葡萄種植中土石分離混料機的設計—基于TRIZ理論

趙　威，尚　欣

(寧夏大學 機械工程學院，銀川　750021)

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葡萄種植中土石分離混料機的設計—基于TRIZ理論

趙威，尚欣

(寧夏大學 機械工程學院，銀川750021)

摘要：針對寧夏賀蘭山東麓葡萄種植基地,葡萄種植定值溝的挖掘作業步驟繁瑣、耗費時間長，勞動強度大、工作效率低等現狀，基于TRIZ理論并運用技術矛盾沖突設計了土石分離混料機。該機是集土石分離、土壤與農家肥混合并回填定植溝等作業同步進行的機械設備，徹底改變了人工撿石、施肥、旋耕、機械挖掘等傳統的作業模式，大大節省了人力、物力，并提高了葡萄種植定植溝挖掘作業的工作效率。

關鍵詞：TRIZ理論； 矛盾沖突； 土石分離混料機；葡萄種植

0引言

寧夏賀蘭山葡萄種植基地位于賀蘭山東麓，地處世界葡萄種植的 “黃金地帶”系沖積扇三級階梯，成土母巖以沖積物為主，土壤中含有礫石。由于這些礫石的存在，對農作物的生長產生影響，并且給葡萄種植作業帶來嚴重的不便。目前，葡萄種植定值溝的挖掘作業中一般先采用人工撿拾礫石的辦法清理農田礫石，待礫石清理完成，將有機肥按照挖掘定值溝的標準撒施到確定好的葡萄行上；然后使用旋耕機旋耕將肥料與土壤混拌均勻，再使用機械開挖定植溝，最后將土料混合物回填定植溝[1]。這種勞作方法步驟繁瑣、耗費時間長、勞動強度大而且工作效率低。TRIZ理論是一門解決技術系統創新問題的方法學理論[2]，在產品創新設計領域得到廣泛的應用。 為改變傳統的作業模式，筆者借鑒國內外土壤撿石機研究發展成果及經驗和混料機構的工作原理等，結合寧夏賀蘭山葡萄種植基地自身的地理環境，運用TRIZ理論設計了一種在挖掘機同步工作條件下能夠完成土石分離，同時又能使土壤與農家肥混合并回填定植溝的土石分離混料機械，并確保設備整體結構的穩定性及機械作業的連續性。這樣既可以節省人力、快速作業，又摒棄了由于挖掘機破壞土壤機理帶來的缺點。該機主要由振動篩分裝置、土壤-農家肥混合裝置、礫石盛裝裝置和發動機裝置等幾部分組成，使葡萄種植定植溝挖掘實現同步一體化作業模式。

1TRIZ理論

TRIZ由前蘇聯發明家里奇·阿奇舒勒( G. S. Altshuller )及其同事提出的創新方法理論體系[3]。TRIZ是基于知識的、面向人的發明問題解決系統化方法學,是一種較完善的創新設計理論，是產品創新設計及開發中解決技術難題的有力工具。經過不同時期的發展階段后，TRIZ理論已成為其主要設計思想，對現實中無法直接找到對應解的技術難點先將其轉換為一個TRIZ問題，然后利用 TRIZ中的理論和工具獲得TRIZ的通用解，最后將TRIZ解轉化為具體問題的解，并在現實問題中得以實現，最終解決技術問題。

TRIZ理論認為:矛盾沖突普遍存在于各種產品的設計之中。沖突的分析和解決是產品創新方案設計的主要步驟，解決矛盾是發明問題的核心，要進行創新設計就必須要解決矛盾。在設計過程中不斷地發現并解決矛盾，是推動其向理想化方向進化的動力[4]。在產品創新設計過程中，存在物理和技術兩個方面的矛盾，其中技術矛盾沖突的解決是取得創新解的關鍵[5]。針對技術矛盾沖突，TRIZ理論方法提出了40條發明原理及沖突矩陣用來解決設計中所遇到的沖突解決相關設計問題。因此，筆者運用TRIZ理論方法，克服習慣性思維，力求找出解決土石分離、混料返田等矛盾的方法；闡述創新設計中整體結構技術矛盾、振動篩分(土石分離)技術矛盾和混料返田技術矛盾，并最終應用TRIZ理論方法確定出設計方案。

TRIZ解決矛盾的方式[6]，如圖1所示。

圖1　TRIZ解決矛盾的方式

2工作原理及結構設計分析

2.1　土石分離混料機的工作原理

土石分離混料機由挖掘機(60型)牽引，作業時物料在圓振動篩激振器高速旋轉狀態下完成土石分離；篩下物經雙軸螺旋混料機箱，在焊接有正、反相互交叉螺旋葉片的工作軸的作用下完成物料的輸送、混合和返回定植溝；篩上物(直徑30mm以上石塊)借助振動篩的振動經振動鋼板進入集石箱，進而完成一個工作循環。

