基于TRIZ理論的鴨嘴式移栽末端執行器結構設計

趙 龍，楊 波，金 鑫

(河南科技大學農業裝備工程學院，河南 洛陽471003)

0 引言

我國是一個農業大國，蔬菜是除糧食作物外栽培面積最廣、經濟地位最重要的作物[1]。隨著蔬菜市場需求繼續增加、農村勞動力繼續減少，傳統的手工移栽作業已無法滿足生產需求，迫切需要研究機械化的移栽技術，推動我國農業的發展[2-3]。移栽末端執行器作為移栽機中的核心機構，直接決定移栽缽苗的存活率，其結構設計需要綜合考慮農業生產環境中不確定因素的影響以及缽苗的生理特性[4]。張煒等[5]針對二指式夾持穩定性較差的問題，結合ADAMS虛擬樣機技術，優化設計一種三指式移栽末端執行器。童俊華等[6]基于離散單元法，通過EDEM(Enhanced discrete element method)仿真分析，設計一種指鏟式末端執行器。

移栽機械是農機領域十分重要的生產機械，然而農機領域對TRIZ理論的運用卻基本沒有。該文通過結合TRIZ理論對移栽末端執行器外形及結構進行優化，證實TRIZ理論在農機領域的廣泛適用性及其所具有的巨大指導意義[7]。國內許多其他領域已經將TRIZ理論運用到工程設計過程中，如張建敏等[8]針對小型旋耕機所存在安全性等問題，用TRIZ理論對手扶式旋耕機進行功能與外觀的創新設計。李佳陽等[9]針對當前海上應急救援產品自身功能單一、救援效果不理想的問題，通過TRIZ理論中系統進化法則等部分，設計一種海上應急救援產品，該救援產品功能更多，同時用戶使用效果更佳。吳燕玲等[10]針對骨料倉產生較大揚塵的問題，運用TRIZ理論進行防塵設計。大量研究表明，TRIZ理論在移栽領域的運用具有可行性。因此，利用TRIZ理論對農業機械開展研究具有重要的實際意義。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論中的技術系統8大進化法則揭示了一個技術系統的進化本質，所用到的分析工具是從250萬份專利中總結歸納出來的，求解工具更是以其針對性、高效性著稱，區別于頭腦風暴等創新方法的盲目性[11]。圖1所示是經典的TRIZ理論體系。

TRIZ理論解決問題最首要是把問題轉換成工程中通用的敘述形式，然后再利用因果分析或功能分析等分析問題的方法對問題進行分析，繼而找到與之對應的解決問題的工具，最后轉換成設計方案。應用TRIZ理論解決問題的流程如圖2所示。

2 移栽末端執行器系統功能分析

問題背景：由于農業機械工作環境的復雜性，在作業時，移栽手指與缽苗直接相互作用。現有的移栽末端執行器的移栽手指形狀多為指針式、叉式和鏟式，由于機械振動等原因，在取苗和栽植過程中移栽手指易對缽苗產生不可修復的損傷，從而降低移栽缽苗的存活率。問題是如何在移栽機工作時，消除或降低移栽末端執行器對缽苗的損傷。

系統組件功能分析是一個對系統功能建模的過程，所建的模型應包括超系統、系統組件和作用對象等元素，通過系統組件功能分析，可提示整個技術系統所有組件之間的相互作用關系以及如何實現系統，并從中找出解決問題的入手點[12]。

系統功能：移栽末端執行器在各種工作條件下保證移栽缽苗能夠存活。

2.1組件分析

區別系統與超系統組件在組件分析中尤為重要，組件分析也是相互作用分析、功能分析的基礎，如圖3所示為組件分析結果。動力原件選取電機，傳動裝置選取桿件機構，移栽手指選取指針式。系統組件為電機、桿件機構和移栽手指，超系統組件為機架、缽苗、土地和空氣。

2.2相互作用分析

相互作用分析的目的是確定各組件之間是否有相互作用關系，方法是構造相互作用矩陣、判斷依據是各組件間是否有相互作用。若兩組件之間有相互作用，則用“+”標記，否則用“-”標記，對移栽末端執行器工程系統的進行相互作用分析，結果如表1所示。

表1 移栽末端執行器工程系統相互作用分析

Tab.1 Engineering system interaction analysis of transplanting end actuator

電機桿件機構移栽手指機架缽苗土地空氣電機+-+---桿件機構+++--+移栽手指-+++++機架+++--+缽苗--+-++土地--+-++空氣-+++++

2.3建立功能模型圖

TRIZ理論解決問題包括構建創新的思維方式和創新方法的應用[13]。創新思維是指擺脫慣性思維，激發創新能力的思維形態。創新方法是將研究對象作為系統進行分析研究，通過TRIZ方法給出的創新發明原理提示，有方向地尋找解題思路，是建立合理的功能模型的重要保證。該文TRIZ系統功能分析是對移栽末端執行器建立模型的過程，分析的結果是建立功能模型，明確各組件間的相互作用關系，改善機器結構。圖4為對移栽末端執行器分析的功能模型。通過分析，確認移栽手指對缽苗的刮擦是最主要的有害因素，土壤粘附在移栽手指上是次要的有害因素。

