基于TRIZ理論的氣吸式排種器創新設計

李 芮，衣淑娟，趙 斌，李衣菲，武 志

(1.黑龍江八一農墾大學 a.工程學院；b.信息技術學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江北大荒農機有限公司，哈爾濱 150090)

0 引言

隨著“中國制造2025”觀念的提出，以及農業機械的高速發展，傳統農業機械已經不能適應現代化農業機械“高速化、精準化、自動化、高效化”的發展方向[1]。播種是農業生產過程中至關重要的環節，播種質量取決于精密播種機的關鍵部件即排種器[2]。目前，精量播種存在排種器工作阻力大、風機體積過于龐大、地輪鏈傳動系統不穩定、播種株距調節方式繁瑣、作業速度偏低，以及排種器工作穩定性差等問題。為解決上述問題，提高機械化作業水平，基于TRIZ理論針對排種器結構進行創新設計，結合TRIZ理論中的40個發明原理和48個工程參數，設計了一種操作方便、傳動方式簡單且播種合格指數高的排種結構，并建立了相應的UG三維實體模型及樣機，驗證了方案的可行性。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ理論概述

1946年，阿奇舒勒(G. S. Altshuller)創立了TRIZ理論，因此 Altshuller被尊稱為TRIZ之父。在以后的數十年中，阿奇舒勒和他的TRIZ研究團隊分析了世界上近250萬份高水平的發明專利，總結歸納出技術發展進化的發展規律，還有解決各種矛盾相應的創新原理和法則，并綜合各個學科領域的特點，建立了TRIZ理論體系[3-6]。

在解決問題的過程中，需要明確要改善的工程參數，然而改善某一工程參數就會帶來其他工程參數的惡化，從而產生了兩個工程參數之間的矛盾。阿奇舒勒矛盾矩陣表及40條發明原理就是為了解決這樣的矛盾而提出的。阿奇舒勒矛盾矩陣表將每一個矛盾沖突的關系用矩陣的形式表示，且有相對應解決矛盾的發明原理，其解決問題的一般流程如圖1所示。

1.2 TRIZ理論的應用

1989年，國際TRIZ協會在彼得羅扎沃茨克建立，阿奇舒勒擔任首屆主席。隨著蘇聯解體，西方系統地傳入了TRIZ理論，在美國、歐洲、日本、韓國等世界各地展開了廣泛的研究與應用。至此，TRIZ理論走向世界，有關TRIZ的研究咨詢機構也相繼成立。

20世紀80年代中期，我國個別科研人員已經了解到了TRIZ理論；在1997年前后，我國少數學者在參與國際會議時再次接觸了TRIZ，并自發予以研究，在某些專業開設了TRIZ選修課[7]。目前，很多高校都開設了TRIZ理論及其方法系列課程。

如今TRIZ理論已在全世界展開了廣泛應用，創造出成千上萬項重大發明。經過半個多世紀的發展，TRIZ理論及其方法現已發展成為一套解決在產品開發過程中存在的實際問題的成熟理論和方法體系，并經過實踐檢驗，為眾多知名企業和研發機構取得了重大的經濟效益和社會效益，如韓國的三星、美國的福特和波音、中國的中興通訊、芬蘭的諾基亞等500家多知名企業[8-12]，不僅取得了重大的經濟效益，而且極大地提高了企業的自主研發創新能力。

2 現有排種器分析

國內外研發設計了不同播種原理精量播種機的排種裝置，主要分為機械式和氣力式兩大類[13]，具體分類如圖2所示。目前，世界上氣力式排種裝置較機械式排種裝置技術發展良好，成為精量播種技術的先進水平代表；但氣力式排種裝置也有其不足之處，如風機過于龐大，播種株距調節方式繁瑣。

圖2 排種器的分類

現有的精量排種裝置的傳動系統結構都是地輪帶動鏈輪、鏈條等傳動的部件驅動排種器完成播種作業,傳動機構復雜,工作可靠性差,排種精度低,且排種器的轉速最多只有7、8個檔可調，所以無法實現在轉速允許范圍內的所有轉速及任意值的株距。排種器上的株距調節變速箱如圖3所示(以指夾式排種器為例)。

3 基于TRIZ理論的排種器創新設計

3.1 氣吸式排種器的矛盾

根據現有排種器的不足，利用TRIZ理論及其分析方法，總結出以下3種矛盾。

矛盾1：排種器工作時，種子室的種子及氣吸式的吸力對排種盤的阻力很大，以至于需要給排種轉軸很大的動力。如果增大排種轉軸的驅動力，則造成能量消耗的增加。

矛盾2：氣吸式排種器的氣源來自風機，風機的體積龐大，如果改變風機的尺寸，就會減小葉輪的尺寸，則需要葉輪具有更大的轉速，使風機的功率消耗增加。

矛盾3：現有的精量排種器的傳動系統都是地輪帶動鏈條、鏈輪等傳動部件驅動排種器完成播種作業,傳動機構復雜,有時還會出現鏈條松掉的情況，并且排種器的轉速最多只有7、8個檔可調，無法實現在轉速允許范圍內的所有轉速，無法實現任意值的株距。因此，需要精簡排種器的傳動系統及提高自動化的程度。但是，自動化程度的提高，就很可能引起控制程度復雜性增加。

