采用TRIZ理論的豌豆割曬機械裝備設計與試驗

李金鳳，趙繼云，侯秀寧，劉思瑤，張學敏

采用TRIZ理論的豌豆割曬機械裝備設計與試驗

李金鳳，趙繼云，侯秀寧，劉思瑤，張學敏※

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對目前豌豆收獲機械化技術在國內研究較少，為實現中國豌豆收獲機械化配套作業，減輕勞動力投入，設計了一款豌豆割曬機械裝備。首先對豌豆特性進行研究，分析了豌豆收獲作業存在的問題。然后基于TRIZ理論中“物-場模型”分析方法進行了切割系統及輸送系統的“物-場模型”功能分析，同時采用“沖突解決原理”解決割曬系統中涉及的矛盾沖突，獲得合適的解決方案，并依據豌豆植物特性對割曬機主要機構進行了創新設計。完成了豌豆割曬系統中割曬裝置、防纏繞撥禾裝置、輸送鋪放裝置等關鍵設計方案求解。最后基于虛擬樣機技術建立豌豆割曬機模型結構，并加工出樣機，在河南南陽、內蒙古商都、北京平谷3處試驗田進行田間試驗。田間試驗結果1表明，割曬機有較強的適應性，割茬高度小于40 mm，收割效率達到0.13～0.19 hm2/h，北京平谷區試驗中收割損失率僅4.96%，漏割率為4.78%。所設計豌豆割曬機作業效果滿足農戶需求，可為后續豌豆相關收獲作業機械裝備研究提供參考。

農業機械；試驗；設計；割曬機；豌豆；TRIZ理論

0 引 言

豌豆是中國重要的食用豆類和動物蛋白飼料，國內豌豆種植面積和總產量均居世界第二位[1-2]。中國豌豆生產機械化水平極低，尚未有任何成熟可靠的豌豆收獲機械，豌豆收獲主要依靠人工，生產成本高，極大限制了國內豌豆產業的發展[3-4]。國外豌豆機械研究較早，技術較為成熟，然而國外的豌豆收獲機械龐大復雜、成本高、轉彎半徑大[5]，并不適合中國豌豆耕作國情。近年來，國內專家學者針對油菜、水稻作物的割曬機裝備進行了深入研究。廖宜濤等[6]針對油菜聯合收獲機械對油菜成熟度要求高、收獲損失率大、作業能耗高等問題，設計了4SY-1.8型手扶式油菜割曬機，可實現南方小田塊油菜分段收獲作業；金誠謙等[7]對撥指輸送鏈式輸送裝置進行了結構設計，研制了一種油菜割曬機撥指輸送鏈式輸送裝置，可以高效流暢完成輸送鋪放作業，試驗驗證作業總損失率小于0.85%；楚智偉等[8]對分段收獲的水稻割曬機鋪放效果及損失率進行研究，針對倒伏水稻的順割及逆割進行了正交試驗分析，得到各因素參數值均符合割曬鋪放效果；石增祥[9]設計出一種油菜割曬機可掛接于現有聯合收獲機底盤，具有較好的切割、分禾、鋪放性能。

上述割曬機研究對直立生長作物有較好的收獲效果，但對蔓狀爬伏生長的豌豆作物收獲效果并不理想。本文采用TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）理論對豌豆割曬機械各結構功能進行研究分析，尋找適合的“物-場模型”，為豌豆收割機械的研究提供新思路；同時借助“沖突解決原理”，化解系統研制過程中遇到的一個參數改善引起另一個參數惡化的技術矛盾[10-13]，實現豌豆割曬機械的創新設計，填補國內豌豆作物機械化收獲的空白。

1 豌豆植物特性及TRIZ理論創新設計流程

1.1 豌豆植物特性

對種植較廣泛的中豌8號進行物理特性研究，按照豌豆種植農藝標準機播豌豆。當豌豆的生長狀態為自然黃葉比例不低于80%，且植株上部莢果變黃（60%～70%），豌豆成熟度處于80%～90%范圍內時，表明豌豆處于最佳收獲期。選取這一時期內的豌豆作為樣本進行物理特性測量，其基本物理特性如表1所示。

