TRIZ 理論在糧食收集機設計中的應用

王 歡 ，孫 濤 ，吳周鑫 ，廖 禺

（1.江西省精密驅動與控制重點實驗室，江西 南昌 330099；2.南昌工程學院機械與電氣工程學院，江西 南昌 330099；3.江西省農業科學院農業工程研究所，江西 南昌 330099）

1 引言

目前，農業機械是我國大力提倡和開發的新型科技產業，是我國從傳統手工農業走向現代化農業的重要發展道路[1]。谷物收集晾曬是農業生產過程的重要組成部分，糧食收集機是進行農作物后續收集和晾曬得到干燥農作物的重要設備。它可以在小麥、稻谷等顆粒作物的收集和攤曬中起到重要作用。目前現有的糧食收集機存在功能較為單一、操作環境惡劣、人工勞作強度大、工作穩定性低、安全隱患較大、收集效率低及收集潔凈率低等問題。針對以上問題，為提高農業機械化水平，以糧食收集機為主要研究對象，以TRIZ 理論中的矛盾分析法和物質-場分析法為基礎，對糧食收集機進行創新設計，增加機器的功能多樣性，提高機器的效率與實用性，使糧食收集晾曬過程更加高效快速。

2 TRIZ 理論

TRIZ 理論是在1946 年由蘇聯軍方技術員根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）和他的同事們共同提出。在阿奇舒勒看來，人們在解決發明問題的過程中所遵循的科學原理和技術進步法則是一種客觀存在。大量發明所面臨的基本問題是相同的，其所需要解決的矛盾，從本質上來說，是相同的?；谶@一思想，他與蘇聯科學家一起，經過50 多年對數以百萬計的專利文獻和自然科學知識進行研究、整理和歸納，最終建立起一整套系統化的、實用的、解決發明問題的理論和方法體系，即TRIZ 理論[2]。在設計過程中，產品的設計存在著各種沖突矛盾。因此，TRIZ 認為產品創新的核心是解決設計中的沖突或矛盾，從而提出39 個通用化參數。在問題解決過程中，利用該設計方法把實際工程設計中的沖突或矛盾轉化為TRIZ 理論中的通用化參數。同時利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣表得出對應的發明解決原理，結合實際問題，選擇符合產品設計的發明原理，得出最佳產品設計方案。其解決問題的一般流程[3]，如圖1 所示。

圖1 用TRIZ 解題的基本過程Fig.1 Basic Process of Solving the Problem by TRIZ

3 現有糧食收集機分析

目前，市面上研發設計了不同工作原理的糧食收集機，主要有大型扒谷機、小型機械式收集機、小型吸入式收集機三種。上述三種機器各自存在一些不足之處，其中大型扒谷機體型大操作復雜，由攪攏葉片將谷物集中，通過輸送裝置進行運輸，所以對谷物晾曬的厚度有一定的要求，且行走輪行走和笨重的機身在收集過程中容易碾碎地上的農作物；小型機械式收集機則需要工作人員緊跟操作進行轉向，且只能進行收集，功能較為單一，人工換袋較為頻繁；小型吸入式收集機在工作過程中內燃機工作的噪音較大，出風口灰塵較多，當動力輸出軸的轉速與風扇的轉速不匹配時，會導致風扇被打碎，甚至被甩出去，存在較大的安全隱患。

縱觀市場上的糧食收集機，多以輪式為主，需要人工輔助推動行走，速度難以穩定操控，操作環境惡劣，并且對地形要求較高，不適合在較為復雜的地形工作，適用范圍小。除此之外，當前糧食收集機以袋裝為主要收集方式，收集過后的封袋等后續處理較為復雜，耗費大量人力物力。糧食收集機的收集速度固定，難以根據糧食晾曬厚度需求進行調節，糧食收集效率低[4]。

4 糧食收集機的創新設計

4.1 機器中的技術矛盾

上述參數的改變可能帶來的惡化參數有：

（1）靜止物體的重量（No.2）；

（2）靜止物體的體積（No.7）；

（3）運動物體作用時間（No.15）；

（4）可制造性（No.32）；

（5）可維修性（No.34）；

（6）裝置的復雜性（No.36）。

表1 設計沖突參數轉化Tab.1 The Transformation of Design Conflict Parameter

4.2 適用于糧食收集機的發明原理

在對糧食收集機進行了技術沖突分析后，并且確定了描述沖突的通用工程參數后，可以利用阿奇舒勒沖突矩陣從40 個發明原理中選取適合的方法，結合實際問題選定最終使用的發明原理應用到設計中，從而解決沖突。阿奇舒勒沖突矩陣，如表2 所示。

