基于TRIZ的秸稈皮穰分離機(jī)概念設(shè)計(jì)

付 敏，井永晉，李榮峰，李 萌

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

0 引言

農(nóng)作物秸稈由皮、穰和葉構(gòu)成。秸稈皮的主要成份是纖維素和木質(zhì)素，可作為造紙、人造板的原材料，秸稈穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、糖和半纖維素等，生物降解性能優(yōu)良，可作為飼料原料，還可用于生產(chǎn)生物乙醇、沼氣等生物質(zhì)能源。秸稈皮、穰、葉分離后能夠各施其長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)高價(jià)值精細(xì)化利用[1]，[2]。

我國(guó)科研人員對(duì)秸稈皮穰分離開(kāi)展了相關(guān)研究。張洪建[3]設(shè)計(jì)的玉米秸稈皮、穰、葉分離機(jī)采用除葉齒板對(duì)秸稈葉進(jìn)行打擊、梳刷、搓擦，除葉后的莖稈被剖切，再由分展器展開(kāi)進(jìn)行剝穰處理。任德志[4]，[5]研制的玉米秸稈皮穰分離機(jī)采用除葉機(jī)除葉，通過(guò)碾壓秸稈彈塑變形后由輥齒揭開(kāi)秸稈外皮，再經(jīng)剪切機(jī)構(gòu)切段后由分離機(jī)實(shí)現(xiàn)皮穰分離。李平凡[6]通過(guò)搓擦去除秸稈葉，通過(guò)劈展刮削的方式去除秸稈穰。劉一清[7]采用持續(xù)碾壓和揉搓方式將秸稈葉和穰碾碎去除，保留秸稈皮。周景輝[8]通過(guò)送料-劈開(kāi)-展平-分刀軸出穰等工序完成秸稈去皮。李利橋[9]采用剖穰和碾壓后風(fēng)選的方式實(shí)現(xiàn)了秸稈皮穰分離。

目前，秸稈高品質(zhì)精細(xì)化利用的市場(chǎng)需求已經(jīng)顯現(xiàn)，但現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力、分離效率和性能水平還有待提高，亟需開(kāi)展相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究。本文以提高秸稈皮穰分離效率、實(shí)現(xiàn)皮、穰、葉的分類收集且不破壞秸稈強(qiáng)度為目標(biāo)，基于發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）進(jìn)行秸稈皮穰分離機(jī)設(shè)計(jì)，提出了去除秸稈葉-切開(kāi)秸稈皮-刮除秸稈穰-分類收集的作業(yè)方式，并應(yīng)用TRIZ工具分別對(duì)喂入機(jī)構(gòu)、除葉機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、去穰機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 TRIZ簡(jiǎn)介

TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（G S Altshuller）建立的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法[10]。TRIZ包含了一整套用于分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的工具，可以幫助研發(fā)人員突破思維定勢(shì)，從不同維度觸發(fā)靈感，超越自我認(rèn)知和物理界限，在更廣闊的領(lǐng)域?qū)ふ医鉀Q方案。應(yīng)用TRIZ可以克服傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)、類比設(shè)計(jì)的局限，通過(guò)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、簡(jiǎn)單化的TRIZ工具輔助設(shè)計(jì)，獲得高質(zhì)量、多層次的創(chuàng)新方案集；TRIZ是創(chuàng)新指南針，沿著TRIZ指引的路徑，可以大大縮短研發(fā)周期，減少無(wú)效勞動(dòng)和資源消耗 [11]。

TRIZ的理論體系可分為5大模塊（圖1）：突破慣性思維的方法、分析問(wèn)題的工具體系、解決問(wèn)題的工具體系、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則以及發(fā)明問(wèn)題解決算法ARIZ[12]。

2 秸稈皮穰分離機(jī)功能需求分析及工藝流程確定

2.1 秸稈皮穰分離機(jī)功能需求分析

總功能：分離秸稈皮和秸稈穰。

圖1 TRIZ的理論體系Fig.1 Theoretical system of TRIZ

子功能：輸送秸稈、去除秸稈葉、定位無(wú)葉秸稈、切割無(wú)葉秸稈、夾持無(wú)葉秸稈、刮除秸稈穰、分離收集皮、穰、葉。

秸稈皮穰分離機(jī)須要實(shí)現(xiàn)秸稈皮、穰、葉的分離和分類收集的功能。將秸稈喂入裝置后先將秸稈葉去除，之后剖切秸稈皮、刮除秸稈穰并分類收集；為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，還須要定位和夾持秸稈功能。