豌豆屬于攀援性草本植物，在大田種植時，往往不進行搭架引蔓處理，任由豌豆植株自由爬伏生長。豌豆莖為草質莖，木質部不發達，莖稈柔軟，易被割臺推倒，導致豌豆植株被壓在割臺下端，普通割曬機械收獲豌豆作物狀態如圖1所示。蔓狀爬伏生長特性使得一般割曬機械難以進行有效收割，同時也會因為收割過程中割臺喂入量不穩定使機具產生堵塞，而且在豌豆植株輸送過程中，植株相互纏繞，極易形成輸送堵塞，使得機器可靠性大大降低，連續性收獲難度增大。

表1 豌豆基本特性

圖1 普通割曬機切割情況示意圖

1.2 TRIZ理論創新設計流程

由于豌豆作物特殊的植物特性，普通割曬機難以滿足該類作物的割曬作業。為實現豌豆收割機械的創新設計，采用TRIZ理論進行研究分析。首先要將問題轉化為問題模型，然后利用TRIZ中解決問題的工具找到解決方案模型，最后將解決方案模型轉化為具體的解決方案[14-15]。本文采用經典TRIZ解決問題的一般流程如圖2所示。

圖2 經典TRIZ理論解決問題流程

2 基于“物-場模型”方法的割曬系統功能研究

“物-場模型”分析方法是TRIZ理論的一個重要工具，在對產品功能分析的基礎上，對有害作用、不足作用及過剩作用進行優化或刪減，從而達到功能升級、完善作用的目的[16-17]。要實現割曬機整套割曬系統協調工作，必須保證該系統各主要組成部分的效能完好。整套割曬過程的實現以整機各個裝置協調配合為基礎，本文將割曬機劃分為切割、輸送系統2個相互獨立的部分，并針對每個系統進行深入研究，以尋求各部件最佳功能，從而實現整個割曬系統的協調運作[18-19]。

2.1 切割系統的功能研究

切割過程在收獲過程中擔任重要角色，豌豆作物自下而上第一顆豌豆莢結莢高度較低，為保證收割質量，切割高度應盡可能靠近根莖底端。通過拉拽形成的拉應力場，能夠保證較高的植株完整性，收獲質量較好，但從機械作用形式上分析，拉拽動作的實施難度高于剪切動作，因此可以借助機械場在豌豆根莖底部形成1個剪切應力場，高效快速切斷豌豆根部。該剪切力場可以以常見的往復切割式、圓盤刀式、甩刀回轉式等剪切方式實現，其中，往復式切割器結構簡單、縱向尺寸小、適應性較廣，目前在各類收割機上采用較多；圓盤刀式工作幅寬小、運轉平穩，但集禾機構較復雜，消耗功率大，在收割機上應用較少；甩刀回轉式切割器為無支承切割，所需作物要求切割速度較快或莖桿剛度較大，不適合豌豆作物的收割。因此，往復式切割器的優勢更為突出。

要實現豌豆的收割作業，需使豌豆保持直立狀態，輔以扶喂動作，單一的剪切力場不具備剪切和扶喂雙重功能，需增加“場”功能，通過復合場的作用，使切割系統兼備“剪切”、“扶喂”功能；同時切割系統需保證根茬一致，并減少豌豆損傷，而田間地形高低不平，很難保證豌豆根茬統一，切割系統需強化剪切力場，使剪切力場能夠依據地形調整高低狀態，保證割刀始終距離地面一定高度。普通的切割系統模型如圖3a所示，“物-場模型”元素完整，但僅依靠切割裝置S2產生的切割力場F2難以實現豌豆收獲作業，屬于效應不足的場。而增強后的切割裝置S’2能夠適應田間高低不平的作業環境，同時插入扶喂裝置S3進行撥動扶喂作業，輔以撥動力場F3來強化提高有用效應（圖3b）。