2.2　土石分離混料機的結構設計

本設計中，土石分離混料機主要由柴油發動機、減速器、圓振動篩、雙軸螺旋混料機、集石箱和拖車架組成。其中，圓振動篩和雙軸螺旋混料機是本設計的關鍵所在。

1)圓振動篩是一種慣性振動篩，又稱單軸振動篩，主要由激振器、篩箱、隔震裝置及傳動裝置等部分組成。圓振動篩的運動學參數和工藝參數如表1所示。

表1　圓振動篩運動學參數和工藝參數

圓振動篩的工作原理：圓振動篩的篩面固定在篩箱上，篩箱由彈簧懸掛或支撐，主軸的軸承安裝在篩箱上；主軸由帶輪帶動而高速旋轉，偏心輪安裝在主軸上，隨主軸旋轉，產生離心慣性力，使可以自由振動的篩箱產生近似圓形軌跡的振動，從而篩面上的物料層松散并被拋起，使細粒級物料能夠透過物料層并通過篩孔排除，同時卡在篩孔內的物料會被振出。篩箱的振動除了產生篩分作用外，還會促使物料向前運動，使上篩面分離出的直徑30mm以上的石塊進入集石箱內。

2)雙軸螺旋混料機主要由U型混料機箱、工作軸(雙軸)、聯軸器、同步齒輪及驅動裝置等組成。雙軸混料機的相關技術參數如表2所示。

表2　雙軸混料機的相關技術參數

雙軸螺旋混料機的工作原理：雙軸螺旋混料機工作時，發動機通過三角皮帶來驅動減速器。減速器輸出通過聯軸器與工作主軸相連；工作軸的兩軸間通過同步齒輪來實現相向轉動，雙軸上焊接有送料、混料及返料的變螺距螺旋葉片。其中，葉片按特定的尺寸正、反向交錯布置，從而實現物料的輸送并混合的連續型螺旋混料作業。

雙軸螺旋混料機的結構形式為臥式，從結構上看，雙軸螺旋混料機要較單軸混料機復雜；但雙軸螺旋混料機的磨損相對較小，混合攪拌質量好，生產效率高。

雙軸螺旋混料機的優點如下：

1)混料機外形尺寸小、高度低、布置緊湊，而且結構合理堅固，工作可靠性好。

2)容量大，效率高。

3)混料機箱直徑比同容量立軸式小，混料軸轉速與立軸式基本一樣，但螺旋葉片線速度要比立軸式小的多。因此，其葉片和襯板磨損小，使用壽命長，并且物料不易離析。

4)物料運動區域相對集中于兩工作軸之間，物料行程短，摩擦揉搓充分、頻次高。

3基于TRIZ原理的整體設計方案

3.1　土石分離混料機整體設計的沖突

對于寧夏賀蘭山東麓葡萄種植基地定植溝挖掘過程中土石分離、土壤肥料均勻混合及返田等矛盾，可以描述如下：土石分離混料機使土石分離和肥料、土壤均勻混合并回填定植溝兩個作業同步進行。目前，葡萄種植定值溝的挖掘作業一般采用人工撿拾的辦法清理農田礫石，待礫石清理完成，將有機肥按照挖掘定值溝的標準條狀撒施到確定好的葡萄行上，使用旋耕機旋耕將肥料與土壤混拌均勻,再使用機械開挖定植溝，最后將土料混合物回填定植溝。這種勞作方法不僅步驟繁瑣、耗費時間長，而且勞動強度大、工作效率低。由此得出的整體技術矛盾為土石分離、土壤與肥料均勻混合及返回定植溝作業的同步自動化與傳統人工分步勞作之間的矛盾。

3.2　技術沖突的解決，整體設計方案的確定

3.2.1沖突矩陣的建立

沖突矩陣的行和列分別對應惡化和改善的39個通用工程參數，行與列的交點處提供了參數之間對應沖突的發明原理解決方案，發明原理是TRIZ的核心內容之一，共40條，用編號體現在矩陣元素里。

應用TRIZ理論解決矛盾沖突，質量提高的工程參數包括：NO.13結構的穩定性；NO.36裝置復雜性；NO.39生產率。帶來負面影響的參數是 NO. 5運動件的面積；NO.7體積；NO.15運動物體作用時間；NO.21功率；NO.38自動化程度和NO.39生產率。新的設計可能使設計制造有些困難和系統中元件數目增加。具體沖突矩陣如圖2所示。

