TRIZ創新方法在旱地高速移栽技術研究中的應用

顏 華，陳 科，王海峰，徐 盼，劉邦司

(現代農裝科技股份有限公司，北京 100083)

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TRIZ創新方法在旱地高速移栽技術研究中的應用

顏 華，陳 科，王海峰，徐 盼，劉邦司

(現代農裝科技股份有限公司，北京 100083)

結合旱地高速移栽技術研究課題，針對改善移栽機苗盤輸送準確度、提高取苗裝置取苗穩定性等關鍵技術難點，基于發明問題解決理論(TRIZ)的思想和方法，提出苗盤精準輸送方案和取、投苗裝置結構優化方案，并將新方案運用于2ZBJ-4型懸掛式旱地移栽機樣機試制且進行了試驗。試驗表明：苗盤輸送準確度高，運行穩定，取、投苗可靠，取苗效率7 000株/h·單元以上，最高超過10 000株/h·單元，移栽機作業效率60～90株/min·行，平均漏栽率低于3%，栽植合格率大于92%，性能優良。通過TRIZ理論在旱地高速移栽機技術研究中的運用，驗證了創新方法流程在農業科技項目中應用切實可行。

移栽機；苗盤輸送；自動取苗；TRIZ；創新方法

0 引言

近年來，我國蔬菜種植面積逐年攀升，2013年種植面積2 089.9萬hm2，比2012年(種植面積2 035.3萬hm2)增加2.68%。蔬菜種植成為僅次于糧食的第二大產業，是實現農業增效、農民增收的重要途徑。育苗移栽具有提高復種指數，解決積溫不足矛盾，避免苗期干旱、凍害等自然災害，降低缺苗率及增加產量的優勢。目前，國內蔬菜種植仍屬于勞動密集型產業，移栽機以半自動為主，勞動強度大，作業效率低。半自動移栽由人工取苗并放置在相應的輸送裝置或直接送入栽植裝置，因受人工喂苗速度限制，作業速度僅為2 000～3 000株/行·h，機械化效益不明顯，嚴重制約種植機械規模化的發展。因此，發展旱地高速移栽機，對于實現移栽自動化，提高移栽效率，解放勞動力，增加經濟收益具有重要意義。

移栽機要實現高速、高效移栽種植，解決人工取、投苗效率低的問題至關重要。因此，研究自動送苗、分苗、取苗和投苗技術是開發全自動移栽機的關鍵。本文涉及的2ZBJ-4型懸掛式旱地自動移栽機，如圖1所示。其自動取苗過程采用穴盤苗經苗盤輸送裝置輸送至頂苗位置，缽苗從穴盤底孔成排頂出，結合取苗單元成排夾取方式。苗盤輸送準確性和自動取、投苗穩定性直接影響系統后續流程的穩定，是影響移栽機作業質量的重要因素。針對上述關鍵技術難點，通過運用發明問題解決理論(TRIZ)，結合現代設計理論，改善苗盤輸送準確度和提高取投苗穩定性。同時，驗證創新方法在農機機械領域運用的可行性。

圖1 2ZBJ-4懸掛式旱地自動移栽機示意圖

1 TRIZ簡介

1.1 TRIZ創新方法

TRIZ是俄文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch首字母的縮寫，直譯為“發明問題解決理論”[1-3]。TRIZ是蘇聯發明家Genrich S·Altshullerher和他的研究團隊，通過對250萬件發明專利進行分析和提煉后總結出來的一套系統化的、實用的、解決發明問題的理論和方法體系[4-6]。

1.2 TRIZ核心思想

1) 很多的方法和原理在發明過程中是在重復使用的；

2) 技術系統的進化和發展并不是隨機的，而是遵循著一定的客觀趨勢[2]。

1.3 TRIZ發明問題解決流程

TRIZ解決發明問題的一般方法是：首先將要解決的問題進行定義、明確；然后，根據TRIZ理論提供的方法，將待解決的問題轉化為類似標準問題；最后，由工程實例庫對問題進行概念方案設計。TRIZ發明問題解決流程：①明確待解決問題；②構建問題模型；③利用創新工具獲得問題解決方案；④獲得備選方案模型；⑤對備選方案類比評價；⑥形成最終方案[2,7-10]。