2.2 秸稈皮穰分離工藝流程

基于功能需求分析確定秸稈皮穰分離作業(yè)的工藝流程如圖2所示。

圖2 秸稈皮穰分離工藝流程Fig.2 Process for stalk bark-flesh separation

將原料秸稈喂入裝置后，先去除秸稈外葉，之后對(duì)無(wú)葉秸稈進(jìn)行定位、切割，再通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)移動(dòng)秸稈至去穰機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)秸稈皮、穰分離，最后對(duì)分離的秸稈皮、穰、葉分類收集。

本文將應(yīng)用TRIZ工具針對(duì)工藝流程中涉及的喂入機(jī)構(gòu)、除葉機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、去穰機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 基于TRIZ的秸稈皮穰分離機(jī)概念設(shè)計(jì)

3.1 原型系統(tǒng)工作原理及存在的問(wèn)題

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研，選擇專利“玉米秸稈皮穰葉分離裝置”[13]為參考原型系統(tǒng)（圖3），其工作原理：喂入臺(tái)將秸稈喂入碾壓喂入輥進(jìn)行碾壓，在擋料板的引導(dǎo)作用下進(jìn)入除葉盤(pán)進(jìn)行除葉，無(wú)葉秸稈再經(jīng)碾壓夾持輥進(jìn)一步碾壓，使秸稈皮與秸稈穰的結(jié)合狀態(tài)遭到破壞，劃皮輥將發(fā)生變形的秸稈劃成條狀，再由切割輥將條狀秸稈進(jìn)行剪切，最后使用風(fēng)機(jī)將混合物進(jìn)行分離。但是，碾壓作業(yè)會(huì)降低秸稈皮的強(qiáng)度，不利于后續(xù)利用，而且秸稈皮穰未分類收集，須增加分離工序。

圖3 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the prototype system

3.2 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

喂入機(jī)構(gòu)的作用是將秸稈原料有序送入裝置內(nèi)，以便后續(xù)作業(yè)。

3.2.1 應(yīng)用TRIZ的IFR分析求解

最終理想解IFR（Ideal Final Result）是TRIZ中通過(guò)突破思維慣性進(jìn)而解決問(wèn)題的工具，本文中IFR的解題流程如下所示。

①設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是什么？秸稈全部輸送至除葉裝置內(nèi)。

②IFR是什么？秸稈自己移動(dòng)到除葉裝置內(nèi)。

③達(dá)到IFR的障礙是什么？秸稈自身不具備移動(dòng)能力。

④出現(xiàn)這種障礙的原因是什么？秸稈自重輕，缺乏移動(dòng)力。

⑤不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么？秸稈自身具有向前移動(dòng)的初速度。

⑥創(chuàng)造這些條件，有哪些可利用的資源？可用資源分析見(jiàn)表1。

表1 資源分析表Table 1 Resource analysis list

由子系統(tǒng)物質(zhì)資源“喂入輥”提出概念解1：在喂入輥上設(shè)計(jì)螺旋凸起，可以對(duì)秸稈起到一定的導(dǎo)向作用，還可以增大秸稈與喂入輥之間的摩擦力，防止秸稈打滑。

由子系統(tǒng)的空間資源“入料口大小”提出概念解2：在喂入臺(tái)設(shè)置推動(dòng)架，當(dāng)遇到較大尺寸秸稈時(shí)，可以通過(guò)推動(dòng)架將秸稈推入機(jī)器內(nèi)。

由子系統(tǒng)的物質(zhì)資源“喂入通道”提出概念解3：采用8條喂入通道的方式進(jìn)行秸稈的喂入，通過(guò)提高喂入秸稈數(shù)量來(lái)提高裝置的工作效率。

