基于TRIZ的肥料供給系統優化設計

呂俊　寧德奎

（云南新天力機械制造股份有限公司，云南　安寧　650300）

基于TRIZ的肥料供給系統優化設計

呂俊寧德奎

（云南新天力機械制造股份有限公司，云南安寧650300）

針對實際農業生產中甘蔗種植機施肥不均勻的問題，基于優化設計和TRIZ理論對其肥料供給系統進行分析，構建了基于TRIZ的產品設計過程模型，并將其中的技術矛盾模型、物理矛盾模型及物-場模型等工具應用到設計中，對其肥料供給系統中的部分結構進行了優化和改進。從理論上得到了可行的方案，且改進后的裝置取得了令人滿意的效果。

TRIZ；肥料供給系統；平衡；干燥；均勻性

世界甘蔗生產面積大約在0.2億hm2，種植面積最大的國家是巴西，中國位居第三，種植蔗面積160多萬hm2，主要集中在廣西、云南、廣東、海南等省區［1］。我國蔗區生產條件差異很大，地形復雜、地塊面積小、立地條件差，經營方式多樣。因此，應根據不同的自然條件和經營方式，采用不同的機械化生產模式和技術路線［2］。種植作業是甘蔗生產過程中勞動強度最大也是最重要的環節之一，種植作業質量直接影響了新植和宿根蔗的產量［3］。

肥料供給系統作為甘蔗種植機上的一個重要組成部分，由于不利的生產環境會對肥料施放的均勻性造成嚴重影響，如何提高肥料供給系統施肥均勻性，使其穩定可靠的運行，是目前待解決的重要問題。

1　運用TRIZ理論簡述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）的核心是消除矛盾及技術系統進化的原理，并建立基于知識消除矛盾的邏輯化方法，用系統化的解題流程來解決特殊問題或矛盾，圖1給出了TRIZ的理論體系。

圖1　TRIZ的理論體系

TRIZ大大超過了以往那些激發創造力的傳統的創新方法，其有助于解決以技術矛盾和物理矛盾為特征的復雜的發明問題。通過一系列系統化解決問題的流程，幫助研發人員得到最有效的解決方案。圖2給出了TRIZ的解題流程。傾斜成為此肥料供給系統待解決的問題。因此，需要對現有的肥料供給系統進行優化設計，以實現自動、均勻地施肥。

圖2　TRIZ的解題流程

圖3　甘蔗種植機

針對具體的工程問題，TRIZ首先是分析問題，可以采用系統分析或者三軸分析的方法對問題進行分析；正確地分析了問題之后，可以采用下面幾種方法：技術矛盾、物理矛盾、How to模型、物場模型等來解決問題，找到問題的備選方案［4］。

TRIZ理論廣泛應用在機械產品創新設計上，其存在的物理矛盾、技術矛盾，使得設計過程成為一個具有創新性特征的問題解決過程，而創新設計從最通俗的意義上講就是創造性地發現問題并解決問題的過程，TRIZ理論的強大作用正在于其為此提供了系統的理論和方法工具［5］。

2　肥料供給系統現狀

2.1工程背景

該設備為甘蔗種植機肥料供給系統，由肥料箱、肥料箱底座、肥料導槽支板、肥料擋板、肥料圓盤、渦輪減速器和肥料導槽等部件組成（見圖3和圖4）。施肥基本原理是：肥料箱中的肥料落入肥料圓盤，渦輪減速器帶動肥料圓盤旋轉，肥料擋板阻擋肥料使其堆積后流出到肥料導槽。

2.2問題描述

該設備應用渦輪減速器，通過流量調節能調整施肥量，實現自動施肥。但是，受外界環境影響，會造成甘蔗種植機傾斜、肥料結塊等問題，導致肥料施放不均勻，影響甘蔗正常生長。肥料受潮結塊，侵蝕系統和肥料圓盤

圖4　肥料供給系統示意圖

3　肥料供給系統分析

3.1系統功能分析

為了分析問題及優化技術系統，人們總是希望深入了解并研究各組成要素之間的關系，描述技術系統是一個復雜的工程，特別是對于大型技術系統而言，建立系統模型對于定性、定量地分析問題至關重要［6］。

功能是從滿足需求或效用的角度對技術系統的一種理解，產品總功能的實現依賴于技術系統組件之間的相互作用。組件模型是列出技術系統中包含的組件，包括超系統組件、系統組件和子系統組件。此系統的組件模型見表1。

