TRIZ對水稻倒伏收割機割臺進行的全新設計

馬洪鑫 肖顯昊 劉梓鑫 趙樂鑫 牛 犇 高 輝 宋明皓

(1、哈爾濱石油學院,黑龍江 哈爾濱150028 2、哈爾濱新能源勘測技術有限公司,黑龍江 哈爾濱150090)

1 概述

水稻作為我們國家的主要糧食產物，它的產量直接決定著我們國家的糧食安全，而在糧食播種面積穩定的情況下，提高農業機械化水平，加快農業裝備產業轉型升級，才能確保糧食生產穩定發展和重要農產品的有效供給。多工況水稻收割機割臺設計是針對倒伏水稻收割問題提出的一項全新技術，能高效的進行機械化收割，從而提高水稻收獲率。

通過調查分析，我們發現水稻收獲環節的手工收割比例依舊很高。絕大多數情況都是因為水稻倒伏嚴重，機械無法進行收割，只能采取手工收割的原因。根據調查了解使用人工收割1畝水稻需要4個人割1整天（8小時）才能完成，而每臺機器8小時能收獲約4畝。事實上對于水稻倒伏的收割，國內一直沒有適當方法，傳統倒伏都是用手收割，效率低而且倒伏時間過長容易使稻粒發芽，目前市面上的國內收割機對倒伏的水稻收獲效率比較低，國外收割機對倒伏的水稻收獲效率較高，但其核心技術一直處于行業技術機密從未公開。此外，倒伏的水稻往往攪在一起，相互疊加普通的收割機收獲過程中會一定程度上造成谷粒掉落，漏割，而造成減產。

通常水稻成糧的過程有以下兩種形式：“收割——扶禾——脫粒——清選——集糧”和“扶禾——收割——脫粒——清選——集糧”。常用扶禾器存在主要問題包括以下幾方面：倒伏水稻倒角較大，且水稻彼此攪在一起，難以收割；收割過程中割刀容易割到稻穗，從而造成減產；扶禾過程中扶禾器碰觸稻穗，容易造成稻粒大量的脫落；水稻倒伏收割機割臺技術一直被國外企業壟斷。

針對存在的主要問題的客觀限制條件主要包括：稻穗自身生長狀況決定了收割機割臺盡可能不碰觸稻穗；水稻倒伏受氣候、地形、人為等諸多因素影響；水稻倒伏受地面干濕程度影響，收割機重量過大容易陷入耕田等。而我們正是基于以上分析對現有技術產品應用創新方法進行創新設計。

2 應用TRIZ理論進行全新設計

TRIZ是由蘇聯發明家和他的團隊對大約250萬份專利文獻進行分析、歸納和總結，并綜合多學科領域的原理和法則，形成的一套具有完整體系的發明問題解決方法和理論[1]。應用TRIZ理論中的發明原理、資源分析、功能分析、小人法作為科學基礎進行設計與分析。

2.1 發明原理分析

分割原理：分割原理是指將整體進行切分。即將物體分成相互獨立的部分或容易組裝拆卸的部分，亦或是增加分割程度[2]。物體扶禾器分成相互獨立的兩組便于增大分割效率。

組合原理：組合原理是指在不同的物體或同一物體內部的各部分之間建立一種聯系，使其有共同的唯一的結果[3]。將聯動交錯式撥禾輪組合在一起工作提高收割效率。

2.2 資源分析

對收割機割臺系統、子系統和超系統對應的資源分析。資源分析對系統進行同步分析，向超系統進化是解決問題趨勢，如圖1。

圖1 水稻倒伏收割機割臺系統資源分析

2.3 功能分析

在割臺結構上進行設計和結構調整，在扶禾器上安裝撥禾輪組，打破傳統每個分禾器僅有一個撥輪的常規（如圖2）。通過對撥輪大小、結構、排列、傳動原理等方面的設計，結合對水稻收割實際地貌的適應性，提出“多工況聯動交錯式撥禾輪組”的全新扶禾設計（如圖3）。

圖2 水稻倒伏收割機割臺系統功能分析

圖3 水稻倒伏收割機割臺系統創新后的功能分析

水稻收割機割臺收割部的新功能分析圖如下：

2.4 小人法

為進一步完善設計，采用小人法對最終確定方案進行再次技術優化。

圖4：第一層小人代表撥輪的剛性傳動部分（第一層和第二層是兩層類似雙聯齒輪），外側小人代表剛性撥禾輪，但由于撥禾輪盤與撥齒為剛性結構，扶禾效果未到最佳，因此需要引入柔性結構設計。

圖4

圖5：在第二、五、六層小人共同組成的剛性撥禾輪盤與撥齒之間增加代表柔性結構的第三層小人，使撥齒與輪盤形成鉸鏈連接，扶禾效果有所提升，但結構未到最佳。

圖5

圖6：將撥齒由“A形”改變為“月牙形”撥齒結構，此時扶禾效果更好，但“月牙形”撥齒活動空間過大，不易控制。

圖6

圖7：在第三層引入柔性小人，調節“月牙形”撥齒。柔性小人可引入彈簧完美實現撥齒調節問題。此外為防止稻草卡住彈簧，彈簧外采用布質折疊伸縮套進行保護。

圖7

在扶禾器上安裝撥禾輪組，打破傳統每個分禾器僅有一個撥輪的常規。通過對撥輪大小、結構、排列、傳動原理等方面的重新設計，結合對水稻收割實際地貌的適應性，提出“多工況聯動交錯式撥禾輪組”的全新扶禾設計，經檢索和查閱資料，本設計在國內尚屬首例。根據分析評價確定在扶禾器上安裝“多工況聯動交錯式撥禾輪組”的全新扶禾設計為最佳方案。圖8為聯動交錯式撥禾輪組結構外觀示意圖。

圖8 水稻倒伏收割機割臺系統聯動交錯式撥禾輪組結構外觀示意圖

3 結論

任何一項新的發明設計都應當具有相應科學基礎理論體系作為支撐，從而能夠迅速地實現技術系統進化和技術矛盾問題的解決。本文基于TRIZ理論，對水稻倒伏收割機割臺設計在應用中實際問題進行分析，并結合相關的知識理論，對水稻倒伏收割機割臺進行全新設計，希望能夠為我國農業及農產品生產提供新的活力。