基于TRIZ理論的微耕機(jī)設(shè)計(jì)研究

摘 要：我國(guó)西南地區(qū)受丘陵山區(qū)地形制約，本地農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，引進(jìn)的農(nóng)機(jī)裝備及技術(shù)大多存在“水土不服”問題，無(wú)法適應(yīng)本地的作業(yè)需求，導(dǎo)致針對(duì)本地種植需求的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的缺失。本文聚焦我國(guó)西南地區(qū)農(nóng)民的機(jī)械化作業(yè)需求，基于TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)、仿生學(xué)等多學(xué)科理論，研究設(shè)計(jì)基于TRIZ理論的微耕機(jī)，為適合丘陵山區(qū)的微耕機(jī)設(shè)計(jì)提供可行方向。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；微耕機(jī)；仿生學(xué)

一、背景及意義

微耕機(jī)指以小型柴油機(jī)或汽油機(jī)為動(dòng)力、功率不大于7.5千瓦的微型耕耘機(jī)械。微耕機(jī)具有輕便靈活，易于推廣普及，適用于地形崎嶇、地塊分散土地的優(yōu)點(diǎn)[1]。我國(guó)西南地區(qū)為丘陵山脈地區(qū)，地形崎嶇，垂直氣候差異較大。受丘陵山區(qū)制約，我國(guó)西南地區(qū)農(nóng)機(jī)化薄弱環(huán)節(jié)和短板十分明顯，表現(xiàn)為“三多三少”：小馬力機(jī)具多，大馬力機(jī)具少；低端機(jī)具較多，高品質(zhì)機(jī)具較少；單一作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)具較多，集成配套的農(nóng)機(jī)裝備較少[2]。設(shè)計(jì)符合丘陵地區(qū)實(shí)際環(huán)境的微耕機(jī)，能促進(jìn)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化，提高勞動(dòng)效率，解決勞動(dòng)力不足問題[3]。

二、TRIZ理論研究方法

現(xiàn)代TRIZ理論通過問題識(shí)別、問題解決、概念驗(yàn)證三個(gè)步驟解決工程系統(tǒng)問題[4]。本研究經(jīng)過線下調(diào)研，得到初步調(diào)研方向，在問題識(shí)別階段使用功能分析模型、因果鏈分析和裁剪三個(gè)工具，確定待解決的問題。在問題解決階段將使用功能導(dǎo)向搜索、技術(shù)矛盾兩個(gè)工具，提出相應(yīng)的解決方案。最后，整合多個(gè)小的解決方案，提出最終的設(shè)計(jì)方案。

三、 問題識(shí)別與解決

（一） 問題描述

經(jīng)過線下調(diào)研，走訪云南省馬龍市的微耕機(jī)銷售網(wǎng)點(diǎn)、農(nóng)機(jī)合作社采訪了農(nóng)業(yè)局、農(nóng)機(jī)推廣站、微耕機(jī)銷售人員、拖拉機(jī)手等專業(yè)從業(yè)人員，經(jīng)整理得到以下結(jié)論：

（1）維護(hù)。旋耕刀作業(yè)時(shí)易纏繞雜草、地膜等雜物，土壤結(jié)塊也容易附著在旋耕刀頭上?，F(xiàn)有微耕機(jī)每次短期作業(yè)后都需要小型維護(hù)。長(zhǎng)期累積，清理刀頭、清理空濾會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)間成本，影響農(nóng)民的勞動(dòng)效率。（2）安全。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，微耕機(jī)常出現(xiàn)旋耕刀傷人、人被卷入旋耕刀、灰塵石塊飛濺及由于擋位設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致掛錯(cuò)擋位撞倒人等安全問題。（3）離合器。離合器以按壓結(jié)合的方式傳輸動(dòng)力，松開后動(dòng)力切斷?，F(xiàn)有產(chǎn)品多為捏合式把手，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致手臂疲勞，降低勞動(dòng)效率。很多農(nóng)民將微耕機(jī)離合器手柄纏死，使得微耕機(jī)脫手在田間行走作業(yè)，在出現(xiàn)意外時(shí)無(wú)法及時(shí)停止，存在極大的安全隱患。現(xiàn)在市場(chǎng)上甚至有銷售私自改裝的自鎖微耕機(jī)離合器手柄，自帶鎖死功能，是違反國(guó)家相關(guān)農(nóng)機(jī)使用規(guī)定的產(chǎn)品。（4）擋板。擋板多使用沖壓金屬板制成，且固定方式多為螺栓固定，外露部分較長(zhǎng)，固定點(diǎn)需要承受較大載荷，使用壽命較短，而且農(nóng)民在擋板損壞后不愿意承擔(dān)更換費(fèi)用。擋板材質(zhì)多為不透明材質(zhì)，不利于農(nóng)民觀察作業(yè)情況，且擋板妨礙更換功能套件，因此有些用戶直接拆除擋板使用。在出現(xiàn)意外情況時(shí)，無(wú)擋板的情況下，無(wú)法阻擋旋耕刀或者飛濺的泥土石塊，造成安全事故。

