基于TRIZ理論的微耕機設計研究

摘 要：我國西南地區受丘陵山區地形制約，本地農業機械化水平低，引進的農機裝備及技術大多存在“水土不服”問題，無法適應本地的作業需求，導致針對本地種植需求的農機產品的缺失。本文聚焦我國西南地區農民的機械化作業需求，基于TRIZ創新設計理論，結合人機工程學、仿生學等多學科理論，研究設計基于TRIZ理論的微耕機，為適合丘陵山區的微耕機設計提供可行方向。

關鍵詞：TRIZ理論；微耕機；仿生學

一、背景及意義

微耕機指以小型柴油機或汽油機為動力、功率不大于7.5千瓦的微型耕耘機械。微耕機具有輕便靈活，易于推廣普及，適用于地形崎嶇、地塊分散土地的優點[1]。我國西南地區為丘陵山脈地區，地形崎嶇，垂直氣候差異較大。受丘陵山區制約，我國西南地區農機化薄弱環節和短板十分明顯，表現為“三多三少”：小馬力機具多，大馬力機具少；低端機具較多，高品質機具較少；單一作業環節的機具較多，集成配套的農機裝備較少[2]。設計符合丘陵地區實際環境的微耕機，能促進該地區的農業機械化，提高勞動效率，解決勞動力不足問題[3]。

二、TRIZ理論研究方法

現代TRIZ理論通過問題識別、問題解決、概念驗證三個步驟解決工程系統問題[4]。本研究經過線下調研，得到初步調研方向，在問題識別階段使用功能分析模型、因果鏈分析和裁剪三個工具，確定待解決的問題。在問題解決階段將使用功能導向搜索、技術矛盾兩個工具，提出相應的解決方案。最后，整合多個小的解決方案，提出最終的設計方案。

三、 問題識別與解決

（一） 問題描述

經過線下調研，走訪云南省馬龍市的微耕機銷售網點、農機合作社采訪了農業局、農機推廣站、微耕機銷售人員、拖拉機手等專業從業人員，經整理得到以下結論：

（1）維護。旋耕刀作業時易纏繞雜草、地膜等雜物，土壤結塊也容易附著在旋耕刀頭上。現有微耕機每次短期作業后都需要小型維護。長期累積，清理刀頭、清理空濾會產生較大的時間成本，影響農民的勞動效率。（2）安全。由于產品結構設計不合理，微耕機常出現旋耕刀傷人、人被卷入旋耕刀、灰塵石塊飛濺及由于擋位設計不合理，導致掛錯擋位撞倒人等安全問題。（3）離合器。離合器以按壓結合的方式傳輸動力，松開后動力切斷。現有產品多為捏合式把手，長時間使用會導致手臂疲勞，降低勞動效率。很多農民將微耕機離合器手柄纏死，使得微耕機脫手在田間行走作業，在出現意外時無法及時停止，存在極大的安全隱患。現在市場上甚至有銷售私自改裝的自鎖微耕機離合器手柄，自帶鎖死功能，是違反國家相關農機使用規定的產品。（4）擋板。擋板多使用沖壓金屬板制成，且固定方式多為螺栓固定，外露部分較長，固定點需要承受較大載荷，使用壽命較短，而且農民在擋板損壞后不愿意承擔更換費用。擋板材質多為不透明材質，不利于農民觀察作業情況，且擋板妨礙更換功能套件，因此有些用戶直接拆除擋板使用。在出現意外情況時，無擋板的情況下，無法阻擋旋耕刀或者飛濺的泥土石塊，造成安全事故。

（二） 功能分析

功能分析是對工程系統中的系統組件與超系統組件進行分析，并區分他們的特點和功能的分析工具[5]。對系統或超系統中的組件進行分析，分析它們在系統中執行的功能，找出有問題的組件（正常、不足、過量或者是有害），從而用于下一階段進行深入分析。

基于現有微耕機結構圖（圖1）進行功能分析，建立系統功能模型圖（圖2）。

微耕機存在離合器手柄會使人手產生疲勞、旋耕刀易纏繞雜草、人被卷入旋耕刀、旋耕刀使灰塵石塊飛濺、飛濺的石塊損傷旋耕刀、不透明擋板阻礙用戶觀察作業情況等問題（表1）。