注：F1為重力場；F2為切割力場；F3為撥動力場；S1為豌豆；S2為切割裝置；S′2為增強后的切割裝置；S3為扶喂裝置。下同。

依據切割系統的“物-場模型”，要實現理想切割，整個剪切過程必須保證合適的根茬高度并減少豌豆莢及豌豆作物損傷。本研究擬采用往復式切割器，并輔之浮動切割、扶禾推送的收獲方式。通過附加的撥動力場對倒伏和纏繞在一起豌豆作物進行梳理，在收割前使豌豆作物處于挑起狀態，并露出根部，保證在切割過程中，割刀僅能接觸豌豆根莖。改進后的切割裝置如圖4所示，豌豆作物在撥動裝置的影響下脫離割刀的剪切應力場，所附加撥動裝置可以施加撥動力場，撥動裝置將蔓生的豌豆挑起，與割刀共同完成切割作業；浮動割臺可以保證割茬一致性，提升機具適應性，滿足收割要求，固定支架與固定軸連接，固定軸可在限位滑槽里上下移動，故浮動機架可以上下浮動，實現割臺浮動作業。

1.撥動裝置 2.豌豆挑起狀態 3.豌豆攀爬狀態 4.割刀 5.固定支架 6.固定軸 7.浮動機架 8.割臺滾輪

2.2 輸送系統的功能研究

豌豆作物被切割后，落于割臺后部，完整的割曬機需具有收集功能，即將切割后的豌豆作物進行收集聚攏至割曬機一側，以便于后續分段收獲[20-21]。收集系統需要有輸送結構，通過推動力或者拉拽力形成的輸送力場，能夠實現較好的聚集輸送作用。由于豌豆莖蔓相互纏繞狀態，拉拽力場形成及作業方式不利于實現快速、高效輸送，而推動力場采用板狀結構、齒狀結構等不同結構，可以實現豌豆的推動輸送作用。板狀結構的尺寸偏大，在進行豌豆推動輸送過程中，較長的側邊會對輸入的豌豆作物造成阻擋，影響持續輸送作業，而齒狀結構可穿插在豌豆作物中進行撥動輸送；輸送結構運動方式有旋轉運動、直線運動2種方式。考慮到豌豆易纏繞特性，應盡量避免使用旋轉運動裝置，直線運動方式較為合理。直線運動式齒狀輸送機構可以布置在割臺所在平面、割臺上部平行平面和割臺后部垂直平面，考慮到前2種布置方式齒狀結構會對作物持續輸入形成阻礙，形成喂入堵塞，可采取第3種布置方式。

輸送機構必須有高效、快速的輸送效能，才能滿足前端割臺較大的喂入量。單一的輸送力場難以保證徹底、快速輸送，從而造成擁堵。要實現豌豆作物的快速、高效輸送作業，避免纏繞，擬設置導流裝置，增加導流場，輔助完成輸送作業。完善輸送系統的復合“物-場模型”，增加“場”功能——通過復合“場”的作用，可實現輸送作業高效、徹底。普通的輸送系統模型如圖5a所示，“物-場模型”系統元素完備，但輸送撥齒裝置S4產生的輸送力場F4效應不足，容易造成輸送堵塞，輸送撥齒裝置S4在系統中屬于效應不足的場，增加輔助導流裝置S5，“物-場模型”增加導流場F5（圖5b），對于完善輸送系統的復合“物-場模型”大有益處，能夠提升輸送效率。

注：F4為輸送力場；F5為導流場；S4為輸送撥齒裝置；S5為輔助導流裝置。

依據輸送系統“物-場模型”，為實現高效、徹底的輸送效能，整個輸送結構必須快速協調配合作用，該系統輸送原理如圖6所示。采用輸送撥齒裝置，由鏈條帶動作業，撥齒結構能夠快速運動，帶動豌豆作物推移輸送至割曬機一側；在輸送部分下端設置導流板，導流板產生導流場能夠輔助輸送撥齒將豌豆作物推送至一側。為更好地實現導流作業，使導流板產生抖動作用，模仿“篩”的動作以使豌豆作物處于抖動狀態，抖動導流方式不但可以降低豌豆作物之間的相互纏繞，還可以實現輔助輸送，避免豌豆作物的堆疊擁堵。抖動導流板及輸送撥齒組成豌豆割曬機的輸送系統能夠滿足豌豆的輸送作業。