（二） 功能分析

功能分析是對(duì)工程系統(tǒng)中的系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件進(jìn)行分析，并區(qū)分他們的特點(diǎn)和功能的分析工具[5]。對(duì)系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的組件進(jìn)行分析，分析它們?cè)谙到y(tǒng)中執(zhí)行的功能，找出有問題的組件（正常、不足、過量或者是有害），從而用于下一階段進(jìn)行深入分析。

基于現(xiàn)有微耕機(jī)結(jié)構(gòu)圖（圖1）進(jìn)行功能分析，建立系統(tǒng)功能模型圖（圖2）。

微耕機(jī)存在離合器手柄會(huì)使人手產(chǎn)生疲勞、旋耕刀易纏繞雜草、人被卷入旋耕刀、旋耕刀使灰塵石塊飛濺、飛濺的石塊損傷旋耕刀、不透明擋板阻礙用戶觀察作業(yè)情況等問題（表1）。

（三） 因果鏈分析

通過因果鏈分析，層層分析找到隱藏于問題背后的根本原因，從而全面徹底解決問題。對(duì)于微耕機(jī)維護(hù)成本高的問題，利用因果鏈分析得到因果鏈分析圖（圖3）。

通過因果鏈分析確定微耕機(jī)維護(hù)成本高的關(guān)鍵問題及相應(yīng)的解決方案（表2）。

對(duì)于微耕機(jī)傷人的問題，利用因果鏈分析得到因果鏈分析圖（圖4）。

通過因果鏈分析確定微耕機(jī)傷人的關(guān)鍵問題及相應(yīng)的解決方案（表3）。

（四） 裁剪

剪裁將系統(tǒng)中一個(gè)或者多個(gè)組件去除掉，但被去除的組件原有的功能可以用系統(tǒng)本身或者是引入超系統(tǒng)組件來(lái)替代，或者能將原本功能轉(zhuǎn)移到其他組件的方法。

（1）裁剪倒擋。對(duì)于體量較小的微耕機(jī)，基于裁剪規(guī)則B，使用掉頭代替倒擋（圖5）。

（2）裁剪離合器手柄?；诓眉粢?guī)則C，引入超系統(tǒng)組件替代離合器手柄原有的功能，如引入雙層扶手（圖6）。在符合人機(jī)功效的前提下，同時(shí)解決了閉合器手柄長(zhǎng)時(shí)間握持容易產(chǎn)生疲勞的問題。

（五） 功能導(dǎo)向搜索

功能導(dǎo)向搜索是類似于關(guān)鍵詞搜索的搜索工具，在使用TRIZ理論尋找載體時(shí)，真正需要的是功能，而不是載體功能。導(dǎo)向搜索通過將關(guān)鍵詞限定在我們需要搜索的領(lǐng)域，從而提高尋找解決方案的效率。使用功能導(dǎo)向搜索解決因果鏈分析中得到的關(guān)鍵問題，分析如下。

使用功能導(dǎo)向搜索解決工程系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題1：

（1）旋耕刀工作時(shí)將人與旋耕刀阻隔開，在更換功能套件時(shí)擋板不會(huì)阻擋人的動(dòng)作。（2）在航空航天中，為避免宇航員被宇宙射線輻射所傷，航天飛船配備輻射防護(hù)裝備。在日常訓(xùn)練時(shí)防護(hù)措施呈收納狀態(tài)；在工作狀態(tài)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，防護(hù)罩會(huì)展開覆蓋住需要保護(hù)的部件和人員。（3）借鑒航空航天中防輻射保護(hù)罩的折疊收納方式，考慮微耕機(jī)擋板在折疊狀態(tài)時(shí)如何收納、在展開時(shí)處于何種形態(tài)。