2 TRIZ在旱地移栽技術研究中的應用

2ZBJ-4型懸掛式旱地自動移栽機工作時，先將穴盤苗置于輸送裝置，穴盤苗經過苗盤輸送裝置輸送至頂苗位置；穴格中的幼苗被頂苗桿成排頂出并被苗爪夾住，送至導苗位置，而后投入栽植裝置，完成定植。作業中，苗盤橫向輸送和縱向進給的準確度直接影響頂苗桿能否將穴盤苗準確成排頂出；而穴盤苗的順利頂出又進一步影響取苗裝置能否將其準確夾取及系統后續流程運行的穩定；苗盤輸送效率和準確度及取苗穩定性是改善移栽機作業性能，實現高速、高效移栽的關鍵技術環節。

2.1 苗盤輸送效率與準確度優化設計

2.1.1 苗盤輸送裝置初步設計方案

苗盤輸送裝置的初步設計方案：采用氣液阻尼缸，按照穴距步進輸送整盤苗，逐排取走苗后，氣缸整體縮回，然后進行下一次輸送循環。苗盤輸送裝置如圖2所示。

圖2 苗盤輸送裝置初步設計方案

2.1.2 系統問題分析

自動移栽機的最大目標速度按90株/行·min設計，設計時，為簡化結構、減輕機體質量，1個取苗單元及1個導苗部裝同時為2行栽植器供苗，則要求取苗單元的取苗頻率為180株/min·單元。采用成排頂出并夾取穴盤苗，每行穴數越多，單次取苗數越多，則取苗效率也越高。綜合考慮，按200穴(10×20)穴盤計算，單次取10株，設1個取苗循環所需時間為t，則：60/180=t/10，t≤3.33s，即達到目標取苗速度的取苗循環時間不能大于3.33s。

苗盤縱移氣缸的速度不宜太快，太快會因為慣性影響輸送精度，一般取80mm/s，苗盤寬取280mm，考慮余量，按300mm計算，即為縱移氣缸的最大行程。在未考慮系統阻力及電控系統延時的情況下，此方案1個取苗循環中最耗時的過程為苗盤輸送氣缸完全伸出后至縮回，需耗時300/80=3.75s；顯然，時間多于取苗循環最大目標時間，不滿足設計需求。

針對苗盤輸送裝置，構建系統組件模型。系統組件包括驅動氣缸、輸送架、苗盤限位板、測量組件及控制系統，以及超系統(穴盤苗)和系統作用對象(苗盤)。在進行組件分析后，進行系統功能分析，找出每個組件之間的相互作用關系，確定每個組件之間的有害關系或對實現技術要求有干涉的功能關系，如圖3所示。

圖3 苗盤輸送裝置組件功能分析

基于系統問題分析，該裝置輸送效率的主要問題在于：驅動穴盤苗縱移過程中，取完整盤苗后氣缸縮回時間過長，導致在設計取苗效率前提下，氣液阻尼缸行程時間大于一個取苗周期的循環時間。因此，要提高穴盤苗輸送效率，就要求驅動組件驅動輸送組件的時間損失要小。由問題切入點，查找矛盾矩陣中對應的39個通用工程參數。穴盤苗輸送裝置需要改善時間損失(25.時間損失)，減少作用時間(15.運動物體的作用時間)，提高苗盤輸送效率。根據矛盾矩陣表，查找可采用的創新原理編號；結合苗盤輸送系統實際情況，篩選得到創新原理20：有效作用的連續性原理。

2.1.3 創新方案設計

根據創新原理，設計苗盤輸送方式為機械式連續回轉步進輸送方式。苗盤輸送原理簡圖如圖4所示。

基于輸送原理形成設計方案1：機械回轉單向步進輸送結合棘輪棘爪固定輸送形式，如圖5所示。

采用機械方式傳動，具有輸送穩定、可靠等特點，連續回轉式或單向步進輸送方式能夠提高苗盤輸送效率和輸送精度。然而，機械式輸送結構只適應一種苗盤尺寸規格，系統可控性差。

結合TRIZ創新方法，進一步對系統進行資源分析。移栽機儲氣罐能夠為系統持續提供大于0.6～0.8MPa的氣壓，考慮使用氣壓能作為苗盤輸送系統的能量源，形成苗盤輸送系統方案2：采用氣液阻尼缸對苗盤進行輸送驅動，結合初始方案及方案1，增加機械式鏈傳動、齒輪齒條和單向軸承實現輸送系統的單向步進，設置傳感測量裝置保證步進輸送精度，通過開發人機交互界面調整當前苗盤規格參數，提高了系統適應性。