圖2　技術沖突解決問題矩陣

3.2.2整體設計方案

在整體設計上，筆者所設計的產品若只能夠保證土石分離作業，土壤與肥料均勻混合并回填定植溝作業的分體完成，那么在連續作業情況下保證在同步工作情況下整體機構的穩定性就很困難。因此，根據概念理解，該產品的TRIZ 問題應屬于技術沖突。針對技術矛盾，充分利用TRIZ 理論的設計思路并借助于機械創新設計方法對土石分離混料機械進行總體方案設計，確定其動力、結構、功能運動等設計方案，最后整體設計采用分體式設計方案。整個機構在大功率柴油機帶動下由振動篩分裝置、混料裝置和集石輸送裝置3部分組成，各部分之間由V型帶、輸送道及振動鋼板相連；其具體結構由機架、內燃柴油機、減速器、傳動機構、振動篩分機構、雙軸螺旋混料機構和礫石盛裝機構等幾部分組成。在由內燃柴油機提供動力的狀態下，通過傳動帶將動力傳送給減速器，通過振動激振器帶動振動篩的運轉；在減速器的帶動下，依靠帶傳動，通過聯軸器帶動雙軸混料機的工作；進而完成土石振動篩分裝置、混料裝置和礫石輸送裝置的同步正常運轉。整個作業流程是：挖掘機將崛起的土石及有機肥送入振動篩入料口；振動篩分離出的直徑30mm以上的礫石沿上篩網面流下并通過振動鋼板送至集石箱；流經下篩面的土壤及有機肥通過輸送道進入混料機箱進行混合攪拌，最后將混合物輸送至出料口沿導軌返回定值溝，進而完成一個完整的作業流程，整個作業是連續的。該方案解決了土石分離、土壤和肥料均勻混合并返田作業的同步自動化與傳統人工分步勞作之間的矛盾。其整體結構示意圖，如圖3所示。

1.篩分進料口　2.振動篩分機　3.集石箱　4.出料口　5.混料機

4振動篩分方案機構設計

4.1　振動篩分方式技術矛盾

振動篩分機利用振動激振器的運轉帶動篩箱的振動，篩網通過連續振動將土壤、農家肥與礫石分離；然而振動篩分機在不同的地理環境下會遇到各種影響振動篩處理能力的因素，如在濕式物料環境篩分時出現堵塞和粘附的問題。篩孔形狀也是影響篩分效果的重要因素之一，網孔篩面會增加顆粒透篩的阻力和潮濕物料粘附的機會。這些因素都是造成振動篩不能穩定工作的原因。

4.2　振動篩分機的設計方案

根據 TRIZ 理論方法提供的解決問題沖突的思路，確定振動篩分機的設計方案：首先，選用拋擲狀態下的圓運動慣性振動篩作為其篩分裝置，這樣工作面每振動一次，物料將出現一次拋擲狀態。這種運動狀態對于減小不必要的能量消耗和提高振動機的工作效率是大大有益的。其次，振動篩網采用振動棒條篩，是一種裝有彈性棒條篩面的振動篩，結構簡單、處理量大且篩孔不易堵塞。棒條篩面的篩孔呈長縫形，減少了物料前進的阻力，有助于提高物料流速，使料層減薄；開孔率提高10%以上，減少了顆粒透篩的阻力和潮濕物料粘附的機會。為了快速將篩網上的礫石排出，篩面呈一定傾斜角度進行安裝，篩面傾角對振動篩分裝置的生產率和篩分效率有著密切關系。通過對振動篩網的設計，振動篩分裝置的生產率和篩分效率都得到很大的提高。振動篩網設計結構如圖4所示。

圖4　振動篩網結構示意圖

5混料機構設計

5.1　混料方式的技術矛盾

雙軸螺旋混料機的結構形式為臥式,如圖5所示。

雙軸螺旋混料機在工作時,工作軸的兩軸間通過同步齒輪實現相向轉動。土石分離混料機作業時，土壤、農家肥從混料機進料口進入混料機箱，經過短時間的混合從出料口流入導軌， 最終返回定值溝。在混料機中，混合物主要是土壤和農家肥。由于農家肥(主要是牛糞)通常是含有草莖的絲狀的片狀物或塊狀， 在機箱內很容易纏繞在螺旋葉片上；隨著工作時間的增多，纏繞物積累到一定程度就會造成堵塞現象，導致物料不能從進料口順利經過螺旋混料階段輸送到出料口,最后在進料口會形成堵料現象[7]。

1.V帶輪　2.機箱　3.螺旋葉片　4.同步齒輪　5.軸承座

5.2　混料機的設計方案

針對混料方式的技術矛盾，利用TRIZ理論的設計思路對高效雙軸螺旋混料機進行方案設計。雙軸螺旋混料機的設計主要是對螺旋葉片在雙軸上的分布形式的設計；在雙軸上焊成送料、混料、返料的變螺距的螺旋葉片[8](見圖6)，且將螺旋葉片按特定尺寸正、反向交錯布置,實現物料的輸送并混合；正確選擇螺旋葉片外徑D、螺距T、軸徑d、正、反葉片數量,以及軸間距S等的數值參數,使得兩軸葉片間相互交叉而不碰。這樣，正、反葉片的布置能使物料進退相間,成峰谷形連續向前涌進,達到既混料又輸送的目的。

