TRIZ理論在我國秸稈綜合利用裝備創新設計中的應用現狀

摘" 要：秸稈綜合利用是推進農業和農村綠色發展的重要舉措之一，其對落實鄉村振興戰略有重要意義，而配套裝備的創新設計與研制是實現秸稈規模化和高值化利用的基礎保障。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論是促進自主創新能力的有效工具，該文概述TRIZ理論體系的應用方法及其在秸稈打捆、粉碎和成型裝置與一體機研發方面的實踐，梳理其存在的問題和創新關鍵，旨為秸稈綜合利用裝備的全面升級改進提供參考。

關鍵詞：TRIZ理論；秸稈；裝備；創新方法；綜合利用

Abstract： Comprehensive utilization of straw is one of the important measures to promote the green development of agriculture and rural areas，which is of great significance to the implementation of Rural Revitalization Strategy. The innovative design and development of supporting equipment is the basic guarantee to realize the large-scale and high-value utilization of straw. TRIZ （Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch） theory is an effective tool to promote independent innovation ability. This paper summarizes the application method of TRIZ theory system and its practice in the research and development of straw bundling，crushing and molding devices and all-in-one machines，and analyzes its existing problems and innovation keys， aiming to provide reference for the comprehensive upgrading and improvement of straw comprehensive utilization equipment.

Keywords： TRIZ theory; straw; equipment; innovative methods; comprehensive utilization

秸稈是農業生產的木質纖維素廢棄物，具有產量大、種類多、來源廣和可持續性強等特點，每年可收集資源總量約8.76億t[1]。《中共中央 國務院關于做好2022年全面推進鄉村振興重點工作的意見》中提出推進農業農村綠色發展要支持秸稈綜合利用；《農業農村部辦公廳關于做好2022年農作物秸稈綜合利用工作的通知》也明確，推進農作物秸稈的綜合利用是提升耕地質量、改善農業農村生態環境、加快農業綠色低碳發展的重要舉措。故綜合利用的重點任務是：肥料化提升耕地質量；飼料化減少糧食消耗；能源化助力“雙碳”工作；基質原料化培育富民產業。

我國農業正經歷由傳統農業向現代農業的重要轉型時期，農業裝備發展水平是農業現代化程度和可持續發展水平的主要指標，而創新設計是實現農業裝備現代化最有效的途徑[2]。因此提升農機裝備研發應用水平，強化現代農業基礎支撐，是落實鄉村振興和農業農村現代化的工作要點之一。采用“中國知網”數據庫檢索名稱中含“秸稈”的授權發明專利，通過主題頻次發現秸稈綜合利用裝備創新要素主要聚焦于打捆和粉碎，對理論的創新方法卻鮮有提及。而基于TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論的創新方法對提升我國工業與農業領域的自主創新能力和知識產權保護能力起到了重要推動作用，尤其縮短了農機裝備類產品的研發周期，增加了相關專利申報數量增強了企業創新能力和市場競爭力[3]。為此，本文通過總結TRIZ理論體系在我國秸稈綜合利用裝備創新設計方面的應用，旨為相關裝備的創新升級提供有效途徑。

1" TRIZ理論體系與應用方法

由科學家Genrikh SaulovichAltshuller帶領研究團隊構建的TRIZ理論體系，總結了前人解決技術性難題過程中所遵循的科學原理和法則，形成一系列基于創新性思維的方法和方案，創造性解決新產品開發過程中的實際問題[4]。TRIZ理論及方法廣泛應用于我國工程技術領域，有效促進了農業裝備的創新設計[2]，并逐漸延伸至服務創新、知識創新等非工程技術領域[5]。

TRIZ理論的應用通常包括4個步驟（圖1）：①問題描述，即闡明對象系統的功能、組成及主要技術參數，提出存在的問題與解決目標；②問題分析，即通過因果鏈分析、系統功能分析、理想解IFR（Ideal Final Result）、九屏圖法和資源分析等對問題進行定義；③問題求解，基于矛盾分析、物-場分析、創造性方法（STC算子、小人法和金魚法）、科學效應庫和技術系統進化法則等提出解決問題的概念方案；④方案評價與驗證，即從經濟性、可實施性和先進性等多方面評價所提方案，確定適宜方案及其組合[2，6]。

2" 基于TRIZ理論的秸稈打捆裝備創新研發

目前在秸稈回收的典型方法中，打捆收獲法因勞動生產率高、損失率小且投入成本低等特點更易推廣應用[7]。其中，圓捆打捆機價格適中，可與包膜機配套使用，在小型農場秸稈收割中廣泛使用；而方捆打捆機的秸稈捆密度高，可連續作業，用于大中型農場收割[8]。打捆機研發主要集中在撿拾裝置、喂入系統、打捆室和捆繩纏網機構等方面的改進與應用[7]。而基于TRIZ理論的秸稈打捆裝備研發主要涉及喂入系統、打結器、卷捆機構、壓捆室和一體機等的創新設計（表1）。

