品，該救援產(chǎn)品功能更多，同時(shí)用戶使用效果更佳。吳燕玲等[10]針對(duì)骨料倉(cāng)產(chǎn)生較大揚(yáng)塵的問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行防塵設(shè)計(jì)。大量研究表明，TRIZ理論在移栽領(lǐng)域的運(yùn)用具有可行性。因此，利用TRIZ理論對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械開(kāi)展研究具有重要的實(shí)際意義。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論中的技術(shù)系統(tǒng)8大進(jìn)化法則揭示了一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化本質(zhì)，所用到的分析工具是從250萬(wàn)份專(zhuān)利中總結(jié)歸納出來(lái)的，求解工具更是以其針對(duì)性、高效性著稱(chēng)，區(qū)別于頭腦風(fēng)暴等創(chuàng)新方法的盲目性[11]。圖1所示是經(jīng)典的TRIZ理論體系。

TRIZ理論解決問(wèn)題最首要是把問(wèn)題轉(zhuǎn)換成工程中通用的敘述形式，然后再利用因果分析或功能分析等分析問(wèn)題的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，繼而找到與之對(duì)應(yīng)的解決問(wèn)題的工具，最后轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用TRIZ理論解決問(wèn)題的流程如圖2所示。

2 移栽末端執(zhí)行器系統(tǒng)功能分析

問(wèn)題背景：由于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境的復(fù)雜性，在作業(yè)時(shí)，移栽手指與缽苗直接相互作用。現(xiàn)有的移栽末端執(zhí)行器的移栽手指形狀多為指針式、叉式和鏟式，由于機(jī)械振動(dòng)等原因，在取苗和栽植過(guò)程中移栽手指易對(duì)缽苗產(chǎn)生不可修復(fù)的損傷，從而降低移栽缽苗的存活率。問(wèn)題是如何在移栽機(jī)工作時(shí)，消除或降低移栽末端執(zhí)行器對(duì)缽苗的損傷。

系統(tǒng)組件功能分析是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)功能建模的過(guò)程，所建的模型應(yīng)包括超系統(tǒng)、系統(tǒng)組件和作用對(duì)象等元素，通過(guò)系統(tǒng)組件功能分析，可提示整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)所有組件之間的相互作用關(guān)系以及如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，并從中找出解決問(wèn)題的入手點(diǎn)[12]。

系統(tǒng)功能：移栽末端執(zhí)行器在各種工作條件下保證移栽缽苗能夠存活。

2.1組件分析

區(qū)別系統(tǒng)與超系統(tǒng)組件在組件分析中尤為重要，組件分析也是相互作用分析、功能分析的基礎(chǔ)，如圖3所示為組件分析結(jié)果。動(dòng)力原件選取電機(jī)，傳動(dòng)裝置選取桿件機(jī)構(gòu)，移栽手指選取指針式。系統(tǒng)組件為電機(jī)、桿件機(jī)構(gòu)和移栽手指，超系統(tǒng)組件為機(jī)架、缽苗、土地和空氣。

2.2相互作用分析

相互作用分析的目的是確定各組件之間是否有相互作用關(guān)系，方法是構(gòu)造相互作用矩陣、判斷依據(jù)是各組件間是否有相互作用。若兩組件之間有相互作用，則用“+”標(biāo)記，否則用“-”標(biāo)記，對(duì)移栽末端執(zhí)行器工程系統(tǒng)的進(jìn)行相互作用分析，結(jié)果如表1所示。

表1 移栽末端執(zhí)行器工程系統(tǒng)相互作用分析

Tab.1 Engineering system interaction analysis of transplanting end actuator

電機(jī)桿件機(jī)構(gòu)移栽手指機(jī)架缽苗土地空氣電機(jī)+-+---桿件機(jī)構(gòu)+++--+移栽手指-+++++機(jī)架+++--+缽苗--+-++土地--+-++空氣-+++++

