因果鏈分析法在谷物收集機創新設計上的應用

廖 禺,潘 松,吳周鑫,劉 云,黃俊寶,王康軍

(1.江西省農業科學院 農業工程研究所,南昌 330200;2.浙江工業大學 機械工程學院,杭州 310023,3.江西省農業綜合行政執法總隊,南昌 330046)

0 引言

通過對市場上現有的針對于谷物的收集和晾曬的裝置調研發現:目前可用于谷物收集和晾曬的吸入式谷物收集機和扒谷式谷物收集機,存在谷物收凈率低、功能單一、自動化程度低等問題。為此,以上述問題為解決對象,通過谷物收集機的專利分析和大量的論文分析,并結合谷物收集機的現狀,采用技術矛盾、物理矛盾、物質—場模型等工具進行谷物收集機的創新設計。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是由蘇聯科學家阿奇舒勒在1946年通過整理150萬份專利研究而來的一套基于創新發明方法的應用型理論,并于2004年開始在我國教育行業應用,通過15年的研究與應用,其在我國的創新創造領域顯示出了強大的生命力[1]。

TRIZ理論則是一套解決和消除技術矛盾的完整的理論[2],其中TRIZ理論的主要內容如圖1所示。本文將重點介紹TRIZ理論的因果鏈分析法、技術矛盾、物理矛盾及物質-場模型,并進行解決谷物收集機的創新設計[3]。

圖1 TRIZ理論主要內容

2 谷物收集機的文獻、專利分析

為了更好地運用TRIZ理論對谷物收集機進行創新設計,通過查閱大量的文獻,整理出如圖2所示的TRIZ理論應用于國內學科分布趨勢。

從圖2中可以看出:TRIZ理論應用最多的是高等教育研究行業,其次便是機械工業行業。筆者來自農業機械行業和高等教育下的機械專業行業,很適合運用TRIZ理論來進行谷物收集機的創新設計。

通過專利技術所處的發展階段分析,推測未來技術發展方向,是技術生命周期最常用的定量計量方法[4],預測谷物收集機的生命周期對于進行谷物收集機的創新設計是十分必要的,能幫助我們充分把握住創新設計的方向。因此,通過在專利網查閱大量的專利,分析整理出如圖3所示的谷物收集機的專利數據分析圖,并整理出如下結論:

(a) 發明專利

1)因為發明專利代表著一項工程技術的發現及挖掘,而實用新型專利則僅代表著在已有的技術上進行創新,由圖3(a)、(b)兩圖得出谷物收集機具備創造發明性的前景很大。

2)由于發明專利較實用新型專利而言具備有更高的水平,結合圖3(c)、(d)兩圖看出近年來實用新型的專利變化峰值在2017年,然后下降,即便是已過成熟期,且在步入衰退期,而發明專利的變化趨勢則還處于增加的趨勢,處于技術生命周期的成熟期階段。

3 現有谷物收集機的因果鏈分析

因果鏈分析[5]是TRIZ理論中的一個用于問題分析的工具,主要用于輔助工程技術人員分析隱藏在問題背后的各種原因。因果鏈分析圖解,如圖4所示。

圖4 因果鏈分析圖解

通過調研現有的吸入式谷物收集機和扒谷式谷物收集機,并對其進行收凈率低、自動化程度低和功能單一的因果鏈分析,繪制了如圖5所示的收凈率低的因果鏈分析圖、圖6所示的自動化程度低的因果鏈分析圖,以及圖7所示的功能單一的因果鏈分析圖。

(a) 吸入式谷物收集機的因果鏈分析

圖6 自動化程度低的因果鏈分析

通過圖5收凈率低的因果鏈的分析可知:影響吸入式谷物收集機的收凈率的因素是壓力不足,而影響扒谷式谷物收集機收凈率低的原因則是因為攪攏葉片的工作效率低。由圖6可知:自動化程度低的主要原因是因為研究者們在研究的時候沒有合理地考慮到性價比的問題,過于控制了成本。