3.2.2 喂入機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖4為喂入機(jī)構(gòu)示意圖。從圖4可以看出，喂入機(jī)構(gòu)由喂入臺(tái)1、電機(jī)2、聯(lián)軸器3、推動(dòng)架4、喂入通道5和喂入輥6等組成，喂入輥位于八條喂入通道的下方。將秸稈原料放置在喂入平臺(tái)上，由旋轉(zhuǎn)的喂入輥帶動(dòng)秸稈沿著喂入通道進(jìn)入裝置內(nèi)。當(dāng)秸稈截面較大時(shí)，通過(guò)機(jī)架側(cè)面的推動(dòng)架將大截面秸稈推入機(jī)器內(nèi)。

圖4 喂入機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of feedingmechanism

3.3 除葉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除葉機(jī)構(gòu)的作用是去除秸稈葉子，以利于秸稈皮、穰、葉的分類收集。原型系統(tǒng)的除葉機(jī)構(gòu)采用傳動(dòng)軸帶動(dòng)除葉盤(pán)等速同向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦秸稈葉達(dá)到去除外葉的目的，但存在莖、葉分離不夠徹底、分離效率低的問(wèn)題。

3.3.1 應(yīng)用TRIZ的功能分析與物場(chǎng)模型求解

①技術(shù)系統(tǒng)名稱：除葉機(jī)構(gòu)。

②主要功能：去除秸稈葉。

③功能客體（系統(tǒng)作用對(duì)象）：秸稈葉。

④系統(tǒng)組件：除葉盤(pán)、機(jī)架、傳動(dòng)軸、電機(jī)；超系統(tǒng)組件：秸稈。

⑤建立功能模型（圖5）。

圖5 除葉盤(pán)功能模型圖Fig.5 Function Model of the leaf removal disc

⑥構(gòu)建問(wèn)題物場(chǎng)模型。

由圖5構(gòu)建如圖6所示的問(wèn)題物場(chǎng)模型，即除葉盤(pán)對(duì)秸稈葉的摩擦去除作用不足。

圖6 除葉盤(pán)問(wèn)題物場(chǎng)模型圖Fig.6 Substance-field model of the leaf removal disc problem

⑦求解物場(chǎng)模型。

由TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.1 -用更可控的物場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)問(wèn)題物場(chǎng)模型中的有益摩擦作用，得到如圖7（a）所示的求解模型，提出概念解4：通過(guò)上、下兩個(gè)反向電機(jī)改變除葉盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以實(shí)現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn)，形成線速差提高除葉效率。由TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1-鏈?zhǔn)轿飯?chǎng)模型增強(qiáng)有益摩擦作用，得到如圖7（b）所示的求解模型，提出概念解5：通過(guò)在除葉盤(pán)上安裝摩擦塊，可增強(qiáng)對(duì)秸稈的摩擦力。

圖7 除葉盤(pán)物場(chǎng)模型求解圖Fig.7 Substance-fieldmodelof the leaf removal disc solving

3.3.2 除葉機(jī)構(gòu)組成及工作原理

除葉機(jī)構(gòu)如圖8所示。從圖8可以看出，除葉機(jī)構(gòu)由除葉盤(pán)1、摩擦塊2、上除葉盤(pán)電機(jī)3、萬(wàn)向聯(lián)軸器4、上傳動(dòng)軸5、下傳動(dòng)軸6和下傳動(dòng)電機(jī)7等組成。每組除葉組件包括兩個(gè)上、下布置的除葉盤(pán)，除葉盤(pán)上通過(guò)螺釘連接有6個(gè)摩擦塊，便于拆卸和更換。上傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器帶動(dòng)上傳動(dòng)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，下傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下傳動(dòng)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使得上、下除葉盤(pán)等速反向旋轉(zhuǎn)。秸稈由喂入輥帶動(dòng)并通過(guò)喂入通道進(jìn)入除葉盤(pán)內(nèi)，在摩擦力作用下將秸稈葉撕扯剝離。

圖8 除葉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the leaf removingmechanism

3.4 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

定位機(jī)構(gòu)的作用是固定秸稈的位置，以便后續(xù)精準(zhǔn)地切割秸稈。原型系統(tǒng)采用導(dǎo)向板實(shí)現(xiàn)秸稈定位，定位精準(zhǔn)度有待提高。