1.輸送撥齒 2.抖動導流板 3.曲柄

3 基于“沖突解決原理”的關鍵部件創新設計

豌豆割曬系統是一個多功能、復合型系統，系統中可能會出現多個功能單元受到同一個物理參數控制和影響的情況，即發生物理參數優化方向的矛盾沖突，同時系統中也可能出現多個因素相互促進、相互制約的情況，即諸技術細節之間的矛盾沖突[22-25]。TRIZ理論的核心是解決矛盾，任何一個系統都是通過克服不斷產生的矛盾來發展的，因此本文擬借助“沖突解決原理”化解豌豆割曬系統中可能出現的物理矛盾和技術沖突，輔助完成整套割曬系統的創新設計。

3.1 切割系統關鍵部件創新設計

3.1.1 切割裝置創新設計

結合2.1節分析情況，為提升機具可靠性，將割臺設置為浮動結構，采用增加浮動結構方法降低了矛盾沖突，但增加了裝置的復雜性，同時給裝置的可維修性、可操作性增加了困難。在切割系統切割過程中，切割刀具對根茬產生剪切作用，切割器受外部有害因素作用的敏感性較高，僅通過優化切割器難以協調作業性能和外部有害因素作用敏感性之間的矛盾，可以外加結構消除收割區與待割區豌豆纏繞現象，但提高了裝置復雜性。根據上述分析，首先將上述矛盾沖突問題歸納為：27可靠性（收割可靠）、30物體外部有害因素作用的敏感性（收割區與待割區豌豆纏繞）與34可維修性（結構增加）、33可操作性（系統復雜）、36裝置復雜性（增加浮動、消纏繞結構）之間的矛盾；然后在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉的單元，確定符合條件的發明原理；最后參考發明原理，根據所面臨具體問題，找到解決方案。在矛盾矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表2所示。

表2 切割裝置的矛盾沖突矩陣

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉的單元后，首先對表2中的所有發明原理進行分析，了解各個發明原理的具體描述；然后根據所面臨具體問題，篩選有價值的發明原理，對于可靠性工程參數有價值的發明原理有1（分割）、11（預先防范），對于物體外部有害因素作用的敏感性工程參數有價值的發明原理有2（抽取）、10（預先作用）；最后依據有價值的發明原理提取有價值內容詳解，參考內容提示進行發明原理的分析應用，即采取技術手段解決對應難點。表3所示為可靠性工程參數所選2個有價值發明原理的分析應用，表4所示為物體外部有害因素作用的敏感性工程參數所選2個有價值發明原理的分析應用。

參考對上述發明原理分析，根據具體問題，找到解決方案。依據表3，采用往復式切割器進行切割作業，容易組裝拆卸、便于替換調整，符合上述發明原理1（分割）；在地面高低不平的情況下，為保證統一的割茬高度，通過發明原理11（預先防范）將切割結構設為浮動結構，提升可靠性。依據表4，由發明原理2（抽取）提示，獲取往復式切割器切割高效優點，擬在割臺左側（駕駛員視角）設置立式割刀，在工作過程中割斷收割區域與待收割區域處纏繞的豌豆；根據發明原理10（預先作用），預先對相互纏繞的豌豆進行切割處理，降低割臺受待收割區豌豆有害因素作用的敏感性。

表3 可靠性工程參數有價值的發明原理分析應用

表4 物體外部有害因素作用的敏感性工程參數有價值的發明原理分析應用

通過上述分析，并結合2.1節中的分析，所設計割臺結構與實物如圖7所示。切割裝置創新設計方案如下：選用往復式切割器，橫式電機為往復切割器提供動力，適應性強且結構簡單；將剛性割臺改進為可浮動式割臺，在割臺前端兩側各設1個浮動輪，整套機具懸掛處設置浮動懸掛架，兩側導軌上安置的2個限位滑塊與前端割臺部分固定連接，在浮動過程中，限位滑塊隨著割臺起伏而在導軌上滑移，與浮動限位槽連接處形成3點連接，降低機具浮動搖擺現象。浮動限位槽的槽長決定浮動程度，由于豌豆種植地塊都會經過耙平整細作業，田間起伏均勻、起伏幅值較小，故設計槽長為6 cm，最大能滿足地形起伏幅值為±6 cm的豌豆收獲作業。在農作物收獲作業中，應保證作物收獲質量、統一留茬高度，所以在進行豌豆割曬工作時，要根據地形起伏程度適當提升或降低割臺，使之處于適宜的仿形高度（浮動限位槽中限位軸處于槽內中間位置），工作中割臺滾輪依據田間高低不平的地面狀況上下滾動，保證整個割曬機裝備實現浮動作業。