由圖7中可以看出:研發者在最初研發谷物收集機時,僅僅只看到谷物收集的弊端和研發出來之后的社會效益,而忽略了谷物晾曬的經濟效益和社會效益。

4 谷物收集機的創新設計

通過因果鏈的分析得出現存的兩種谷物收集機存在的不足原因[6],然后采用TRIZ理論的技術矛盾、物理矛盾、完備性法則、物質-場模型分析谷物收集機的收凈率低、自動化程度低和功能單一的原因,并進行谷物收集機的創新設計[7]。

4.1 谷物收集機收凈率低的創新設計

針對于現有的谷物收集機收凈率低的問題通過采用TRIZ理論工具的技術矛盾及物理矛盾進行創新設計[8]。

通過圖8技術矛盾構建的壓力不足解決流程來解決吸入式谷物收集機的壓力不足的問題,并根據得出的發明原理2、34給出如表1所述的解決吸入式谷物收集機收凈率低的創新方案。

圖8 技術矛盾構建之壓力不足解決流程

通過圖9物理矛盾構建的攪攏葉片工作效率低解決流程來解決現有的扒谷式谷物收集機的攪攏葉片工作效率低的問題,并根據得出的6、20、17給出如表2所述的解決扒谷式谷物收集機收凈率低的創新方案。

表2 提高谷式谷物收集機收凈率的創新方案

圖9 物理矛盾構建之攪攏葉片工作效率低解決流程

4.2 谷物收集機自動化程度低的創新設計

根據TRIZ理論的完備性法則對現有的谷物收集機進行分析[9],現如今市場上存在的谷物收集機都不符合完備性法則的要求,即缺乏必備的控制模塊。

在改進具有非完整功能的系統之中,先建立起物質場模型。假設原來的系統之中僅僅只存在物質S1,增加物質S2及場;假定原來的系統之中僅僅只有動力裝置、傳動裝置、執行裝置缺少控制裝置將什么都不會發生;假如系統之中有動力裝置、傳動裝置、執行裝置、控制裝置,缺少能量源也將什么都不會發生。在此前提下,通過完備性法則完善系統的裝置再通過TRIZ理論的物質場分析將會得到如圖10所示的物質-場模型。圖10中,S1、S2、S3、S4分別代表著動力裝置、傳輸裝置、執行裝置及控制裝置,E代表著電場,實線部分代表著需要作用的效應,虛線部分代表著不足的效應。

圖10 自動化程度低的物質場模型

由圖10可以看出:若缺少控制裝置,不能聯系其動力裝置、傳輸裝置、執行裝置三者之間的相互作用,增加控制裝置及電場之后,將組成一個完整的系統可以解決谷物收集機的自動化程度低問題。

4.3 谷物收集機功能單一的創新設計

為了完善現有的谷物收集機的功能與作用,結合技術矛盾進行創新并給出具體的創新設計方案,如圖11所示。

圖11 技術矛盾構建之功能單一解決流程

由圖11技術矛盾構建之功能單一解決流程圖可得出解決現有的谷物收集機功能單一的發明原理為5、6、10,通過這些發明原理得出如表3所示的創新設計方案。

表3 解決吸入式糧食收集機功能單一的創新方案

5 谷物收集機的結構設計

結合上文給出的創新設計方案,給出具體的總體設計方案,并采用SolidWorks進行三維模型的構建,如圖12所示為谷物收集機的總體設計結構圖;如圖13為谷物收集機的爆炸圖。

圖12 谷物收集機三維圖

由圖12可以看出谷物收集機的具體設計結構,在圖13中可以明確各個創新設計方案在總體設計方案中的具體位置。

6 結論

通過分析現有谷物收集機的不足,結合TRIZ理論和谷物收集機的專利分析,運用TRIZ理論的工具因果鏈分析方法對存在的問題進行分析和重新定義;然后,對谷物收集機進行專利研究初步判定谷物收集機所處的研究技術周期。根據谷物收集機存在的收凈率低、自動化程度低、功能單一的問題,分別使用不同的TRIZ理論的工具進行逐一解決并提出解決的方案,最終給出具體的總體結構設計方案。