3.4.1 應(yīng)用TRIZ的物場(chǎng)分析求解

問(wèn)題物場(chǎng)模型見(jiàn)圖9（a），即導(dǎo)向板對(duì)秸稈的引導(dǎo)作用不足。應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1-鏈?zhǔn)轿飯?chǎng)模型來(lái)增強(qiáng)對(duì)無(wú)葉秸稈的引導(dǎo)作用，解決方案模型見(jiàn)圖9（b），由此提出概念解6：由托輥與開(kāi)有V型槽的定位輥配合實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)葉秸稈的定位。

圖9 定位機(jī)構(gòu)的物場(chǎng)模型Fig.9 Substance-fieldmodelof the positioningmechanism

3.4.2 定位機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖10為定位機(jī)構(gòu)的示意圖。從圖10可以看出，定位機(jī)構(gòu)由定位輥1、定位盤(pán)2和定位托輥3組成。定位輥上有8個(gè)V型槽結(jié)構(gòu)的定位盤(pán)，定位盤(pán)與下方托輥形成的封閉空間可容納一根秸稈，對(duì)每根秸稈起定位和支撐作用；定位托輥上設(shè)置有橫向槽，以增大摩擦力，更有利于秸稈的輸送。在托輥轉(zhuǎn)動(dòng)作用下將無(wú)葉秸稈送入后續(xù)的切割機(jī)構(gòu)中。

圖10 定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of positioningmechanism

3.5 切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割機(jī)構(gòu)的作用是沿著秸稈軸長(zhǎng)方向?qū)⒔斩捚是虚_(kāi)，以便于后續(xù)的刮除秸稈穰作業(yè)。

3.5.1 應(yīng)用TRIZ發(fā)明原理求解

基于NO.5組合原理提出概念解7：將圓周回轉(zhuǎn)式刀片通過(guò)螺釘連接安裝在刀座上，切割輥不僅能提供旋轉(zhuǎn)的切力也能夠增大縱向壓力增強(qiáng)切割效果。

3.5.2 切割機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖11為切割機(jī)構(gòu)的示意圖。從圖11可以看出，切割機(jī)構(gòu)由切割托輥1、切割輥2、切割盤(pán)3、圓周回轉(zhuǎn)式刀片4和連接螺釘5等組成。無(wú)葉秸稈進(jìn)入定位機(jī)構(gòu)后，由切割輥帶動(dòng)8組切刀將秸稈沿著軸長(zhǎng)方向剖切為兩半。

圖11 切割機(jī)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of cuttingmechanism

3.6 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)的作用是夾持、移動(dòng)秸稈。原型系統(tǒng)通過(guò)碾壓夾持輥在秸稈兩側(cè)產(chǎn)生的擠壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的夾持，但存在秸稈莖的強(qiáng)度遭到破壞的問(wèn)題。

3.6.1 應(yīng)用TRIZ的功能分析

圖12為原型系統(tǒng)夾持機(jī)構(gòu)的功能模型。原型系統(tǒng)夾持機(jī)構(gòu)存在的主要功能缺陷是：碾壓夾持輥夾持力不足；秸稈對(duì)碾壓夾持輥的有害磨損作用；碾壓夾持輥對(duì)機(jī)架的有害振動(dòng)作用。

圖12 碾壓夾持輥功能模型Fig.12 Functionmodel of the rolling nip roller

3.6.2 應(yīng)用TRIZ功能裁剪求解

選擇裁剪組件：碾壓夾持輥。

裁剪依據(jù)：碾壓夾持輥對(duì)機(jī)架存在有害的振動(dòng)作用。

分析其有用功能：夾持無(wú)葉秸稈。

應(yīng)用裁剪規(guī)則四“裁剪組件的有用功能由系統(tǒng)外的組件替代完成”[14]，提出概念解8：采用機(jī)械手對(duì)無(wú)葉秸稈進(jìn)行夾持，避免因秸稈直徑尺寸不同而產(chǎn)生的夾持不牢固問(wèn)題，提高了夾持裝置的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，同時(shí)爪壁采用橡膠材料，提高了接觸面的摩擦系數(shù)。