表2 阿奇舒勒沖突矩陣Tab.2 Altshuller Contradiction Matrix

在阿奇舒勒沖突矩陣中，找到改善參數與惡化參數分別對應的列與行，在行列交叉處可看到發明原理所對應序號。在矩陣中，一個方格內有多個序號，同時對應多個發明原理。對發明原理進行篩選，得出用于實際設計的方法[6-8]。應用發明原理，如表3 所示。

pH400型pH值檢測計，安萊立思儀器科技(上海)有限公司；TCP全自動色差計，北京奧依克光電儀器有限公司；Lab Master-a水分活度儀，瑞士NOVASINA公司；Thermo TRACE氣質聯用儀，美國熱電有限公司；TA-XT plus質構儀，超技儀器；5H613數顯式肌肉嫩度儀，秦皇島市協科技開發有限公司。

表3 應用的發明原理Tab.3 The Invention Principle of Application

4.3 糧食收集機的改進方案

根據阿奇舒勒矛盾矩陣，同時結合實際條件所確定應用的5條發明原理，對糧食收集機進行以解決收凈率低下、功能單一、操作環境惡劣為目的的創新設計分析。

應用No.3 局部質量原理，將糧食收集機分為收集模塊、行走模塊及存儲晾曬模塊三大模塊。收集模塊分為鏈式刮板收集部分，集糧毛刷輔助部分及清掃毛刷回收部分，其中鏈式刮板收集部分既是糧食收集的主要部件，又是機器工作的運輸部件。行走模塊主要分為履帶行走部分，控制部分及萬向輪行走部分，其中履帶行走部分既是機器的主要支承部件，又是機器行走的重要組成。

應用No.6 多用性原理，改變原有存儲裝置，設計出一種糧食存儲晾曬小車。該車通過圓柱銷與機器主體相連，小車底部具有開口和擋板。當擋板關閉時，小車作為機器的存儲裝置，進行谷物存儲工作。當底部角度可調的擋板打開，谷物從開口漏出，且底部擋板可將谷物刮平，實現谷物的快速均勻晾曬。該小車既有存儲功能，又具有晾曬功能，實現一物多用，大大提高谷物晾曬收集過程的效率，減少工作人員工作強度。

應用No.10 預操作原理，增加了遠程遙控控制操作功能，且可調控機器前進速度，可實時操控機器運轉情況，改善工作人員工作環境，使工作人員遠離了多噪音、多灰塵等惡劣工作情況。同時，還增加了過載報警開關，當機器運轉過載時，通過報警提醒操作人員。

應用No.24 中介物原理，利用刮板作為中間傳遞物質，將底部谷物運輸至機器上部，使谷物收集過程簡單快捷，運輸過程方便快速。同時，利用驅動電機將蓄電池所輸出的電能轉化為驅動糧食晾曬收集一體機所需要的機械能，使用驅動電機作為中介物傳遞能量，用電場代替機械場。

應用No.25 自服務原理，機器前方底部設有集糧毛刷，在機器向前運動時，將谷物堆積起來，以便于機器收集。同時，機器設有二次清掃毛刷，可將機器未收集干凈的谷物掃向還未收集的一側。兩者的設計大大增加了機器收集的便利性，提高了機器谷物收集的收凈率。二次清掃機構，如圖2 所示。

圖2 二次清掃機構Fig.2 Secondary Cleaning Mechanism

4.4 糧食收集機設計方案的具體化

根據TRIZ 理論的分析結果，結合人機工程學理論，對糧食收集機進行了創新設計，創新后的糧食收集機由收集模塊、晾曬模塊、行走模塊、二次清掃模塊、傳動模塊五大主要功能模塊組成，如圖3 所示。模塊化集成多種功能。

圖3 模塊劃分Fig.3 Module Partition

收集模塊由集糧毛刷和刮板配合實現對地面晾曬谷物的收集；晾曬模塊由晾曬小車結合底部擋板，固定在機身前行時，實現谷物均勻晾曬；行走模塊由直流無刷電機提供動力，驅動微型履帶，帶動谷物晾曬小車運動；二次清掃模塊由二次清掃毛刷緊貼地面清掃，以“回”字型路徑行走，提高收凈率；傳動模塊由鏈傳動，結合齒輪傳動構成，為收集模塊、二次清掃模塊和行走模塊提供動力。其結構設計圖，如圖4 所示。