3 應用TRIZ解題工具體系求解

3.1闡述矛盾與確定發明原理

要解決的問題：在結構復雜程度變化較小的情況下，如何通過較低成本減小移栽末端執行器對缽苗產生的有害因素，即對缽苗的刮擦。移栽末端執行器的技術矛盾闡述如表2所示，為了減小移栽末端執行器對缽苗產生的有害因素，選擇技術矛盾1。

表2 移栽末端執行器技術矛盾

Tab.2 Technical contradiction analysis of transplanting end actuator

技術矛盾1技術矛盾2如果通過改變裝置的復雜程度,減小移栽末端執行器對缽苗產生的有害因素不改變裝置的復雜程度那么會提高缽苗的存活率移栽末端執行器結構簡單但是裝置的復雜程度提高,成本增加不能提高缽苗的存活率,影響移栽效率

研究的目標是要減小或消除移栽末端執行器產生的有害因素，因此，物體產生的有害因素為技術矛盾中要改善的參數，由于需要改變裝置的結構，增加移栽末端執行器中零件的數量，使裝置的復雜程度提高，所以裝置的復雜性是惡化參數。

根據得到的兩個工程參數，改善參數31：物體產生的有害因素；惡化參數36：裝置的復雜性，查閱阿奇舒勒矩陣可以確定以下發明原理可能對設計有幫助，如表3所示，給出了相對應的阿奇舒勒矩陣所得出的發明原理信息。

表3 改善參數31與惡化參數27所得到的發明原理

Tab.3 Principles of invention obtained by improving parameter 31 and deteriorating parameter 27

惡化的參數改善的參數裝置的復雜性3631物體產生的有害因素1:分割19:周期性作用31:多孔材料

(1)發明原理1分割：①將一個機械分成可拆裝的一個個零件；②使物體分成容易組裝和拆卸的部分；③增加物體被分割的程度。

(2)發明原理19周期性作用：①從連續作用過度到周期作用；②如果已是周期性的，則改變其運動頻率；③利用脈沖的間歇完成其他作用。

(3)發明原理31多孔材料：①使物體多孔，如生活中的蜂窩煤、紗窗；②在這些孔中加入有用的成分，如藥棉、油槽。

分析得出的3條發明原理，1、19和31號都是解決該問題有設計依據的創新發明原理。

3.2應用發明原理

根據以上TRIZ理論阿奇舒勒矩陣得出的各項發明原理，經過仔細分析，選取發明原理1、19和31。運用TRIZ發明原理后，設計鴨嘴形移栽末端執行器，如圖5所示。

鴨嘴部件的兩片鴨嘴上端分別與兩個對稱設置的鴨嘴架固定連接，鴨嘴架下部通過彈簧連接，鴨嘴架上方設有承接桶，在其中一個鴨嘴片上設置有補水通道，連接機構與驅動裝置相連接。工作時，鴨嘴形移栽末端執行器在傳動裝置的作用下上下往復運動，當缽苗轉至移栽機落料口時，鴨嘴部件運動至頂端，缽苗落入承接桶中，鴨嘴部件運動至底端，當鴨嘴插入土壤中后，鴨嘴片張開，缽苗準確種植在土壤中。

國內研發的移栽末端執行器結構大多較為復雜，該設計使用發明原理1分割，在保證移栽末端執行器功能的前提下極大簡化了其結構，便于生產制造。運用發明原理19周期性作用，將整個工作過程分為兩個階段，即取苗和投苗階段，簡化了移栽的整個工作過程，增強了結構穩定性和工作可靠性。運用發明原

理31多孔材料，巧妙地在鴨嘴片上開設補水通道，在移栽時可以適時補水，增加缽苗存活率，從而達到提高移栽效率的目的。

4 結論

以移栽機的執行裝置結構設計為例，敘述了TRIZ理論在設計過程中的重要理論支撐，有目的的進行組件分析、相互作用分析，建立移栽末端執行器的系統分析模型圖，確定問題的技術矛盾，查閱阿奇舒勒矩陣得到創新發明原理，運用得出的3個創新發明原理對移栽末端執行器進行了結構設計，設計一種不傷缽苗、有補水通道的鴨嘴形移栽末端執行器。證明運用TRIZ理論設計農業機械可大幅度提高創新產品的質量和縮短研發周期，并得到以下結論。

(1)運用TRIZ創新方法對移栽末端執行器的結構設計進行分析，TRIZ理論對農業機械的設計有一定的指導作用。

(2)TRIZ創新理論應用過程中，建立合理的功能模型尤為關鍵，該文先對移栽末端執行器進行組件分析、相互作用分析，保證所建立的功能模型圖的準確性，可以直接得到解決設計過程中的矛盾和問題的基本方案。

(3)農業機械設計，其過程就是解決復雜農業生產問題，移栽機械是農業機械設計的重點，隨著設計各階段推進，TRIZ創新原理專門化拓展開發，易于農業機械設計及其相關優化過程實施，提高創新產品的效率。