基于TRIZ 理論的可拆卸微耕機設計與研制

郭建永，李海源，朱梓瑩

（1 肇慶學院 肇慶經濟社會與歷史文化研究院，526061，廣東肇慶；2 肇慶學院 機械與汽車工程學院，526061，廣東肇慶；3 廣寧縣木格農業機械有限公司，526348，廣東肇慶）

目前，我國山區林地的農業機械化水平普遍較低。隨著近年來國家對山區農業發展政策的不斷完善，國家大力扶持和發展農村經濟，調整農村農業生產結構，以提高農業機械化水平，大力發展生產力[1]。

微耕機一般使用在茶園管理、旱田與水田耕作、梯田與林地開墾等場合，具有動力旋轉部件，帶或不帶主傳動機構，通常用于碎土作業，一般的操作方式是由使用者在后面掌控著扶手進行作業[2]。由于山區林地的地形環境復雜多變，常常會出現小山坡及碎石臺階等路況，加上微耕機工作環境惡劣，動力系統工作震動幅度較大，一旦出現故障，維修運輸過程十分不便，因此研究出一款動力系統與機架可分離的微耕機，對提高農業機械化水平有著重要的意義。

1 TRIZ 理論應用

用戶需求是產品創新的驅動力，產品創新的本質是根據一定用戶的需求對產品進行改進，具備某些指定功能的解決方案是整個設計的核心，創新設計出來的產品則是以載體的形式呈現出來[3]。

1.1 技術矛盾

技術矛盾是指一個作用同時產生有用及有害兩種效應，也可指有用效應的引入或有害效應的消除導致一個或幾個子系統變壞。技術矛盾常表現為一個系統中兩個子系統之間的矛盾，而且總是涉及到兩個基本參數：當其中一個得到改進時，另一個變得更差[4]。

任何一臺機器的發展，都會以功能的增加為目標，但功能的增加也意味著產品會發展得越來越復雜，所以需要改善的技術參數為“裝置復雜程度（編號36）”，但裝置復雜程度的改善會造成產品的物質數量增加，造成制造成本的增加。在經濟不發達的貧困山區，制造一臺機器的成本要盡可能的低，才可以進行推廣，此時對應惡化的技術參數為 “物質或事物的數量（編號26）”。由于系統的復雜程度增加，在機器發生故障時，產品的可維修性就會降低，需要花費較多的時間與精力進行故障排查，此時對應惡化的技術參數為“可維修性（編號34）”。通過查閱TRIZ 理論中的技術沖突矩陣表，節選出有關內容，如表1 所示。

表1 TRIZ 理論技術沖突矩陣（節選）

通過查閱技術沖突矩陣表，可以得出本案例可能用到的發明原理分別為1 分割、3 局部質量、10 預先作用、13 反向作用、27 廉價替代品。通過分析得出，微耕機主要工作部分由動力系統和執行系統組成，應用發明原理“1 分割”“3 局部質量”“27 廉價替代品”可以得到方案1：將動力系統與執行系統分割；提高動力系統的制造精度；為了控制機器的制造成本，執行系統的刀具材料可以由造價不是很高的材料替代。

1.2 物理矛盾

當一個技術系統的工程參數具有相反的需求時，就出現了物理矛盾。比如說，要求系統的某個參數既要出現又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等。相對于技術矛盾，物理矛盾是一種更尖銳的矛盾，創新中需要加以解決[4]。

微耕機形狀的大小直接影響著工作效率，微耕機越大，工作效率越高；但由于山區道路的不平整，為了方便運輸，尤其是在機器發生故障時，微耕機形狀的增大將大大增加運輸時的難度。通過思考，應用TRIZ 理論中的條件分離原理，解決了該問題。由于微耕機結構簡單，故障一般發生在動力系統，即發動機部分。假如通過某種機械連接，使微耕機在發生故障時，動力系統可以輕松拆除，農民可以直接將動力系統帶到指定單位進行維修或更換，可以大大降低運輸難度，此方案為方案2。