使用功能導(dǎo)向搜索解決工程系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題2：

（1）如何讓離合器手柄長(zhǎng)時(shí)間握持不容易感到疲勞。（2）嬰兒車把手具有自鎖功能，在使用者松開后會(huì)鎖死輪胎避免滑移。嬰兒車把手為雙層把手設(shè)計(jì)，可單雙手握持。雙層把手相結(jié)合時(shí)，制動(dòng)器松開，嬰兒車可以活動(dòng)；當(dāng)兩層把手相分離時(shí)，制動(dòng)器相結(jié)合，嬰兒車自動(dòng)鎖死。（3）借鑒嬰兒車把手所控制的制動(dòng)器，對(duì)微耕機(jī)的離合器進(jìn)行再設(shè)計(jì)，雙層把手分開時(shí)離合器斷開動(dòng)力切斷。

使用功能導(dǎo)向搜索解決工程系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題3：

（1）將旋轉(zhuǎn)的旋耕刀刀頭和操作者分隔。（2）利用仿生學(xué)，參考甲蟲的鞘翅結(jié)構(gòu)在展開時(shí)能與內(nèi)部的膜翅不相干涉，在收納時(shí)能保護(hù)內(nèi)部柔軟的軀體。（3）將擋板設(shè)計(jì)為類似鞘翅的可活動(dòng)結(jié)構(gòu)。

（六） 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾是在解決技術(shù)問題時(shí)為了達(dá)到某個(gè)目的需要改變某一個(gè)參數(shù)，但是隨著該參數(shù)的改變會(huì)帶來(lái)其他問題的情況。技術(shù)矛盾1：如果增加擋板的面積，那么提高擋板的防護(hù)性，但是微耕機(jī)的可維護(hù)性會(huì)降低。技術(shù)矛盾2：如果擋板不可移動(dòng)，那么系統(tǒng)的復(fù)雜程度會(huì)降低，但是微耕機(jī)的維護(hù)性會(huì)變差。將技術(shù)矛盾中改善和惡化的參數(shù)轉(zhuǎn)化為39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)（表4）。查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到如下創(chuàng)新原理（表5）。從阿奇舒勒發(fā)明原理列表中確定發(fā)明原理，應(yīng)用發(fā)明原理的提示確定最適合解決技術(shù)矛盾的具體解決方案（表6）。

四、仿生長(zhǎng)頸象鼻蟲的模塊化微耕機(jī)設(shè)計(jì)

利用TRIZ方法得出多個(gè)解決方案，對(duì)方案進(jìn)行整理和評(píng)價(jià)，綜合成本、可靠性、可維護(hù)性、創(chuàng)新性等因素，提出仿生長(zhǎng)頸象鼻蟲的模塊化微耕機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：

（1）產(chǎn)品整體造型仿生長(zhǎng)頸象鼻蟲的簡(jiǎn)潔有機(jī)形態(tài)。仿生甲蟲鞘翅采用連貫有機(jī)曲面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。整體配色依舊延續(xù)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的黑紅配色同時(shí)也與仿生對(duì)象相呼應(yīng)。

（2）可活動(dòng)折疊擋板設(shè)計(jì)。折疊方式仿生象鼻蟲鞘翅展開及折疊的形態(tài)和功能，同時(shí)借鑒空間站宇宙飛船太陽(yáng)能板的折疊方式。在工作狀態(tài)時(shí)，兩片導(dǎo)軌產(chǎn)生向內(nèi)壓力，利用摩擦力將擋板相對(duì)位置進(jìn)行固定，完全覆蓋旋耕刀頭以確保操作者安全。在更換套件時(shí)，張開較大的角度，不會(huì)阻擋操作者更換相應(yīng)的功能套件。擋板通過平行四邊形結(jié)構(gòu)的槽口導(dǎo)軌以及手?jǐn)Q螺絲的固定效果，將橫向距離較長(zhǎng)的擋板縮小折疊，整體橫向尺寸與行走輪的橫向尺寸相同或更小，便于放置與運(yùn)輸。擋板能沿槽口活動(dòng)，選擇合適的防護(hù)尺寸，防止剮蹭鄉(xiāng)間小道兩側(cè)的硬物，并且能夠阻擋灰塵和飛濺的石塊。

