基于TRIZ理論的沙柳植苗機創新設計

彭文凱，孫亮波，劉正成，陳越，秦鴻程，劉婷婷

基于TRIZ理論的沙柳植苗機創新設計

彭文凱，孫亮波*，劉正成，陳越，秦鴻程，劉婷婷

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048）

針對現有沙漠植苗設備功能相對單一、易受環境限制、全流程機械化程度不高等問題，基于TRIZ矛盾沖突理論和物－場模型分析，創新設計了一款沙柳植苗機。根據沖突解決原理分析，解決系統中矛盾沖突，對分苗模塊進行創新設計，并研究讓位鉆孔和插苗過程的“物－場模型”，確定了集電機橫向讓位、縱向鉆孔和磁吸變位的具體設計方式，使沙柳植苗機實現全流程機械化、效率與成本兼顧。該沙柳植苗機整體結構緊湊小巧、功能全面、可適應性強、機械化程度較高，具有有很好的市場推廣價值。

TRIZ；沙柳植苗機；矛盾矩陣；物－場模型

近年來，隨著國家對防沙治沙的投入持續加大，生態文明建設不斷深入，對荒漠化治理科技創新提出更高的要求，傳統的沙漠治理向機械化、智能化、集成化方向發展[1]。目前固沙造林環節的機械化水平還很低，因近年來勞動力成本的不斷提高，在無形之中增加了防風治沙的成本，造成單位資金投入的可治理面積在不斷減少。機械化固沙不僅能保證良好的治沙效果，還能提高防治效率，加速荒漠化治理的進程。因此，著力提高固沙造林的機械化水平成為當下防沙治沙的迫切需要[2-6]。

沙柳生長迅速，枝葉茂密，根系繁大，涵養沙地水分，固沙保土力強。沙柳作為北方防風沙的主力，是“三北防護林”的首選之一，是中國沙荒地區造林面積最大的樹種之一。同時沙柳可造紙、可做牲畜飼料，利用價值高。沙柳具有優良的燃燒性能，可發展成每三至六年砍一次的綠色沙煤田。因此，沙柳種植前景非常好，其引發的沙產業成為如今新一輪的經濟增長點。固沙苗木的種植是防風固沙過程的重要組成部分，沙柳植苗機是進行固沙植物沙柳分苗和種植的重要設備。

目前現有的沙漠植苗方式主要有常壓水槍種植、螺旋鉆孔種植、沙漠植樹機器人，如圖1所示，存在功能相對單一、易受到環境限制、全流程機械化程度不高等問題。針對目前防風治沙機械化存在的問題，徐先英等[7]通過省去開坑工序，解決流沙地灌木栽植過程中苗木窩根嚴重的問題；魏林源等[8]發明的沙地植物扦插栽植裝置，讓使用者更加省力地進行操作，同時延長鉆頭的使用壽命；上述兩種研究一定程度上提高了機械化程度，但并未解決全環節的機械化工作。劉晉浩等[9]發明的多功能立體固沙車，能實現全流程的固沙工作，但體積大，難以適應復雜多變的沙漠微地形，昂貴的價格也限制其推廣應用。

圖1 現有沙漠植苗方式

針對以上問題，為提高林業機械化水平，以沙柳植苗機為主要研究對象，以TRIZ理論中的矛盾分析法和物質－場分析法為基礎，對沙柳植苗機進行創新設計，增加機器的功能多樣性、提高機器的效率與實用性，使防風固沙過程更加高效快速。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是由根里奇·阿奇舒勒（Genrich S. Altshuller）和他的研究團隊通過分析大量專利和創新案例于1946年開始創立。TRIZ的主要內容包括：沖突矩陣、ARIZ（發明問題解決算法）、技術系統演變的8個模式、40條發明原理、39個技術參數、76個發明性問題的標準解決方案和工程知識庫等。TRIZ問題求解的一般模式，如圖2所示[10-12]。根據所需要解決的問題的特點，選擇合適的TRIZ理論進行分析。常用的分析工具包括沖突矩陣和物質－場分析模型等[13-14]。