圖3 排種器株距調節變速箱

圖4為TRIZ理論在氣吸式排種器上的解題步驟。

3.2 創新設計的矛盾解決原理

創新發明設計的核心就是解決矛盾，創新設計的過程就是不斷解決產品中所存在的矛盾的過程[14]。氣吸式排種器創新設計需要解決的矛盾屬于技術矛盾，技術矛盾對應的48個通用工程參數為No.7靜止物體的體積、No.15力、No.16能量消耗、No.18功率、No.43 自動化程度、No.45裝置的復雜性、No.46控制的復雜性。

阿奇舒勒將各個工程參數之間的矛盾與發明原理之間建立了對應的關系，整理成了一個48×48的矩陣—阿奇舒勒矛盾矩陣，以便使用者在解決矛盾時查找。矛盾矩陣表將48個工程參數之間的矛盾和40個發明原理有機地聯系起來，將創新的規律性形象地表現出來[15-16]。本創新設計基于總結的3個技術矛盾，對阿奇舒勒矛盾矩陣表的應用如表1所示，相對應用的40個發明原理如表2所示。

圖4 TRIZ理論的解題步驟

通用工程參數惡化的參數…No.16能量消耗No.18功率No.46控制的復雜性…改善的參數…No.15力19,17,35,10,2,8,3,2419,35,37,17,1,28,1837,10,28,25,3,13,2No.7靜止物體的體積35,13,19,38,33,25,1035,19,6,10,13,24,18,31,128,1,25,10,2,23,5,24No.45裝置的復雜性28,5,2,29,35,10,13,2719,28,2,30,35,20,343,37,25,26,7,28No.43自動化程度1,13,30,2,35,42,12,26,28,8,628,3,4,17,37…

表2 應用的發明原理

3.3 發明原理的應用

根據阿奇舒勒矛盾矩陣表所確定應用的5條發明原理，對氣吸式排種器進行以解決傳動系統復雜、播種精度偏低及自動化程度低為目的的創新設計分析。

應用No.3局部質量原理，使排種器排種盤外圓與一個驅動齒輪嚙合，徑向傳動方式極大地降低了驅動排種盤所需要的扭矩。排種盤既是排種工作的主要部件又是傳遞力的工作部件。

應用No.24中介物原理和No.28機械系統的替代原理，利用驅動電機將拖拉機發動機輸出的電能轉換成驅動排種器所需要的機械能，使用電機作為中介物傳遞能量，用電場代替了機械場。用吸塵風機代替傳統的機械風機，尺寸顯著縮小，且功率不及之前的50%，吸力滿足作業要求。

應用No.35參數變化原理，用直流減速電機代替復雜的鏈傳動系統，直接根據要求，在排種器控制面板上進行設置，使電機調節轉速，自動調整排種器的轉速，實現無級調速，方便快捷，達到改變播種株距的目的。

應用No.10預操作原理，增加了編碼器測速裝置，實時測量機車的前進速度，然后傳遞給驅動電機以校正排種的速度，提高播種的合格率。同時，還增加了種子重播、漏播監控，通過報警提醒使用者。

4 排種器三維模型設計及分析

4.1 排種器三維模型設計

根據TRIZ理論的分析結果，對排種器的結構進行了創新設計，改進后的排種器三維模型如圖5所示。

1.氣吸風機 2.波紋管 3.驅動電機 4.測速編碼器 5.導種管 6.排種器 7.種箱

創新后的排種器主要由排種器殼體、齒形排種盤、排種器轉軸、直流減速電機、驅動齒輪及排種控制系統等組成，其左側為儲種室，右側為真空室。排種器工作時，風機內的雙葉輪高速旋轉產生的吸力通過吸風管傳遞到排種器一側的真空室，使真空室產生負的壓強，齒形排種盤的兩側就會產生壓力差，在減速電機的驅動下，齒形排種盤根據之前的株距要求設定穩定轉動；當齒形排種盤上的吸種孔轉到吸種區時，儲種室內的種子依靠壓力差產生的吸力被吸附在齒形排種盤的吸種孔上；排種器殼體上有清種刷，會將多余的種子刷掉；投種區與大氣相通，沒有壓力差，種子便會自由下落，順著導種管滑落到種溝內；導種管內側中部裝有重播、漏播檢測裝置，通過報警提醒使用者[17]。

4.2 仿真及有限元分析

利用三維建模軟件UG對創新的氣吸式排種器進行零部件的建模、自底向上裝配和運動仿真。結果表明：排種器結構設計合理，各零件之間沒有干涉現象，運動平穩，未出現運動失真的情況。

對排種器的主要部件排種盤進行了有限元分析[18]，如圖6所示。分析結果表明：排種盤的最大應力遠遠小于材料的許用應力，滿足強度和剛度的要求。

圖6 最大應力圖

5 結論

運用TRIZ理論對氣吸式排種器進行創新設計，以排種器實際情況為基礎進行分析，建立矛盾矩陣，確定相對應的發明原理。根據阿奇舒勒對每一個發明原理，對現有氣吸式排種器所存在的問題進行分析，得到了解決問題的方案，并對設計的排種器進行了三維建模、裝配、運動仿真和關鍵部件的有限元分析。事實證明：TRIZ理論不僅提高了創新的效率，而且縮短了創新的周期，加快了農業機械的創新設計。

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