3.6.3 應(yīng)用TRIZ進(jìn)化法則求解

TRIZ動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則指出，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化應(yīng)該沿著結(jié)構(gòu)柔性、可移動(dòng)性和可控性增加的方向發(fā)展，以適應(yīng)環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化[10]。

為提高夾持機(jī)構(gòu)的可控性，提出概念解9：通過(guò)安裝紅外感應(yīng)器，利用光線折射原理實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的抓取、移動(dòng)等動(dòng)作的自動(dòng)控制。

為提高夾持機(jī)構(gòu)的可移動(dòng)性，提出概念解10：通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪和齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的前、后直線運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上、下運(yùn)動(dòng)。

3.6.4 夾持機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖13為夾持機(jī)構(gòu)的示意圖。從圖13可以看出，8個(gè)夾持裝置沿機(jī)架的寬度方向并列設(shè)置，各夾持裝置中心線與定位機(jī)構(gòu)輥槽中心線、切割機(jī)構(gòu)輥槽中心線保持一致，以保證秸稈沿機(jī)架長(zhǎng)度方向的位置不發(fā)生偏移。紅外感應(yīng)器檢測(cè)到秸稈從切割機(jī)構(gòu)中移動(dòng)出來(lái)，發(fā)出指令控制機(jī)械手向下伸長(zhǎng)抓取夾持秸稈，繼而在齒輪和齒條的帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，與后續(xù)去穰工序相配合去除秸稈穰。

圖13 夾持機(jī)構(gòu)示意圖Fig.13 Schematic diagram of clampingmechanism

3.7 去穰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

去穰機(jī)構(gòu)的作用是去除秸稈穰，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)秸稈皮穰分離。原型系統(tǒng)中無(wú)單獨(dú)的秸稈去穰機(jī)構(gòu)，本文應(yīng)用TRIZ的功能導(dǎo)向搜索求解可行的工作原理。

3.7.1 應(yīng)用功能導(dǎo)向搜索求解

功能導(dǎo)向搜索（Function-Oriented Search，F(xiàn)OS）的主要思想是以技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能為目標(biāo)，借鑒其它領(lǐng)域功能類似系統(tǒng)的解決方案來(lái)解決問(wèn)題[15]。

①定義關(guān)鍵問(wèn)題：須要將秸稈皮穰進(jìn)行分離，但沒(méi)有適合的工具來(lái)提高分離效率。

②闡述改善功能：提高秸稈皮穰分離效率。

③確定所需參數(shù)：秸稈處理量為2 t/h，秸稈皮穰分離率大于95%。

④泛化功能：分離秸稈皮和穰。

⑤尋找領(lǐng)先領(lǐng)域：西瓜、火龍果等水果在挖取果實(shí)時(shí)需執(zhí)行類似功能，在該領(lǐng)域?qū)εc皮分離是一個(gè)核心問(wèn)題。

⑥篩選合適技術(shù)：最常用的方法是通過(guò)勺狀工具將內(nèi)穰剖出，可利用該方法將秸稈皮穰進(jìn)行分離。

通過(guò)FOS提出概念解11：在刮穰輥上設(shè)置8組刮穰刀具，每組沿圓周均布有6對(duì)刮穰刀片，刮穰刀片通過(guò)螺栓連接在刀座上。每對(duì)刀片同時(shí)對(duì)已被剖切為兩半的秸稈進(jìn)行刮穰作業(yè)。

3.7.2 去穰機(jī)構(gòu)組成及工作原理

圖14為去穰機(jī)構(gòu)的示意圖。當(dāng)秸稈被切割機(jī)構(gòu)剖切后，機(jī)械手將被切成兩半的秸稈送至刮穰機(jī)構(gòu)處，秸稈穰在旋轉(zhuǎn)刀具作用下被刮除，從而實(shí)現(xiàn)秸稈皮與秸稈穰的分離。刮穰刀與刮穰輥采用螺栓連接，以便于拆卸和更換。

圖14 去穰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Schematic diagram of the flesh removingmechanism

3.8 收集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集機(jī)構(gòu)的作用是分類收集秸稈皮、穰、葉。