針對秸稈喂入稀松導致方捆形狀不規則的問題，可構建方捆機工作的功能模型。羅金海等[9]基于三軸分析法挖掘秸稈喂入不足的根本原因，采用技術進化理論、物-場模型、時間分離原理和功能剪裁形成4種解題方案，經分析評價后獲得最優方案，即在輸送腔中增加擋爪機構產生秸稈預壓縮區域。此外，預壓縮區的設計也可提高圓捆機的工作效率。圓捆機完成卷捆后需要停車來繼續捆網和吐捆動作，間斷作業導致燃油消耗增加和工作效率降低。以結合系統功能分析和因果分析明確解決問題為著力點，孫文婷等[10]基于物理矛盾理論提出在喂入機構后方增設帶式預壓縮區的解決方案。而預壓縮區亦可衍變成預捆室，基于物-場理論構建雙捆室機構。雙捆室的設計有效解決了圓捆機連續作業過程中捆繩與物料纏繞的問題，不僅提升了圓捆效率和規則率，還避免了家畜誤食捆繩的危險[10-11]。馬賽等[11]在功能分析、因果分析、資源分析和最終理想解描述的基礎之上，基于物理矛盾解決的分離原則（空間分離）和物-場理論的發明問題標準解法（消除有害作用），提出構建雙成捆室的最優方案，表明實現不同直徑的圓捆作業也是成捆室創新設計的重要方向。韓錳等[12]通過功能分析和因果軸分析明確了成捆室直徑不可變的2個原因，并分別通過技術矛盾分析和物-場模型分析獲得解決方案，創新設計可變室成捆室。

秸稈在成捆過程中，捆料直徑不斷增加，倉室壓力隨之增大易導致倉室閉合不緊，捆料密度降低，成捆效果差。為此趙小娟等[13]結合技術矛盾分析（預先作用）和物理矛盾分析（時間分離），選擇設計加裝單向電磁閥，通過液壓壓力的單向調節保證倉室完整閉合，使捆料密度提高了35%。稻稈形成圓捆主要依靠成捆室的鋼錕旋轉，若無法及時成卷，易發生堵塞（纏輥），主要原因是：草芯與卷捆室側壁間摩擦阻力較大，但鋼輥對草芯的摩擦動力不足。基于物-場模型理論，李葉龍[14]提出針對性解決方案，其一是改變原有物質去除有害效應，即采用旋轉圓盤代替單側卷捆室側壁，以消減草芯兩端與卷捆室兩側的摩擦力；其二是強化原場提高效應，即改進鋼輥以增加其對草芯的摩擦力。打結器架體作為撿拾壓捆機的核心部件，其易損壞且維修更換難度大。馬賽等[15]通過因果分析和功能分析，基于物-場分析和技術矛盾分析形成解決方案，在打結器架體的各軸孔內均鑲嵌一個具有較高抗壓性、散熱性、抗蠕變力和摩擦性能的工程塑料自潤滑軸套，彌補原有系統潤滑作用不足的缺點，降低打結器的損壞頻率至平均11.5萬捆/個。

除單一構件和系統外，TRIZ創新理論還能有效指導整機的設計優化。阿斯嘎等[16]利用TRIZ理論的分離方法原理和組合方法原理設計圓捆纏膜一體機，其采用獨立的液壓系統和電子控制系統，使圓捆成形和纏膜實現組合和分離作業。同時，采用“預先作用法”設計撿拾喂入器的反轉棘輪，解決秸稈喂入堵塞的問題。基于九屏圖法分析，應用重力傳感器提升捆料密度監測的準確度[16]。王建強[17]通過矛盾分析，利用4個發明原理創新了青貯裝備整機布局的生態設計，并改進了打捆裝置關鍵部件，顯著提升了作業性能和效率。