（3）離合器手柄設(shè)計(jì)借鑒嬰兒車把手的雙層設(shè)計(jì)，使用者將上層手柄與下層手柄相捏合，離合器接通動(dòng)力傳輸。當(dāng)出現(xiàn)意外或正常松開時(shí)，上層離合器手柄彈起，動(dòng)力切斷。在突發(fā)意外時(shí)具有更高的安全性和操控性。即使是老年人，也能輕松分辨離合器手柄，不需要繁雜的記憶。該設(shè)計(jì)同時(shí)借鑒了長(zhǎng)途騎行的公路車蝴蝶手把，提供更多的握持方式。這樣保證長(zhǎng)時(shí)間握持的舒適性，解決因疲勞而引發(fā)的危險(xiǎn)操作（如將離合器手柄纏死的情況）。在發(fā)生危險(xiǎn)，離合器手柄不能停止或反應(yīng)不及時(shí)情況下，可以按下急停按鈕停止發(fā)動(dòng)機(jī)。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)罩仿生了長(zhǎng)頸象鼻蟲骨骼的曲面造型，將具有高溫、高速旋轉(zhuǎn)部件的發(fā)動(dòng)機(jī)以及變速箱離合器等動(dòng)力組件和使用者分隔開來(lái)，避免檢查或不經(jīng)意觸碰到滾燙的內(nèi)部器件，皮帶等活動(dòng)部件也得到保護(hù)。保護(hù)罩將發(fā)動(dòng)機(jī)和具有噪聲的排氣管與使用者隔離，具有消音器的排氣管讓長(zhǎng)期工作的使用者不必再忍受發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。在維護(hù)時(shí)，將紅色保護(hù)蓋向上掀起，即可對(duì)內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)以及檢查?；谀K化設(shè)計(jì)理念，擋板與發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)罩整體分為兩個(gè)部分，中間使用轉(zhuǎn)軸固定，部件損壞后能夠進(jìn)行方便的更換。

（5）在收納運(yùn)輸方面，扶手仿生長(zhǎng)頸象鼻蟲頸部的活動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。收納時(shí)將扶手向前折疊，把手保持水平面不變，可折疊于發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)蓋之上。前端保險(xiǎn)杠可作為搬運(yùn)的后端扶手，方便提取。以農(nóng)村使用率最高的五菱宏光為例，整體尺寸能在后座放倒后裝入貨艙，也能裝入農(nóng)用車貨斗。

（6）簡(jiǎn)化倒擋功能。為保證安全性，將倒擋裁剪掉，既提高系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性，又避免掛錯(cuò)倒擋將人撞倒卷入旋耕刀的安全事故?？紤]到在實(shí)際使用中倒擋的使用頻率較低，以及微耕機(jī)體量較小，使用微耕機(jī)掉頭以及折疊擋板縮小整體尺寸以減少轉(zhuǎn)彎半徑。

（7）空氣濾芯設(shè)計(jì)。將空氣濾芯的位置遠(yuǎn)離塵土較多的底部，調(diào)整在扶手中，使用軟管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，既遠(yuǎn)離了旋耕刀工作區(qū)域造成的揚(yáng)塵，又在揚(yáng)塵到達(dá)使用者之前將少部分揚(yáng)塵吸收過濾，減少灰塵對(duì)操作者的影響。這樣既降低了發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榭諝夂扯椎母怕?，延長(zhǎng)其使用壽命，也提高了用戶的使用體驗(yàn)。

五、總結(jié)

本研究基于TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論并結(jié)合仿生學(xué)設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)出適合個(gè)體農(nóng)戶且適用于山區(qū)小田塊作業(yè)的微耕機(jī)產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有更優(yōu)的安全性、使用效率、維護(hù)效率等特點(diǎn)。

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責(zé)編 / 馬銘陽(yáng)