圖2 TRIZ問題求解模式

2 依據TRIZ理論的方案設計

2.1 分苗模塊設計

沙柳在種植過程中，為保證沙柳苗的存活率，需要同時將兩根苗木一起插入鉆好的孔洞中。由于苗木在分苗箱中堆積，在分苗工作中，需要保證一次分取兩根苗木，采用單次抓取一根苗木或正向撥輪等方法，會導致分苗速率降低，同時無法保證分苗的準確性。為解決這一矛盾，采用TRIZ矛盾沖突理論，改善的是分苗數目的準確性，惡化的是能量損失。將改善因素和惡化因素轉變成TRIZ矛盾矩陣中的通用參數，得到改善參數為適應性、通用性，惡化參數為能量損失。查詢TRIZ矛盾矩陣，得到三種發明原理：18（機械振動）、15（動態特性）、1（分割）。通過分析三種發明原理，選取發明原理15（動態特性），根據原理說明“使不動的物體可動或可適應”得到解決方案為：利用撥苗輪在撥苗輪驅動機構的作用下相對于苗木重力落下方向逆向轉動，利用撥苗輪的轉動即可將分苗箱中的待植苗木分為單列，推出后通過出苗口依次輸出，無需人工作業參與分苗，可快速高效的完成分苗工作。

2.2 讓位鉆孔模塊設計

沙柳植苗機底部設有一個鉆頭口，由鉆孔裝置控制鉆頭進行苗木種植孔的鉆孔作業。傳統鉆孔裝置需要用絲桿帶動鉆頭電機移動，但絲桿驅動的鉆頭電機只能進行單方向移動，由于種植苗木長度在1.20 m左右，為使得苗木能夠豎直插入苗木種植孔，需要在插苗時使鉆頭避開苗木種植孔正上方區域，如果采用傳統的單方向避讓，會導致絲桿所需長度超過2.4 m，且需為絲桿等驅動結構留足大量無遮擋空間，會浪費額外空間，促使沙柳植苗機整體體積擴大。依據TRIZ物－場模型分析方法，建立鉆頭讓位的物－場模型，如圖3（a）所示，該物－場模型為非有效完整模型。

根據物－場模型分析的76種標準解，分析選擇第二類標準解中的“2.2.4使系統更具柔性和適應性”來改善該物場模型。將絲杠對鉆頭電機的移動機械控制改為S5“讓位鉆孔機構”及F4“力場”控制，使鉆頭電機有更好的避讓位置、占用更少的空間，如圖3（b）所示，該物場模型為有效完整模型。

圖3 讓位鉆孔模塊物－場分析模型

2.3 插苗模塊設計

插苗作業過程中，插苗模塊需要與鉆孔模塊進行相互的避讓，保證鉆孔和插苗的落點在空間處于同位置。由于讓位鉆孔模塊的驅動部分在空間上占用一定空間，插苗模塊將分苗結構分出的沙柳苗由水平轉為豎直后，并不能直接使其位于所鉆孔洞正上方。依據TRIZ物－場模型分析方法，建立沙柳苗在插苗模塊轉移的物－場模型，如圖4（a）所示，該物－場模型為不完整模型。

根據物場模型分析的76種標準解，分析選擇第一類標準解中的“1.1.1補全不完整物場”，在沙柳苗與種植孔之間增加S8“磁吸變位結構”作為連接，使沙柳苗能順利地移動到種植孔正上方，隨后落入種植孔中。如圖4（b）所示，該物場模型為有效完整模型。

圖4 插苗模塊物場分析模型

3 沙柳植苗機具體方案設計

3.1 分苗模塊的設計

分苗模塊實現從苗箱中一個周期運動分出兩根沙柳苗的功能。分苗模塊主要由電機、傳動軸、同步帶輪、同步帶、導軌滑塊等組成，如圖5所示。

具體功能實現描述如下：苗箱中的苗在重力作用下向下滾動至第一通道板和第二通道板形成的豎直方向的落苗通道中，該通道僅能存儲單列沙柳苗，苗繼續下落至落苗板上時，苗箱底部推動鈑金會向前推動單根苗沿落苗板滾落至下一模塊。電機通過與其連接的聯軸器帶動第一傳動軸同步轉動，使軸上撥苗輪轉動，防止苗在進入落苗通道時卡死。同時，同步帶輪與第一傳動軸同步轉動，同步帶輪3、8、14、20及同步帶4、21組成一組二級減速裝置，最終動力由同步帶輪8經二級減速傳遞至第三傳動軸，第三傳動軸另一端與曲柄同步轉動，曲柄、連桿、滑塊模組共同組成曲柄滑塊機構，曲柄滑塊機構將曲柄的旋轉運動轉化成滑塊模組的水平往復運動，推動鈑金固接在滑塊模組上，推動鈑金做水平往復運動，兩次向前推動單根沙柳苗為一個周期，從而實現將兩根苗推至下一模塊的功能。