3" 基于TRIZ理論的秸稈粉碎與成型裝備創新研發

粉碎是秸稈綜合利用過程中不可或缺的關鍵環節，我國秸稈粉碎設備在能耗、成本、工作穩定性、操作適宜性和使用壽命等方面還有待改進[26]，尤其是缺少規模化和超細化的粉碎設備[27]。秸稈收獲過程可能因切割不暢導致喂入堵塞以及收獲效率低的問題，傳統的切碎滾筒通過機械結構反轉解決堵塞，但其操作繁瑣、耗時且安全性差。華榮江等[18]采用IFR、九屏圖、技術矛盾和物-場模型等分析上述問題的解決方案，創新改進了滾筒的切碎工藝以及主動盤的結構與控制系統。祝志芳等[19]通過技術矛盾分析，將稻稈粉碎機分為2個模塊，分別創新設計“曲軸同步進給機構”和“彈性斬切機構”，解決了“纏軸鉸刀”的問題。為了提高秸稈微粉碎效率、降低粉碎粒度，付敏等[6]應用TRIZ理論指導秸稈微粉碎機的概率設計：基于功能分析和科學效應確定微粉碎方法（沖擊式），通過因果鏈分析、九屏圖法、理想解IFR、系統功能分析、矛盾分析、功能裁剪和資源分析等TRIZ工具對粉碎機構、分級機構和入料機構進行創新設計。李銳[20]采用創新設計模型，針對粉碎部件和成型部件開展一體機的改進設計。利用系統外資源，采用立式粉碎結構，省去傳統粉碎機中的吸風裝置，節省了能耗并簡化了裝備。通過矛盾分析和物-場模型分析系統改造了分級粉碎室結構與內部構件，一級粉碎室采用360°環齒板增加摩擦撕裂效果，二級粉碎室配備異形環篩網、刮刀和改進型L錘片等提高粉碎和過篩效率。而對于成型部件，在輥輪的外圓上設計同步齒形帶式梯形齒改善成型效果，利用碟形彈簧實現壓輪軸與旋轉主軸的柔性連接，采用耐磨材料制造輥輪外圓與輪芯的模孔套以降低平模的磨損。

秸稈經過不同程度粉碎后，通過機械加壓可以制成顆粒飼料、成型燃料和人造板等產品以提高經濟效益。張妍等[21]針對立式環模成型設備生產率低和能耗高的問題開展創新設計，通過IFR和資源分析確定設備的系統矛盾和需解決的工程參數，根據資源和沖突現狀選擇和組合發明原理：將成型室中的模塊設計成獨立、可拆卸的分體式；對模塊和壓輥表面進行混合粉末噴涂以提高耐磨強度；將模塊改進為非對稱形式，定位孔中心線與環模孔中心線偏差4.3°；用雙層模塊替代單層模塊以提高生產效率；將三相異步電動機配備變頻調頻器，以便調節轉速且節省能耗。張水[22]通過功能導向搜索和科學效應庫分析發現，代表性秸稈壓塊成型設備中環模壓輥成型機生產效率高、產量大且壓塊密度均勻，故而選擇該類設備作為新產品設計的原型系統。結合功能分析、物-場模型和矛盾分析，采用擴展-裁剪、特性轉移、結構屬性改變和參數屬性改變，共獲得23個概念解，經評價與綜合形成雙層輥模咬合式擠壓的新型秸稈壓塊成型機概念設計方案，并驗證了模型的有效性。此外，由于環模壓輥式成型機還存在可靠性差、輥模磨損嚴重、原料適應能力差等問題，劉威[23]采用技術矛盾的39個通用工程參數及矛盾矩陣，將壓輥和環模盤改為行星輪式的具有咬合功能的輥模，同時采用耐磨材料制造壓輥表層，可減小與秸稈散粒的摩擦面積并增大擠壓壓強。基于此，進一步通過技術系統進化法則，增加智能化（可調節式遠程指令操作）、柔性化（適應環境狀況）和功能化（靜電場）的設計元素，付敏等[24]基于技術系統進化及物場變換構建了流程化的功能裁剪設計模型，將該模型應用于秸稈燃料成型機改進，創新性地設計了一種立式雙孔輥模咬合式成型機，驗證了設計模型的可行性和有效性。

4" 結束語

秸稈處理裝備的研發、生產與應用是促進秸稈資源綜合利用的重要驅動，目前尚存在諸多難題。例如，通用設備的作業效果差，改進或專業的加工機械應用范圍小、效益低、推廣難，自動化和智能化程度亦相對不足。一些零部件和先進技術依賴進口，導致制造成本較高，尤其是規模化裝備的售價往往超出了農戶或合作社的購買力。TRIZ理論是快速提升自主創新能力的有效工具，其在多個行業領域得到長期的應用實踐和檢驗。然而，該理論在我國農業裝備創新設計領域的應用尚處于初級階段，存在的問題包括[2]：創新設計理論和方法的融合有所欠缺；支撐創新設計的基礎數據庫尚未建立；產品創新概念設計成果不易推廣和應用；對TRIZ基礎理論及工具運用的教育培訓相對不足。當前，TRIZ理論在我國秸稈綜合利用裝備創新領域的應用局限于“打捆”“粉碎”和“成型”3個方面，涉及的裝備種類、人員隊伍和方法模型都有待于進一步擴充。且在相關技術領域，尤其應聚焦：智能化監控技術的融合；不停機連續作業技術的設計；較高適應性、柔性和精準性技術的突破，以期為秸稈綜合利用裝備的全面升級改進提供理論與方法支撐。

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基金項目：國家創新方法工作專項課題（2020IM020904）

第一作者簡介：趙瑞芳（1998-），女，碩士研究生。研究方向為食品營養。

通信作者：易陽（1986-），男，博士，教授。研究方向為果蔬加工與營養。