表1　組件模型

圖5　功能模型

圖6　根本原因分析

以組件間相互作用關系為主要內容的功能模型，是技術系統總功能實現原理層面的結構化表達，這種表達可以反映出產品的功能實現原理，是一種原理解的表達形式。應用北京億維訊公司的CAI軟件（PRO/Innovator），逐一分析肥料供給系統各組件之間的作用關系，建立如圖5所示的系統功能模型，其描述了系統各組件之間的功能關系。

3.2根本原因分析

為了找到導致現有問題的原因，基于剛剛建立的功能模型，進行了根本原因分析（見圖6），從而得到了更多的解決問題的突破口。由圖6可以看出，導致肥料施放不均的原因如下。

①潮濕的空氣會增加肥料濕度，使肥料結塊，而系統又沒有破碎機構，因此對肥料均勻流出造成影響。解決方案1：在肥料箱內增加干燥層，減速空氣對肥料的侵蝕。

②作業耕地不平，而系統沒有平衡裝置，導致施肥圓盤傾斜，高的一側肥料流出慢，低的一側肥料流出快。解決方案2：增加平衡裝置使肥料圓盤能保持平衡，從而確保甘蔗種植機施肥均勻。

③肥料會腐蝕肥料導槽，不光滑的肥料導槽會對肥料的均勻流出造成影響。解決方案3：對肥料導槽進行表面噴漆處理，阻止肥料腐蝕。

4　應用解題工具體系求解

4.1采用技術矛盾、創新原理解決

根據根本原因分析中的因果鏈，定義出技術矛盾，并利用矛盾矩陣和創新原理解決。

針對問題“空氣侵蝕肥料使其結塊造成施肥不均”的技術矛盾分析：為解決空氣侵蝕肥料使其結塊造成施肥不均的問題，現有解決方案是肥料箱內部增加干燥裝置，但會導致設備復雜程度及成本的增加。改善的通用工程參數為No.30“作用于物體的有害因素”，惡化的通用工程參數為No.36“系統的復雜性”。查詢矛盾矩陣，推薦的發明原理為No.22“變害為利原理”。

運用變害為利原理得到解決方案4：超系統的動力系統中，發動機運行會產生熱量，可以在肥料箱內設計散熱片，散熱片另一端連接發動機排氣管，此散熱片可以防止肥料受潮結塊，同時還能為發動機散熱，實現變害為利原理（見圖7）。

圖7　方案4變害為利原理

針對問題“肥料圓盤傾斜造成施肥不均”的技術矛盾分析：為解決肥料圓盤傾斜造成施肥不均的問題，現有解決方案是增加平衡裝置，但會導致設備復雜程度及成本的增加。改善的通用工程參數為No.13“穩定性”，惡化的通用工程參數為No.36“系統的復雜性”。查詢矛盾矩陣，推薦的發明原理為No.2“抽取原理”。

運用抽取原理得到解決方案5，將渦輪減速器和肥料圓盤從機架上抽取出來，采用重力自平衡懸掛連接方式，利用渦輪減速器和肥料圓盤的自重達到平衡，使有害作用源不對此區域作用（見圖8）。

圖8　方案5抽取原理

4.2采用物理矛盾、分類方法解決

Step1：定義物理矛盾

參數：肥料箱體積

要求1：大

要求2：小

Step2：如果想實現技術系統的理想狀態，這個參數的不同要求應該在什么時間得以實現？

時間1：施肥時

時間2：不施肥時

Step3：以上兩個時間段是否交叉？

否 應用時間分離

是 嘗試其他分離方法

采用時間分離方法，可應用的創新原理：No.15動態特性原理，No.34拋棄或再生原理，No.10預先作用原理。方案6：應用No.15“動態特性原理”，在肥料箱上加一個可折疊的部分，施肥時可增加肥料箱體積（見圖9）。

方案7：應用No.10“預先作用原理”中的‘預先安置物體，使其在最方便的位置開始發揮作用而不浪費運送時間’，在超系統甘蔗儲存車上預先儲存適量的肥料，可以方便快捷地補充肥料箱。

4.3采用物場模型分析方法解決

針對問題“空氣侵蝕肥料使其結塊造成施肥不均”進行物場分析可知，肥料圓盤為S2（工具），肥料為S1（作用對象），肥料圓盤對肥料的分散作用是F（機械場），構建物場模型如圖10（a）所示。此物場模型可控性不足，應用2.2標準解“加強物場模型”，通過引入物質S3來增強肥料圓盤對肥料的分散作用如圖10（b）所示。