3.8.1 應(yīng)用TRIZ的金魚(yú)法求解

TRIZ中金魚(yú)法可以將思維慣性帶來(lái)的想法重新定位和思考，有助于將幻想式的解決構(gòu)想轉(zhuǎn)變成切實(shí)可行的構(gòu)想，本文中金魚(yú)法的求解流程如下所示。

①問(wèn)題現(xiàn)實(shí)和幻想是什么？現(xiàn)實(shí)是皮穰不易分類收集；幻想是皮穰能夠自己分類收集。

②幻想部分為什么不能實(shí)現(xiàn)？皮穰分離后處于混合狀態(tài)。

③幻想部分如何變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？皮穰分離后利用重力自動(dòng)落入相應(yīng)的收集機(jī)構(gòu)內(nèi)。

④有哪些可利用的資源？機(jī)架結(jié)構(gòu)、機(jī)械場(chǎng)和重力場(chǎng)。

由物質(zhì)資源“機(jī)架結(jié)構(gòu)”提出概念解12：通過(guò)改變機(jī)架自身結(jié)構(gòu)，設(shè)置能夠收集秸稈皮的裝置，節(jié)約成本。

由能量資源“重力場(chǎng)”提出概念解13：讓實(shí)現(xiàn)分離后的物料在重力作用下自由落體進(jìn)入收集裝置內(nèi)，再通過(guò)刀具旋轉(zhuǎn)，使物料具有一定初速度從分離機(jī)構(gòu)中拋出至下方傾斜板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集物料的目的。

3.8.2 收集機(jī)構(gòu)組成及工作原理

收集機(jī)構(gòu)包括皮、穰、葉的收集裝置。秸稈皮落入夾持機(jī)構(gòu)后下方的傾斜收皮臺(tái)，秸稈穰在旋轉(zhuǎn)刮刀的作用下拋入傾斜的收穰臺(tái)，秸稈葉落入機(jī)架下方后由工人打掃清除，以此實(shí)現(xiàn)秸稈皮、穰、葉的分類收集。

4 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

綜合各概念解創(chuàng)新設(shè)計(jì)的秸稈皮穰分離機(jī)如圖15所示。秸稈通過(guò)喂入臺(tái)在喂入輥的作用下進(jìn)入除葉機(jī)構(gòu)，當(dāng)秸稈截面較大時(shí)，可以通過(guò)推動(dòng)架將其推入機(jī)器內(nèi)；上、下除葉盤(pán)等速反向旋轉(zhuǎn)將葉子撕扯剝離；除葉后的秸稈進(jìn)入定位切割機(jī)構(gòu)，沿著秸稈軸長(zhǎng)方向剖切為兩半；當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)中的紅外感應(yīng)器檢測(cè)到秸稈，發(fā)出指令控制機(jī)械手向下伸長(zhǎng)抓取夾持秸稈并向前移動(dòng)，通過(guò)刮穰機(jī)構(gòu)去除秸稈穰并拋入秸稈穰收集臺(tái)；當(dāng)秸稈移動(dòng)至行程終點(diǎn)，機(jī)械手松開(kāi)秸稈皮將其落入下方的秸稈皮收集臺(tái)。

圖15 秸稈皮穰分離機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Three-dimensional structural diagram of the stalk bark-flesh separationmachine

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)秸稈的高品質(zhì)精細(xì)化利用，本文基于TRIZ理論進(jìn)行秸稈皮穰分離機(jī)的概念設(shè)計(jì)，提出了“去除秸稈葉-切開(kāi)秸稈皮-刮除秸稈穰-分類收集”的加工方式，可在實(shí)現(xiàn)秸稈皮穰分離的同時(shí)，不破壞秸稈皮的力學(xué)性能；采用單株整稈的皮穰葉分離方式，通過(guò)定量分道式喂入，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)除葉、定位、切割、去穰作業(yè)；分別設(shè)置有秸稈皮、穰、葉出料處，可實(shí)現(xiàn)分類收集。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用TRIZ理論，可以輔助設(shè)計(jì)人員尋找新思路、新方法，獲得高質(zhì)量、多層次的創(chuàng)新方案。