圖4 苗盤輸送改進方案原理圖

圖5 棘輪棘爪單向步進送盤機構

考慮初步設計方案中，穴盤采用的是剛性較好的硬質泡沫盤，依靠兩側壓板壓緊的方式進行限位。而目前國內廣泛采用聚苯乙烯材料制成的塑料穴盤，此類穴盤剛性差，易形變，在苗盤輸送和頂苗作業過程中，形變將影響輸送精度。如圖3的組件功能分析中，苗盤限位板對苗盤限位存在不足，為保證進給過程平穩、準確，在原有限位方案的基礎上，增加橫向、縱向限位桿對苗盤底部進行限位；同時，在苗盤正面，增加壓盤裝置。根據最終設計方案研制的苗盤輸送裝置如圖6所示。通過進行苗盤輸送試驗，表明苗盤輸送準確，輸送效率高，苗盤限位穩定。

圖6 苗盤輸送裝置最終設計設計方案

2.2 取苗裝置取苗穩定性優化設計

2ZBJ-4型懸掛式旱地移栽機自動取苗過程是：幼苗先從穴盤中被頂出，取苗爪成排夾取幼苗并一起擺動至投苗位置后張開，幼苗自由落至導苗筒。取苗過程中，苗爪要能及時閉合緊緊夾住幼苗基質；落苗過程中，苗爪應當適度張開，保證幼苗及時、順利脫離苗爪。因此，提高取、投苗穩定性是優化取苗裝置的主要任務。

2.2.1 取苗裝置初步設計方案

取苗裝置的初步設計方案如圖7所示。取苗爪固定于接苗板兩側，進氣口進氣時，在苗爪氣腔活塞驅動下繞固定轉軸轉動實現苗爪下端閉合，夾取幼苗。切斷進氣時，苗爪在復位彈簧作用下呈張開狀態，幼苗脫落。

1.苗爪氣腔(內置活塞) 2.進氣口 3.固定轉軸 4.復位彈簧 5.苗爪 6.接苗板 7.苗爪固定板

2.2.2 系統問題分析

基于初步設計方案，對其進行樣機試制與試驗，發現取苗效果不理想，主要存在如下問題：

1) 苗爪氣腔中活塞密封圈氣密性好時，活塞回位困難，導致苗爪投苗動作滯后；

2) 苗爪選擇氣腔活塞密封圈氣密性較差時，因漏氣，苗爪夾取基質塊不穩定。

對取苗裝置進行組件分析，明確各組件之間的關系。取苗裝置的超系統：氣閥，機架；子系統：苗爪固定板，接苗板，苗爪氣腔活塞，苗爪，復位彈簧；作用對象：穴盤苗。對系統進行組件功能分析(見圖8)，確定問題的切入點。

圖8 取苗裝置組件功能分析

2.2.3 TRIZ理論方法解決問題

通過系統問題分析知：苗爪氣腔氣密性在取苗爪開合過程中存在相反的作用。氣密性好，氣缸活塞回位緩慢，將滯后苗爪張開，影響幼苗順利脫落。若以加粗彈簧鋼絲直徑增大作用力的方式改善苗爪復位能力，苗爪閉合時因克服更大的彈簧阻力需要增大氣腔進氣量。氣密性差，氣路漏氣，苗爪夾取幼苗易脫落，影響取苗穩定性。因此，問題的關鍵在于，既要保證苗爪閉合時苗爪氣腔好的氣密性，提高苗爪夾取幼苗的穩定性，又要降低苗爪氣腔的氣密性，使氣腔中的壓縮氣體迅速排出，保證苗爪及時回位。系統中的工程參數“氣密性”具有相反需求，是一對物理矛盾，依據TRIZ理論解決系統矛盾問題方法，選用空間分離的方法解決苗爪氣腔氣密性問題，優化取苗裝置結構。

2.2.4 創新方案形成

根據空間分離原理，將初始設計方案中的苗爪氣腔替換為進氣口與出氣口獨立的氣缸；同時，結構上改用氣缸活塞連接凸塊驅動苗爪末端的方式實現其開合，如圖9所示。苗爪張開時，有獨立的排氣口，彈簧回位阻力減小，可改用較軟的彈簧；苗爪閉合時，有獨立的進氣口，因彈簧作用力減弱，用氣量隨之減小，改善取、投苗穩定性。