1.3 九屏圖分析

TRIZ 理論的核心思想之一是任何技術系統都是按照一定的客觀規律前進的，在九屏圖分析工具中也得到了體現。基于技術系統進化的九屏圖是把當前系統、當前系統的子系統、當前系統的超系統分別對應的現在、過去和未來，通過一定的邏輯關系聯系起來的分析工具，主要用于系統宏觀層面的分析，尋找資源解決問題和開展產品技術預測。

九屏圖的目的是尋找資源，分析清楚系統的構成與環境。首先，從技術系統本身出發，考慮可用資源；其次，考慮技術系統的子系統、超系統中的資源；再次，考慮系統的過去和未來，從中尋找可利用的資源；最后，考慮超系統和子系統的過去和未來。

本案例九屏圖分析如圖1 所示。當前系統為微耕機；當前系統的過去為犁，主要是由牛、馬等牲畜進行牽引；當前系統的將來可能會發展出多功能機型，此為方案3；當前系統的子系統為刀具，刀具直接與土壤接觸，達到破土、平土的效果，子系統的將來，可能會發展成通過沖擊場、振動波等方式來整地，此為方案4；當前系統的超系統為燃料，主要為汽油或柴油，汽油和柴油都是通過石油加工而來，所以超系統的過去為石油，為了響應國家碳達峰碳中和的號召，將來的微耕機燃料可能會使用無污染的新能源燃料，此為方案5。經在網上查閱，南京農業大學的張超博士曾開展了相關研究，以太陽能為能源給微耕機提供動力[5]。

圖1 微耕機系統九屏圖分析

1.4 物場分析

物場分析是原蘇聯學者阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）首創的一種創造方法，是通過分析技術系統內部構成要素之間的相關關系、相關作用而導致技術創造的一種方法。所謂物場，是指物質和物質之間相互作用與相互影響的一種聯系，就科學領域來說，溫度場、機械場、聲場、引力場、磁場、電場等，都是物場的具體存在形式。

微耕機與土壤之間是通過刀具的運動導致土壤的破碎，從而達到整地的效果。但實際生產中發現，土壤易黏附在刀具上，進而增加微耕機工作時的阻力，造成無用能耗的增加。如果在土壤與刀具之間增加一個場，既不破壞原來存在的場，又能解決土壤黏附的問題，則為一個可行的方案。物場分析原理圖如圖2 所示。

圖2 物場分析原理圖

通過分析，場2 可以選用機械場，通過震動的方式將刀具上的泥土甩掉，此為方案6。

2 方案對比與分析

在應用TRIZ 理論分析和思考過程中，會產生大量的方案，但并不是所有的方案都能在實際生產中實現，所以，在應用TRIZ 理論思考問題后，需要對所有方案進行評價與分析。通過應用TRIZ 理論，共得到6種初步方案，如表2 所示。

表2 方案整理

方案3、方案4 與方案5 是采用了九屏圖分析工具，分別對應當前系統、超系統與子系統的未來發展可能，適用于長期的研發攻堅，不適用于解決需要緊迫解決的問題；方案1 雖然可以在一定程度上降低生產成本，但控制幅度有限，此方案意義不大；方案6 同樣可以在一定程度上降低能耗，但節省的能耗不大，此方案同樣意義不大；方案2 可以切實解決山區運輸不方便的問題，可將微耕機改造后進行生產。

通過肇慶學院與廣寧縣木格農業機械有限公司的合作，廣寧縣木格農業機械有限公司生產的動力系統可拆卸微耕機已投入生產，該產品受到廣大農民朋友的一致好評。

3 結語

本文通過應用TRIZ 理論中的技術矛盾、物理矛盾、九屏圖分析及物場分析，共分析出6 種微耕機創新設計方案。經過對6 種方案的對比分析，由物理矛盾工具及條件分離原理得出的方案切實可行。此方案經過與廣寧縣木格農業機械有限公司合作，動力系統可拆卸式微耕機已投入生產并進行推廣，受到廣大農民的一致好評。