1.往復式切割器 2.割臺滾輪 3.電機 4.立式割刀 5.浮動限位槽 6.液壓缸 7.導軌 8.限位滑 9.固定塊

3.1.2 防纏繞撥禾輪創新設計

結合2.1節分析情況，須在切割裝置前端安裝撥禾輪，將豌豆梳理挑起以便切割，并能完成推送作物的作用，提升割曬機作業適應性；同時該結構能夠將割下的作物推向里側，以免莖桿堆積在割刀上，體現了結構的多用性特征；為避免纏繞，外加安裝防纏繞裝置，在1個旋轉機構上添加額外的防纏繞裝置，會增加機構的復雜性，給撥禾輪維修工作增加困難，同時因機具復雜導致結構穩定性降低。將上述矛盾沖突問題歸納為：35適應性及多用性（扶持莖稈、保證切割、輸送作物）與36裝置復雜性（添加防纏繞裝置）、13結構的穩定性（結構形狀）、34可維修性（裝置復雜）之間的矛盾，在矛盾沖突矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表5所示。

表5 防纏繞撥禾輪的矛盾沖突矩陣

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉的單元，對表5中的發明原理進行分析篩選，對于適應性及多用性工程參數有價值的發明原理有：1（分割）、7（嵌套）、14（曲面化）。表6所示為適應性及多用性工程參數所選的3個有價值發明原理的分析應用。

參考對發明原理的描述，根據具體問題，找到具體解決方案。依據表6具體描述分析，設置撥禾輪機構，且具有防纏繞功能，通過發明原理1（分割），將撥禾輪與防纏繞裝置分為兩個容易組裝拆卸、相互獨立的部分，采取摟齒式撥禾輪，該裝置適用于收獲倒伏作物；通過發明原理7（嵌套）提示，擬采用嵌套的方式將撥禾輪嵌套在防纏繞裝置空腔，這需要在防纏繞裝置上均勻設有多個出桿間隙，摟齒挑撥作物后順著出桿間隙收回至空腔；根據發明原理14（曲面化），將防纏繞裝置設為滾筒形式，滾筒結構形式內部形成空腔放置撥禾輪。

表6 適應性及多用性工程參數有價值的發明原理分析應用

通過上述分析，所設計防纏繞撥禾輪結構與實物如圖8所示，防纏繞撥禾輪創新設計方案如下：增設撥禾輪與防纏繞裝置以保證切割的順暢性、有效性，將撥禾輪與防纏繞裝置設為可拆卸式結構。撥禾輪由撥禾輪電機帶動撥禾旋轉軸進行旋轉，旋轉軸上四周均勻分布摟齒，摟齒將錯雜交織在一起的豌豆作物進行挑起梳理，使得橫向刀片切割更加的順暢、充分[26-27]；防纏繞轉置通過嵌套方式環繞在撥禾輪外側，并設置出桿間隙為方便摟齒出桿挑起作物，防纏繞裝置設置為滾筒形式，摟齒和防纏繞裝置相互配合完成挑撥、收回動作，擋落纏繞的豌豆作物。撥禾輪可以輔助切割作業，并把割斷的禾稈推向割臺，清除切割器上的殘留莖稈，提高了作物喂入量、利于切割作業的正常進行。