傳動系統為二級減速帶輪傳動，第一階段帶輪減速的傳動比為1＝2:1，第二階段帶輪傳動比為2＝3:1，則總傳動比為總＝1×2＝6。

3.2 讓位鉆孔模塊的設計

讓位鉆孔模塊由鉆桿、鉆桿旋轉驅動機構和鉆桿讓位升降驅動機構組成，如圖6所示。

1.絲桿滑臺電機；2.絲桿；3.絲桿滑塊；4.承軌鈑金；5.滑軌；6.滑塊；7.電機變位鈑金；8.限位滾動輪；9.變位導軌；10.鉆頭電機；11.鉆頭。

鉆桿的讓位由鉆桿讓位升降驅動機構實現，鉆桿旋轉驅動機構安裝在滑動安裝座上。絲桿滑臺電機轉動帶動絲桿轉動，從而驅動絲桿滑塊向下運動，絲桿滑塊與承軌鈑金固定連接同步運動。電機變位鈑金通過限位滾動輪與變位導軌連接，絲桿滑臺通過滑軌、滑塊對電機變位鈑金產生向下方向作用力，同時由于限位滾動輪（圖7）與變位導軌的作用，使得對電機變位鈑金產生橫向作用力，從而驅使滑塊、電機變位鈑金、限位滾動輪、鉆頭電機整體沿變位導軌進行變位。當限位滾動輪在變位導軌弧形軌道部分時，實現橫向變位以及部分縱向變位，當限位滾動輪在變位導軌的直型軌道部分時實現縱向變位，即實現鉆孔所需的豎直向下作用力。限位滾動輪運行至變位導軌的直型軌道部分時，鉆頭電機驅動鉆頭轉動，同時鉆頭由承軌鈑金和鉆頭電機帶動沿豎直方向運動，實現鉆孔功能。鉆孔結束后，電機轉動帶動絲桿轉動，從而驅動絲桿滑塊向上運動，從而實現鉆孔模塊回到初始位置。

1.銷軸；2.銷軸座蓋；3.銷軸座；4.固定滾動輪；5.擺動滾動輪。

由于鉆孔模塊采用倒L型變位導軌進行變位，相比于傳統鉆孔裝置絲桿豎直方向上進行讓位，有效地縮短了絲桿運行長度以及縮小空間占用率。

根據對沙柳苗尺寸的調查，大部分種植的沙柳苗長度在1000～1300 mm范圍內，直徑在15～35 mm范圍內，為保證存活率，需要將兩根沙柳苗插入同一種植孔。

設計讓位鉆孔模塊尺寸為：底盤距地面高度＝200 mm，沙柳苗長度1＝1200 mm、直徑1＝30 mm，所需鉆孔深度＝1000 mm、直為2＝60～80 mm，故所用鉆頭的長度2＝1200 mm、直徑3＝70 mm。倒L型變位導軌豎直部分長度＝1300 mm，彎曲部分為橢圓軌道的1/4，其長軸＝700 mm、短軸＝200 mm。

傳統豎直方向進行讓位時，為避免插苗機構豎直插入與鉆頭干涉，預留＝100 mm的間隔，求得所需絲桿長度為：

而采用倒L型變位導軌，絲桿所需長度為：

則可計算相對于倒L型變位導軌設計鉆孔模塊的減小高度以及對沙柳植苗機整體體積的縮小率，為：

3.3 插苗模塊的設計

插苗模塊由落苗機構、接苗架驅動機構、磁吸變位機構組成，其中接苗架驅動機構包括接苗架、接苗架轉動機構和接苗架平動機構，如圖8所示。

1.電動推桿支架；2.接苗底板；3.接苗架；4.沙柳苗；5.電磁鐵一；6.電磁鐵吸片；7.落苗架；8.電磁鐵三；9.落苗板；10.字母螺栓；11.絲杠滑臺模組；12.電磁鐵二；16.電動推桿.