方案8：在肥料圓盤上方增加一震動濾網，從肥料箱落下的肥料在此進行震動破碎、過濾。經此處理后的肥料能均勻地從肥料圓盤流出。

圖9　方案6動態特性原理

圖10　加強物場模型

針對問題“肥料會腐蝕肥料導槽”進行物場分析可知，肥料為S2（工具），肥料導槽為S1（作用對象），肥料對肥料導槽的腐蝕作用是F（化學場），構建物場模型如圖11（a）所示。此物場模型完整，有害和有用作用同時存在，應用1.2標準解“物場模型的破壞”，通過引入物質S3來消除肥料對肥料導槽的腐蝕作用如圖11（b）所示。方案9：肥料導槽使用表面鍍鎂（鋅）材料，表面形成隔離層，阻止肥料腐蝕。

5　基于TRIZ的肥料供給系統優化設計方案

5.1選擇最終解決方案

針對解決“提高肥料供給系統施肥均勻性”這一工程問題，分別應用TRIZ理論技術矛盾、物理矛盾和物場模型的分析方法進行分析，應用創新原理、分離方法和標準解等工具尋求解決方案，得到9種初步解決方案，如表2所示。

圖11　物場模型的破壞

表2　初步解決方案匯總

通過技術系統進化法則對方案進行評價，并結合經濟評價和社會評價，得出最終解決方案：由方案4、5、6、9組合，即在肥料箱內裝散熱片，肥料箱、肥料圓盤和肥料導槽材料表面鍍鎂（鋅），肥料圓盤和渦輪減速器采用重力自平衡裝置，肥料箱增加折疊箱。

5.2最終解決方案的應用情況

最終解決方案應用到試制產品中，測試結果表現性能良好，施肥均勻性得到提高。

6　結論

“自主創新，方法先行。創新方法是自主創新的根本之源。”創新方法決定創新效率。TRIZ理論是一種在前人創新成果和創新方法基礎上的提升和集成，其成功地揭示了發明創新背后所遵循的內在規律和原理。其利用創新的規律，使創新走出了盲目的高成本的試錯和靈光一現式的偶然。

通過對工程中的實際案例的分析和實施，應用TRIZ理論中的創新問題解決流程，從技術系統中的技術矛盾、物理矛盾、物場模型分析等幾方面對案例進行分析，得到了解決方案，也進一步驗證了TRIZ理論在技術創新中的可操作性和指導性。

實踐證明，應用TRIZ理論可以大大地加快人們創造發明的進程，而且能得到高質量的創新產品，研究和應用TRIZ理論對我國機械產品的創新設計具有重要的理論和現實意義。

［1］吳亦鵬.甘蔗生產機械化，從種植起步［J］.農機市場，2013（3）：1.

［2］中華人民共和國農業部.農業部辦公廳關于印發甘蔗生產機械化技術指導意見的通知農辦機［2011］38號［EB/OL］.（2011-07-04）［2016-05-08］.http://www.moa.gov.cn/govpublic/ NYJXHGLS/201107/t20110722_2067175.htm.

［3］侯露，鄒展曦，何勝創，等.甘蔗種植機切種控制系統設計［J］.甘蔗糖業，2015（3）：1.

［4］史曉凌，許東雙，范巖峰.TRIZ簡明教程［M］.北京：北京億維訊科技有限公司，2008：6-8.

［5］檀潤華，張瑞紅，汪屏，等.產品設計中的沖突確定方法及解決過程［J］.機械設計，2003（10）：4-7.

［6］高常青，楊波，呂杰，等.基于組件單元模型的沖突消除方法［J］.機械設計，2014（7）：2.

Optimization Design of Fertilizer Supply System Based on TRIZ

Lv JunNing Dekui
（Yunnan Xintianli Machinery Manufacturing Co.Ltd.，Anning Yunnan 650300）

In view of the problem of uneven fertilizer application on sugarcane planting machine in the actual agricultural production，based on the optimization design and TRIZ theory，its fertilizer supply system was analyzed，the product design process model based on TRIZ was constructed，and the technical contradiction model，the physical conflict model and the model of the material field and so on were applied to the design，on the part of fertilizer supply system structure has been optimized and improved.The feasible scheme was obtained in theory，and the improved device had achieved satisfactory results.

TRIZ；fertilizer supply system；balance；dry；evenness

S223.9；TP273

A

1003-5168（2016）06-0067-05

2016-05-10

呂俊（1990-），男，本科，助理工程師，研究方向：農機產品研發；寧德奎（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：農用機械產品研發。