2.3建立功能模型圖

TRIZ理論解決問(wèn)題包括構(gòu)建創(chuàng)新的思維方式和創(chuàng)新方法的應(yīng)用[13]。創(chuàng)新思維是指擺脫慣性思維，激發(fā)創(chuàng)新能力的思維形態(tài)。創(chuàng)新方法是將研究對(duì)象作為系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，通過(guò)TRIZ方法給出的創(chuàng)新發(fā)明原理提示，有方向地尋找解題思路，是建立合理的功能模型的重要保證。該文TRIZ系統(tǒng)功能分析是對(duì)移栽末端執(zhí)行器建立模型的過(guò)程，分析的結(jié)果是建立功能模型，明確各組件間的相互作用關(guān)系，改善機(jī)器結(jié)構(gòu)。圖4為對(duì)移栽末端執(zhí)行器分析的功能模型。通過(guò)分析，確認(rèn)移栽手指對(duì)缽苗的刮擦是最主要的有害因素，土壤粘附在移栽手指上是次要的有害因素。

3 應(yīng)用TRIZ解題工具體系求解

3.1闡述矛盾與確定發(fā)明原理

要解決的問(wèn)題：在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度變化較小的情況下，如何通過(guò)較低成本減小移栽末端執(zhí)行器對(duì)缽苗產(chǎn)生的有害因素，即對(duì)缽苗的刮擦。移栽末端執(zhí)行器的技術(shù)矛盾闡述如表2所示，為了減小移栽末端執(zhí)行器對(duì)缽苗產(chǎn)生的有害因素，選擇技術(shù)矛盾1。

表2 移栽末端執(zhí)行器技術(shù)矛盾

Tab.2 Technical contradiction analysis of transplanting end actuator

技術(shù)矛盾1技術(shù)矛盾2如果通過(guò)改變裝置的復(fù)雜程度,減小移栽末端執(zhí)行器對(duì)缽苗產(chǎn)生的有害因素不改變裝置的復(fù)雜程度那么會(huì)提高缽苗的存活率移栽末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是裝置的復(fù)雜程度提高,成本增加不能提高缽苗的存活率,影響移栽效率

研究的目標(biāo)是要減小或消除移栽末端執(zhí)行器產(chǎn)生的有害因素，因此，物體產(chǎn)生的有害因素為技術(shù)矛盾中要改善的參數(shù)，由于需要改變裝置的結(jié)構(gòu)，增加移栽末端執(zhí)行器中零件的數(shù)量，使裝置的復(fù)雜程度提高，所以裝置的復(fù)雜性是惡化參數(shù)。

根據(jù)得到的兩個(gè)工程參數(shù)，改善參數(shù)31：物體產(chǎn)生的有害因素；惡化參數(shù)36：裝置的復(fù)雜性，查閱阿奇舒勒矩陣可以確定以下發(fā)明原理可能對(duì)設(shè)計(jì)有幫助，如表3所示，給出了相對(duì)應(yīng)的阿奇舒勒矩陣所得出的發(fā)明原理信息。

表3 改善參數(shù)31與惡化參數(shù)27所得到的發(fā)明原理

Tab.3 Principles of invention obtained by improving parameter 31 and deteriorating parameter 27

惡化的參數(shù)改善的參數(shù)裝置的復(fù)雜性3631物體產(chǎn)生的有害因素1:分割19:周期性作用31:多孔材料

(1)發(fā)明原理1分割：①將一個(gè)機(jī)械分成可拆裝的一個(gè)個(gè)零件；②使物體分成容易組裝和拆卸的部分；③增加物體被分割的程度。

(2)發(fā)明原理19周期性作用：①?gòu)倪B續(xù)作用過(guò)度到周期作用；②如果已是周期性的，則改變其運(yùn)動(dòng)頻率；③利用脈沖的間歇完成其他作用。