當沙柳苗從分苗模塊出來時，沙柳苗會先落到接苗架上。當接苗架上由分苗模塊分出兩根沙柳苗后插苗模塊開始工作。通過接苗底板上通電的電磁鐵一，接苗架固定在接苗底板上。進行插苗作業時，電動推桿推動接苗底板由水平狀態變位直立狀態，接苗架隨之一起到達直立狀態。同時，接苗架末端的電磁鐵吸片與落苗架上的電磁鐵二吸住。之后，落苗架上的電磁鐵二通電，接苗架被吸住。再之后，接苗底板上的電磁鐵失電。由此完成接苗架與接苗架底板的脫離，與落苗架的對接，此時接苗底板一直保持直立狀態。之后，落苗架底部的絲杠滑臺模組驅動落苗架向前移動，到插苗位置后停止。接著，落苗架末端的電磁鐵三失電松開，落苗架底部的落苗板分開，沙柳苗落下。沙柳苗落下后，電磁鐵三得電，落苗板閉合。絲杠滑臺模組驅動落苗架向后移動，當接苗架與接苗底板的電磁鐵一接觸之后，電磁鐵一通電，接苗底板與接苗架銜接，再之后，落苗架上的電磁鐵二失電斷開。最后，電動推桿帶動夾苗底板由直立狀態回到水平狀態，為下一次的接苗作業做準備。

4 總體方案設計

依據上述設計方案，利用SolidWorks建立沙柳植苗機的三維模型如圖9所示，利用模型試驗設計方法，依據初步設計制成小尺寸樣機，經實驗對各方面特性進行檢驗，根據實驗結果進一步完善設計，最終各方面均達到預期效果。沙柳植苗機三維模型實物圖，如圖10所示。

沙柳植苗機通過分苗模塊、讓位鉆孔模塊和插苗模塊實現機械化連續植苗作業。分苗作業時，只需將待植苗木預先放置在分苗箱中，啟動撥苗輪驅動機構，即可將分苗箱中的待植苗木通過出苗口依次水平輸出至插苗模塊，無需人工作業參與分苗，可快速高效的完成分苗工作；鉆孔作業時，通過讓位鉆孔模塊實現鉆頭的橫向讓位和縱向鉆孔，將旋轉運動和升降運動的疊加，有效的縮小整機空間，同時方便快速地完成鉆孔作業；插苗作業時，插苗模塊將水平苗木轉為豎直并移動至種植孔正上方，之后進行落苗，從而完成插苗作業。

圖9 沙柳植苗機三維模型渲染圖

圖10 沙柳植苗機三維模型實物圖

5 結論

以TRIZ理論為基礎，研究了沙柳植苗機機的功能模式并對其進行創新設計：

（1）利用矛盾沖突矩陣，分析現有沙柳植苗機分苗模塊中所存在的問題，并利用發明原理解決主要矛盾，對機器進行創新設計；

（2）采用物－場分析模型進行設計方案具體化，對讓位鉆孔模塊、插苗模塊進行詳細分析，解決了沙柳植苗機在植苗過程中鉆頭的讓位和沙柳苗種植的問題；

（3）創新設計一款整體結構緊湊小巧、功能全面、可適應性強、機械化程度較高的沙柳植苗機，具有很好的實用價值和市場推廣價值。

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A TRIZ Based Innovative Design of Salix Seedling Planter

PENG Wenkai，SUN Liangbo，LIU Zhengcheng，CHEN Yue，QIN Hongcheng，LIU Tingting

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at solving the problems of the existing desert seedling planter, such as relatively simple function, vulnerable to environmental constraints, and low mechanization of the whole process, a Salix seedling planter was innovatively designed based on TRIZ conflict theory and matter-field model analysis. According to the analysis of conflict resolution principle, the conflict in the system was solved, the seedling separation module was innovatively designed, and the matter-field model of abdicating drilling and seedling transplanting process was studied. The specific design mode of motor horizontal abdicating, vertical drilling and magnetic displacement was determined, which made the Salix seedling planter realize mechanization of the whole process and the powerful function considering both efficiency and cost. The Salix seedling planter has the advantages of compact structure, comprehensive functions, high degree of mechanization and strong expansibility. It shows good market value of the planter.

TRIZ；salix seedling planter；contradiction matrix；matter-field model；innovative design

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.008

1006-0316 (2022) 10-0051-07

2022-02-23

國家自然科學基金（51875418）

彭文凱（2001－），男，湖北天門人，主要研究方向為機械設計制造及其自動化，E-mail：482917590@qq.com。

孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，教授，主要研究方向為機械設計及理論、機械創新設計、機構學，E-mail：4117449@qq.com。