圖4 創新后的糧食收集機Fig.4 Innovation of Grain Collecting Machine

5 糧食收集機部分構件分析

5.1 物質-場分析簡介

物質-場分析法是一種與現有技術系統相關聯的問題建模方法，通過建立系統內結構化的問題模型來正確地描述系統內的問題，用符號語言清楚的表達技術系統的（子系統）的功能，正確地描述系統的構成要素以及構成要素之間的相互聯系[9]。在TRIZ 中，我們可以用兩種物質（S1、S2）和一個場（F）來建立一個系統分析模型，其中S1是被執行元件，S2是執行體，模型意義為場F 通過物質S2作用于S1并改變S1。物質-場分析模型，如圖5 所示[10]。

圖5 物質—場分析模型Fig.5 Substance-Field Analysis Model

通過物質—場模型描述產品所具有的功能，從而確定引起沖突的根本原因。根據物質—場模型所描述的問題，查找TRIZ理論中76 個標準解，構建出新的物質-場模型，得出該模型的優化創新設計[11]。

5.2 建立物質-場分析模型

谷物收集與晾曬對谷物厚度具有一定的要求，在谷物收集過程中，若谷物厚度較低，機器收集效率緩慢且收集潔凈率低，因此，需要設計集糧毛刷用于堆積谷物。在谷物晾曬過程中，谷物晾曬厚度需合理，因此，需要在谷物晾曬小車下方設計適宜高度刮板。

根據TRIZ 理論物質-場分析理論，對于糧食收集過程與糧食晾曬過程，建立物質-場分析模型，如圖6、圖7 所示。其中，F1、F2均為機械作用場，物質S1為作用對象谷物，物質S2為集糧毛刷，物質S3為小車底部擋板離地面高度。

現有相關機器中的集糧毛刷設于機器前端下部，在收集過程中，若毛刷硬度太大，則會對毛刷造成較大磨損，影響毛刷的使用壽命，堆積谷物能力下降，影響機器收集效率，即S2對S1作用為有害；若毛刷硬度較小，則會導致機器在前進過程中難以將谷物堆積起來，即S2對S1作用為不足。

在晾曬過程中，小車底部擋板離地面高度對于谷物晾曬具有重要影響。若小車底部擋板離地面高度過高，在晾曬過程中會使谷物晾曬不均勻，即物質S3對物質S1作用為不足。

在TRIZ 理論中，物質—場模型提供76 種標準解法，經過分析，本設計采用76 種標準解法中的1.1.6 向具有物質最小作用的物場躍遷與2.2.4 向動態化物質—場躍遷來解決上述問題，得到新的物質-場模型，如圖6（b）、圖7（b）所示。

圖6 集糧毛刷物質—場分析模型Fig.6 Substance—Field Analysis Model of the Aggregating Grain Brush

圖7 小車底部擋板離地面高度物質—場分析模型Fig.7 Substance-Field Analysis Model of the Baseplate above Ground Height

5.3 糧食收集機集糧毛刷及底部擋板機構的設計方案具體化

根據物質-場分析的結果，對集糧毛刷-收集系統、擋板-晾曬系統進行優化設計，從而得出具體設計方案：采用尼龍絲作為毛刷的設計材料，保證其硬度的同時減少磨損，上方采用鋼板進行固定，增強穩定性；集糧毛刷安放至裝置底部下，二次清掃毛刷前，作為裝置收集的輔助堆糧機構。小車底部擋板離地高度原始設計為20mm，并且可根據晾曬厚度進行調節，也可保證糧食的晾曬均勻。為驗證本裝置的經濟性，可靠性，穩定性及安全性，按江西省《谷物收集機》農機鑒定大綱和《農業機械試驗條件》測定方法，進行了性能測試。試驗結果表明：本設備的各項性能均優于規定標準值，達到設計要求。樣機實驗結果，如表4 所示。

表4 樣機實驗結果Tab.4 Prototype Experimental Results

6 結論

以TRIZ 理論為基礎，研究了糧食收集機的功能模式并對其進行創新設計：（1）利用矛盾沖突矩陣，分析現有糧食收集機中所存在的問題，并利用發明原理解決主要矛盾，對機器進行創新設計；將糧食收集轉化為收集與攤曬的結合，設計二次清掃毛刷提升收凈率，結合人機工程學，采用遠程遙控模式，調速操作，增加收集效率，改善工作環境。（2）采用物-場分析模型進行設計方案具體化，對集糧毛刷-收集系統、擋板-晾曬系統進行詳細分析，解決了機器在工作過程中可能出現的效率低下、收集損失、零件失效等問題。（3）借助三維建模進行仿真分析，完成對其三維模型的建立，并基于該模型進行樣機的實物加工，并進行了測試實驗，為后續的樣機改進及實驗優化設計奠定了良好的基礎。