1.撥禾輪電機 2.防纏繞裝置 3.摟齒

3.2 輸送鋪放裝置創新設計

結合2.2節分析情況，本輸送方案中27可靠性和39生產率是技術矛盾中要改善的參數，可外加裝置（抖動導流板）使豌豆作物降低纏繞程度，并具備一定輔助輸送功能，而外加裝置又會使系統變得復雜；同時為保證高效輸送及排凈率，輸送鏈條上安置的輸送撥齒，應設置不小于2排的輸送鏈條，同時適當增加輸送鏈條上撥齒的數量，該方案給加工帶來了一定困難。在該技術矛盾中，36裝置的復雜性（外加裝置）、26物質或事物的數量（增設鏈條數量）、32可制造性（復雜裝置制造困難）是惡化的參數。在矛盾沖突矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表7所示。

表7 輸送鋪放裝置的矛盾沖突矩陣

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉的單元，對表7中的發明原理進行分析篩選，對于可靠性工程參數有價值的發明原理有：1（分割）、3（局部質量）、35（物理/化學參數變化）；對于生產率工程參數有價值的發明原理有：1（分割）、10（預先作用）、24（中介物）、35（物理/化學參數變化）。表8所示為可靠性工程參數所選3個有價值發明原理的分析應用，表9所示為生產率工程參數所選4個有價值發明原理的分析應用。

表8 可靠性工程參數有價值的發明原理分析應用

表9 生產率工程參數有價值的發明原理分析應用

依據表8對發明原理的具體描述分析，通過發明原理1（分割）提示，將輸送鋪放裝置分為輸送撥齒機構、抖動導流板、鋪放擋板3個獨立部分；根據發明原理3（局部質量）提示，輸送鋪放裝置的3個部分各自完成不同功能；根據發明原理35（物理/化學參數變化），可設置兩排輸送鏈條，分為上下輸送部分，使輸送鏈條部分最大限度地發揮輸送效能。依據表9具體描述分析，根據發明原理1（分割），輸送鋪放各部分設為可拆卸式，組裝拆卸方便且更換簡單；根據發明原理35（物理/化學參數變化），合理增加輸送裝置中機構有效結構密度；根據發明原理10（預先作用），在輸送部分下端設置抖動導流板，為最大限度提升導流作用，抖動導流板上設置3排振動鋸齒；根據發明原理24（中介物），利用中介物對豌豆作物進行傳遞輸送，在輸送鏈條上設置輸送撥齒，輸送撥齒移動過程中與豌豆作物暫時接合，并帶動豌豆作物至排禾口處。

通過上述分析，所設計輸送鋪放機構結構與實物如圖9所示，輸送鋪放裝置創新設計方案如下：將輸送裝置拆分為3個獨立部分，分別為輸送撥齒輸送部分、抖動導流板輔助輸送部分和鋪放擋板部分；為保證快速輸送作業，擬安裝上下兩條輸送鏈條，輸送鏈條上設置輸送撥齒，可帶動豌豆作物快速移至排禾口[28]；在輸送部分下端設置抖動導流板，模仿“篩”的動作以使豌豆作物處于抖動狀態，降低纏繞并實現輔助輸送；排禾口處設置曲面鋪放擋板，在輸送鏈條所在平面延伸形成曲面結構，輸送撥齒帶動豌豆作物輸送至鋪放擋板處時，豌豆作物壓緊鋪放擋板，鋪放擋板會剝落輸送撥齒上的豌豆作物，剝落后的豌豆作物繞著彎曲的鋪放擋板落至地面。

1.鋪放擋板 2.輸送鏈條 3.抖動導流板 4.輸送撥齒

3.3 豌豆割曬機整機創新設計

本次設計的豌豆割曬機搭載于混合動力農機驅動裝備，采用液壓系統大幅度調整割臺高度，撥禾輪及割刀等裝置采用電機驅動，簡化機械傳動系統，助力農用機械向著節能環保方向發展。結合“物-場模型”確定的系統功能模式與“沖突解決原理”完成的部件創新設計有機整合，形成了豌豆整體割曬系統，基于虛擬樣機技術建立的豌豆割曬機模型結構如圖10a所示，進行樣機試制加工，所得樣機尺寸參數為3 300 cm×1 665 cm×1 285 cm，割臺質量為140 kg，撥禾輪質量為110 kg，割曬機整機樣機如圖10b所示。