圖5　雙軸螺旋葉片的分布形式

由于正反螺旋葉片的交替布置,在雙軸混料機體內產生物料與葉片、物料與機殼、物料與物料之間的擠壓和摩擦揉搓作用，使得物料充分混捏、攪拌[8]，從而在一定程度上解決混料機堵塞問題。本次設計的雙軸螺旋混料機為連續型的混合設備。

6試驗結果及相關參數確立

6.1　田間試驗相關數據及結果分析

挖掘機挖掘定值溝的規格要求深度800mm，寬度600mm，則挖掘機掘土工作量為72m3/h。

試驗結果表明：①在連續工作狀態下，土石分離混料機平均工作處理量為145 t/h；②土石分離效果顯著，能夠很好地將土石分離開來，篩上分離出的石塊(直徑30mm以上)流經振動鋼板，能夠順利地進入集石箱中；③物料能夠在雙軸混料機箱內充分的混合，并通過螺旋葉片及輸送軸的作用完成混合輸送過程，不易產生堵塞現象；④土壤農家肥混合物經過輸送軌道能夠很好地返回到定植溝中，正常工作條件下混合物料不會泄漏出機體外。因此，本次設計的土石分離混料機械能夠達到預期的效果。

利用TRIZ理論對土石分離混料機的研究設計成功解決了設計中可能遇到的諸多技術困難，主要有以下兩點：

1)解決了在多種因素下振動篩的處理能力所受到的影響，充分保證了單位時間內處理物料的工作量，使裝置在工作中保持良好的工作狀態，達到土石完全分離。

2)使得物料在雙軸螺旋混料機箱內能夠充分混捏、攪拌，并在雙軸混料機體箱內產生物料與葉片、物料與機殼、物料與物料之間的擠壓和摩擦揉搓作用，很好地解決了混料機裝置在工作過程中由于經常發生堵塞而導致混料機不能正常運轉的情況。

因此，通過在寧夏賀蘭山東麓葡萄種植基地的相關數據收集及實地試驗，本次設計的土石分離混料機械能夠在多種復雜地貌條件下工作，大大減少了山區葡萄種植的諸多困難。

6.2　土石分離混料機功率的計算

土石分離混料機的總功率主要由振動篩分機所需功率和雙軸混料機所需功率兩部分組成。

土石分離混料機總功率為

P=P1+P2

(1)

土石分離混料機相關技術性能參數如表3所示。

表3　土石分離混料機性能參數

7結論

基于TRIZ的矛盾沖突的一系列創新原理和方法，將傳統的葡萄種植定植溝挖掘作業發展為現代機械化勞作模式,成功地運用TRIZ技術理論研發設計出一種適用于山區葡萄種植的土石分離混料機械。新型土石分離混料機可以很好地分離出土壤中混雜的礫石等影響葡萄種植的諸多因素，并在一般撿石器的基礎上，增加了施加農家肥、土壤—肥料混合并返填定植溝功能，大大節省了人力、物力，具有工作效率高的特點。TRIZ 技術在土石分離混料機振動篩分機構和混料機構設計中，解決了土石分離分料機在振動篩分裝置篩網處理能力及雙軸混料裝置中的堵塞問題，確保了機械設備整體結構的穩定性及作業的連續性等，大大提高了工作效率。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0166-EA Design of the Earth-rock Separation Mixer in Grape Planting Based on the Theory of TRIZ

Zhao Wei，Shang Xin

(School of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

Abstract：In Ningxia Helan mountain grape planting base,grape planting of fixed value ditch excavation steps cumbersome and time-consuming,labor-intensive,working efficiency low status.The author designed the earth-rock separation mixer which was based on the theory of TRIZ and application of technical contradiction.Is a concentration of earth-rock separation,soil mixed with farmyard manure and backfill ditch colonize a simultaneous operation of mechanical equipment.Revolutionized the artificial pick up stone,fertilizing,rotary tillage,mining machinery,such as the traditional operation modeand greatly saves manpower and material resources.And improve the grape planting engraftment ditch the working efficiency of the mining operation.

Key words：TRIZ theory ; conflict;earth-rock separation mixer;grape planting

中圖分類號：S222.5；HT122

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0166-05

作者簡介：趙威(1988-)，男，河南扶溝人，碩士研究生，(E-mail)zhaoweicbaa@163.com。通訊作者：尚欣(1971-)，男，陜西長武人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)XKShangX@163.com。

基金項目：寧夏自然科學基金項目(NZ14040)

收稿日期：2015-10-09