1.氣缸 2.凸塊 3.苗爪固定座 4.接苗板 5.苗爪 6.復位彈簧 7.固定轉軸 8.出氣口 9.進氣口

考慮到取苗裝置對不同規格苗盤的適應性，設計時，苗爪單元之間采用調整螺栓連接，通過調節相鄰取苗單元連接螺栓的長度調整取苗單元間開合時的距離。將最終形成的取苗裝置方案進行樣機試制并進行了試驗，表明該裝置作業穩定。

3 田間試驗

課題于2015年8月在河北省保定市淶水縣對試制的2ZBJ-4型懸掛式旱地移栽機進行了田間試驗，試驗現場如圖10所示。

圖10 2ZBJ-4型旱地移栽機田間試驗

試驗表明：移栽機能夠按照預期流程穩定完成苗盤自動輸送及自動取、投苗動作，育苗質量高時，取苗效率7 000株/h·單元以上，最高超過10 000株/h·單元；幼苗移栽定植后，效果良好，其平均漏栽率低于3%，栽植合格率大于92%，移栽作業效率60～90株/min·行。依據《旱地栽植機械JB/T10291-2013》行業標準，經國家農機具質量監督檢驗中心檢測，性能優良。

4 結論

1) 針對苗盤輸送效率與準確度問題，運用TRIZ理論方法有效作用的連續性原理提出采用氣液阻尼缸驅動，結合機械式鏈傳動、齒輪齒條、單向軸承和信號反饋實現輸送系統高效、精準單向步進，同時通過對苗盤輸送過程中增加限位裝置，進一步保證了苗盤輸送準確度。

2) 針對取苗裝置取苗穩定性問題，運用TRIZ理論解決技術系統物理矛盾問題方法—空間分離原理，提出將苗爪氣腔替換為進氣口、出氣口為獨立的氣缸，解決了原有方案中既要求“氣密性”好，又要求“氣密性”差的物理矛盾，改善了裝置取苗穩定性。

3) 完成了2ZBJ-4型懸掛式旱地移栽機田間試驗。試驗表明：苗盤輸送精準、高效，取、投苗穩定，育苗質量高時，取苗效率達7 000株/h·單元以上，最高超過10 000株/h·單元，幼苗平均漏栽率低于3%，栽植合格率大于92%，移栽作業效率60～90株/min·行。

4) TRIZ創新方法在旱地高速移栽技術研究中的成功運用，驗證了創新方法流程在農業科技項目中應用切實可行。

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TRIZ Application in Research of Dry-land High-speed Transplanter

Yan Hua, Chen Ke, Wang Haifeng, Xu Pan, Liu Bangsi

(Modern Agricultural Equipment Co.Ltd, Beijing 100083, China)

Basing on the research of dry-land high-speed transplanter, the paper aimed to solve the key technical difficulties, which includes improving the accuracy of seedling tray transmission and increasing the stability of fetching seedlings. The optimized scheme, including accurate transmission of seedling tray and the structure of fetching seedling device, has been proposed with the theory of invention problem solving (TRIZ). Applied the new ideas on the prototype of 2ZBJ-4 suspended dry-land transplanter and the trail was carried out. It showed that the transmission accuracy of seedling tray is higher, and the performance of fetching seedling is stable, working efficiency is about 60-90 plant/ (min·row), the mean leakage rate of plant is below 3%, and the planting percent of pass is greater than 92%, while the efficiency of fetching seedling is more than 7000 plant/ (hour·unit), even more than 10000 plant/ (hour·unit) as the quality of seedlings is good .The process of innovation applied in agricultural technology plan is practical and feasible, which has been verified by the TRIZ in the application of dry-land high-speed transplanting research.

transplanter; transportation device; fetching seedlings device; TRIZ； innovative methods

2015-12-04

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA 10A50 1)；國家科技基礎性工作專項(創新方法工作)項目(2013IM030700)

顏 華(1973-)，女，貴州清鎮人，研究員，碩士生導師，(E-mail)yanhua@caams.org.cn。

S223.9

A

1003-188X(2017)01-0197-05