豌豆割曬機整機系統工作過程可分為以下幾步：1）將割刀調整到一個合適的高度，割曬機在動力機具的推動下前進，仿形輪根據地形變化帶動割曬系統上下仿形運動；2）立刀解除待割區與收割區的豌豆纏繞，撥禾輪挑起伏地的豌豆輔助割臺切割豌豆根部，使割茬高度保持一致；3）豌豆作物被切割后，被撥禾輪推至后部輸送機構，輸送鏈條上的輸送撥齒撥動豌豆作物快速移動，底部抖動導流板進行“篩”的動作以降低豌豆作物纏繞并實現輔助輸送；4）輸送撥齒帶動豌豆作物輸送至排禾口，排禾口處鋪放擋板剝落輸送撥齒上的作物完成鋪放作業。

圖10 整機結構設計

4 田間試驗

對所設計的豌豆割曬機進行田間試驗驗證，研究確定豌豆割曬機的最佳工作方案，從而提升收割作業質量，推進豌豆收獲機械化進程。分別于2019年8月在北京平谷區（117°02′E，40°20′N）、2019年5月在河南省南陽市鎮平縣（112°09′E，32°97′N）、2019年9月在內蒙古商都縣小劉盆地（113°49′E，41°78′N）3個不同地區的地點進行了豌豆割曬機田間試驗。測定割曬機實際作業的割茬高度、收割損失率、漏割率、收割效率性能參數，對豌豆割曬機的適應性、可靠性、生產率、收獲質量等進行綜合評價分析。田間試驗現場及收割效果如圖11所示，試驗結果如表10所示。

圖11 田間試驗

河南省南陽市鎮平縣試驗田屬于林間套作種植模式，分為2個區域，一部分為桂樹豌豆套種，另一部分為核桃樹豌豆套種，種植品種為奇珍76，農戶按需收獲青豌豆，豌豆成熟度為60%；內蒙古商都縣當地土質屬于沙質土，局部地勢高低起伏較為嚴重，豌豆品種為榮濤5號，由于土質特性，豌豆作物矮小結莢率低，雜草較多，豌豆的成熟度達90%以上；北京平谷區豌豆種植規模超過300 hm2，地勢平坦，田間管理合理，種植品種為中豌8號，豌豆成熟度為85%。總體來說豌豆割曬機的割茬高度小于40 mm，收割效率可達0.13～0.19 hm2/h。試驗結果表明，豌豆割曬機作業效果性能穩定，具有結構精巧、操作簡便、高效實用的特點。

表10 試驗田樣機試驗結果

由表10可知，豌豆割曬機在北京平谷區收獲效果最佳，收割損失率僅有4.96%，漏割率為4.78%；河南試驗田地表不平坦、田間管理不到位，豌豆成熟度較低導致收割損失率達到9.79%；內蒙古試驗田田間雜草眾多，沙質土壤并有較多石塊，豌豆種植不均勻且存在有炸莢現象，收割損失率達到6.85%，漏割率為5.72%。由于割曬機體型小巧，無堵塞現象，豌豆割曬機能夠滿足大田作業、林間套作收獲作業。在田間管理較好、農藝水平較高的地塊表現出較好的收獲效果。同時試驗也反映了要推進農業機械化，必須堅持農機農藝相互適應、相互促進。只有農機農藝高度相互融合，才能促進建設現代農業機械化發展。

5 結 論

1）本文采用TRIZ理論對豌豆割曬系統進行研究，分析了割曬系統的基本組成、功能模式以及關鍵技術創新設計，提升了設計方案的可行性，成功設計并研制出國內第一臺豌豆割曬機。

2）運用TRIZ理論進行了切割系統、輸送系統的“物-場模型”功能分析，并根據豌豆收獲的特點提出了能夠實現多物理場有效耦合的機械結構形式，為割曬作業過程的流暢、可靠、高效動作提供了保障；基于“沖突解決原理”對切割系統、防纏繞撥禾輪裝置、輸送鋪放裝置進行了創新設計，解決了系統在執行過程中可能出現的低效、損失大、可靠性不足等方面的問題，并借助虛擬樣機技術完成了豌豆割曬系統的結構設計。