(3)發(fā)明原理31多孔材料：①使物體多孔，如生活中的蜂窩煤、紗窗；②在這些孔中加入有用的成分，如藥棉、油槽。

分析得出的3條發(fā)明原理，1、19和31號(hào)都是解決該問(wèn)題有設(shè)計(jì)依據(jù)的創(chuàng)新發(fā)明原理。

3.2應(yīng)用發(fā)明原理

根據(jù)以上TRIZ理論阿奇舒勒矩陣得出的各項(xiàng)發(fā)明原理，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，選取發(fā)明原理1、19和31。運(yùn)用TRIZ發(fā)明原理后，設(shè)計(jì)鴨嘴形移栽末端執(zhí)行器，如圖5所示。

鴨嘴部件的兩片鴨嘴上端分別與兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置的鴨嘴架固定連接，鴨嘴架下部通過(guò)彈簧連接，鴨嘴架上方設(shè)有承接桶，在其中一個(gè)鴨嘴片上設(shè)置有補(bǔ)水通道，連接機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)裝置相連接。工作時(shí)，鴨嘴形移栽末端執(zhí)行器在傳動(dòng)裝置的作用下上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)缽苗轉(zhuǎn)至移栽機(jī)落料口時(shí)，鴨嘴部件運(yùn)動(dòng)至頂端，缽苗落入承接桶中，鴨嘴部件運(yùn)動(dòng)至底端，當(dāng)鴨嘴插入土壤中后，鴨嘴片張開(kāi)，缽苗準(zhǔn)確種植在土壤中。

國(guó)內(nèi)研發(fā)的移栽末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)大多較為復(fù)雜，該設(shè)計(jì)使用發(fā)明原理1分割，在保證移栽末端執(zhí)行器功能的前提下極大簡(jiǎn)化了其結(jié)構(gòu)，便于生產(chǎn)制造。運(yùn)用發(fā)明原理19周期性作用，將整個(gè)工作過(guò)程分為兩個(gè)階段，即取苗和投苗階段，簡(jiǎn)化了移栽的整個(gè)工作過(guò)程，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和工作可靠性。運(yùn)用發(fā)明原

理31多孔材料，巧妙地在鴨嘴片上開(kāi)設(shè)補(bǔ)水通道，在移栽時(shí)可以適時(shí)補(bǔ)水，增加缽苗存活率，從而達(dá)到提高移栽效率的目的。

4 結(jié)論

以移栽機(jī)的執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，敘述了TRIZ理論在設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要理論支撐，有目的的進(jìn)行組件分析、相互作用分析，建立移栽末端執(zhí)行器的系統(tǒng)分析模型圖，確定問(wèn)題的技術(shù)矛盾，查閱阿奇舒勒矩陣得到創(chuàng)新發(fā)明原理，運(yùn)用得出的3個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理對(duì)移栽末端執(zhí)行器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種不傷缽苗、有補(bǔ)水通道的鴨嘴形移栽末端執(zhí)行器。證明運(yùn)用TRIZ理論設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械可大幅度提高創(chuàng)新產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短研發(fā)周期，并得到以下結(jié)論。

(1)運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新方法對(duì)移栽末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，TRIZ理論對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

(2)TRIZ創(chuàng)新理論應(yīng)用過(guò)程中，建立合理的功能模型尤為關(guān)鍵，該文先對(duì)移栽末端執(zhí)行器進(jìn)行組件分析、相互作用分析，保證所建立的功能模型圖的準(zhǔn)確性，可以直接得到解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的矛盾和問(wèn)題的基本方案。

(3)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)，其過(guò)程就是解決復(fù)雜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題，移栽機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，隨著設(shè)計(jì)各階段推進(jìn)，TRIZ創(chuàng)新原理專(zhuān)門(mén)化拓展開(kāi)發(fā)，易于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及其相關(guān)優(yōu)化過(guò)程實(shí)施，提高創(chuàng)新產(chǎn)品的效率。