3）在3個地區進行了田間試驗驗證，試驗表明所設計的豌豆割曬機有較強的適應性，可以滿足豌豆不同生長階段、不同生長模式下的收獲作業，條鋪整齊，割茬統一，輸送堵塞現象少，在田間管理較好地段收割損失率僅為4.96%，漏割率為4.78%。試驗證明只有農機農藝高度結合才能實現較高農機化水平。本文研究為后續的豌豆收獲機械理論研究及試驗優化設計提供了良好基礎。

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Design and experiment of pea windrower equipment with TRIZ theory

Li Jinfeng, Zhao Jiyun, Hou Xiuning, Liu Siyao, Zhang Xuemin※

(100083,)

In view of the fact that the current mechanization technology of pea harvesting in China is basically blank, in order to realize the matching operation of pea harvesting mechanization and reduce labor input, the first equipment of pea windrower in China was designed. The characteristics of the pea plant with the soft and creeping vines make it difficult for general machines to harvest effectively. At the same time, the machines will be blocked due to the instability of feeding during harvesting. Moreover, the plants are intertwined in the process of pea plant delivery, which is easy to form delivery blockage. These problems greatly reduce the reliability of the machine and increase the difficulty of continuous harvesting. The innovative design of pea windrower equipment was studied for filling the gap of mechanized harvesting of pea crops in China. Firstly, the characteristics of pea were studied and the problems in pea harvesting were analyzed. Then, based on the plant characteristics of pea, “substance-field model” function analysis of cutting system and conveying system was carried out based on “substance-field model” analysis method in TRIZ theory. Meanwhile, “conflict solving principle” was used to analyze and solve the contradictory conflict involved in the overall system. The appropriate solution was obtained and the main mechanism of the windrower was innovated according to the plant characteristics of pea. According to the analysis, the key components such as anti-winding reel and dithering guide plate were designed. The device can solve the intertwined and blocked problem in the harvest process and realize the efficient conveying and laying operation of pea harvester. The equipment of pea windrower was equipped with hybrid power agricultural machinery drive equipment, the usage of hydraulic system to greatly adjust the height of the header. The reel and cutter are driven by electric motor, which simplifies the mechanical transmission system and helps the agricultural machinery to develop towards the direction of energy conservation and environmental protection. Finally, based on the virtual prototype technology, the model of pea windrower was established and the prototype was manufactured. and field experiments were carried out in three experiment places of Henan Nanyang, Inner Mongolia Shangdu, Beijing Pinggu. In the process of the field experiment, windrowers showed strong adaptability, the height of cutting stubble was less than 40 mm and the harvesting efficiency reached 0.13-0.19 hm2/h. In the experiment of Beijing Pinggu, the harvest loss rate was 4.96%, the leakage sowing rate was 4.78%. The results indicated that the pea windrower could meet the requirements of harvesting in different growth stages and different growth modes with neat strips and uniform stubble, and less conveying blockage. The experiments showed that the combination of agricultural machinery and agronomy can achieve a higher level of agricultural mechanization. The study can provide reference for the mechanical equipment research of pea harvest, and it is helpful to break through the bottleneck of mechanization in the key link of pea harvest, realize the popularization and application of pea production technology in China, and accelerate the development speed and quality of pea production mechanization.

agricultural machinery; test; innovative design; windrower; peas; TRIZ theory

李金鳳，趙繼云，侯秀寧，等. 采用TRIZ理論的豌豆割曬機械裝備設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(8)：11-20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.002 http://www.tcsae.org

Li Jinfeng, Zhao Jiyun, Hou Xiuning, et al. Design and experiment of pea windrower equipment with TRIZ theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 11-20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.002 http://www.tcsae.org

2019-12-13

2020-04-12

科技部創新方法工作專項（2016IM030200）

李金鳳，博士生，主要從事車輛工程研究。Email：lijinfengvip163@163.com

張學敏，副教授，主要從事車輛節能環保與新能源技術研究。Email：xuemin zh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.002

S225

A

1002-6819(2020)-08-0011-10