（三） 因果鏈分析

通過因果鏈分析，層層分析找到隱藏于問題背后的根本原因，從而全面徹底解決問題。對于微耕機維護成本高的問題，利用因果鏈分析得到因果鏈分析圖（圖3）。

通過因果鏈分析確定微耕機維護成本高的關鍵問題及相應的解決方案（表2）。

對于微耕機傷人的問題，利用因果鏈分析得到因果鏈分析圖（圖4）。

通過因果鏈分析確定微耕機傷人的關鍵問題及相應的解決方案（表3）。

（四） 裁剪

剪裁將系統中一個或者多個組件去除掉，但被去除的組件原有的功能可以用系統本身或者是引入超系統組件來替代，或者能將原本功能轉移到其他組件的方法。

（1）裁剪倒擋。對于體量較小的微耕機，基于裁剪規則B，使用掉頭代替倒擋（圖5）。

（2）裁剪離合器手柄。基于裁剪規則C，引入超系統組件替代離合器手柄原有的功能，如引入雙層扶手（圖6）。在符合人機功效的前提下，同時解決了閉合器手柄長時間握持容易產生疲勞的問題。

（五） 功能導向搜索

功能導向搜索是類似于關鍵詞搜索的搜索工具，在使用TRIZ理論尋找載體時，真正需要的是功能，而不是載體功能。導向搜索通過將關鍵詞限定在我們需要搜索的領域，從而提高尋找解決方案的效率。使用功能導向搜索解決因果鏈分析中得到的關鍵問題，分析如下。

使用功能導向搜索解決工程系統中的關鍵問題1：

（1）旋耕刀工作時將人與旋耕刀阻隔開，在更換功能套件時擋板不會阻擋人的動作。（2）在航空航天中，為避免宇航員被宇宙射線輻射所傷，航天飛船配備輻射防護裝備。在日常訓練時防護措施呈收納狀態；在工作狀態執行任務時，防護罩會展開覆蓋住需要保護的部件和人員。（3）借鑒航空航天中防輻射保護罩的折疊收納方式，考慮微耕機擋板在折疊狀態時如何收納、在展開時處于何種形態。

使用功能導向搜索解決工程系統中的關鍵問題2：

（1）如何讓離合器手柄長時間握持不容易感到疲勞。（2）嬰兒車把手具有自鎖功能，在使用者松開后會鎖死輪胎避免滑移。嬰兒車把手為雙層把手設計，可單雙手握持。雙層把手相結合時，制動器松開，嬰兒車可以活動；當兩層把手相分離時，制動器相結合，嬰兒車自動鎖死。（3）借鑒嬰兒車把手所控制的制動器，對微耕機的離合器進行再設計，雙層把手分開時離合器斷開動力切斷。

使用功能導向搜索解決工程系統中的關鍵問題3：

（1）將旋轉的旋耕刀刀頭和操作者分隔。（2）利用仿生學，參考甲蟲的鞘翅結構在展開時能與內部的膜翅不相干涉，在收納時能保護內部柔軟的軀體。（3）將擋板設計為類似鞘翅的可活動結構。

（六） 技術矛盾

技術矛盾是在解決技術問題時為了達到某個目的需要改變某一個參數，但是隨著該參數的改變會帶來其他問題的情況。技術矛盾1：如果增加擋板的面積，那么提高擋板的防護性，但是微耕機的可維護性會降低。技術矛盾2：如果擋板不可移動，那么系統的復雜程度會降低，但是微耕機的維護性會變差。將技術矛盾中改善和惡化的參數轉化為39個通用技術參數（表4）。查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到如下創新原理（表5）。從阿奇舒勒發明原理列表中確定發明原理，應用發明原理的提示確定最適合解決技術矛盾的具體解決方案（表6）。

四、仿生長頸象鼻蟲的模塊化微耕機設計

利用TRIZ方法得出多個解決方案，對方案進行整理和評價，綜合成本、可靠性、可維護性、創新性等因素，提出仿生長頸象鼻蟲的模塊化微耕機設計，設計說明如下：

（1）產品整體造型仿生長頸象鼻蟲的簡潔有機形態。仿生甲蟲鞘翅采用連貫有機曲面對發動機外殼進行造型設計。整體配色依舊延續農機產品的黑紅配色同時也與仿生對象相呼應。

（2）可活動折疊擋板設計。折疊方式仿生象鼻蟲鞘翅展開及折疊的形態和功能，同時借鑒空間站宇宙飛船太陽能板的折疊方式。在工作狀態時，兩片導軌產生向內壓力，利用摩擦力將擋板相對位置進行固定，完全覆蓋旋耕刀頭以確保操作者安全。在更換套件時，張開較大的角度，不會阻擋操作者更換相應的功能套件。擋板通過平行四邊形結構的槽口導軌以及手擰螺絲的固定效果，將橫向距離較長的擋板縮小折疊，整體橫向尺寸與行走輪的橫向尺寸相同或更小，便于放置與運輸。擋板能沿槽口活動，選擇合適的防護尺寸，防止剮蹭鄉間小道兩側的硬物，并且能夠阻擋灰塵和飛濺的石塊。

（3）離合器手柄設計借鑒嬰兒車把手的雙層設計，使用者將上層手柄與下層手柄相捏合，離合器接通動力傳輸。當出現意外或正常松開時，上層離合器手柄彈起，動力切斷。在突發意外時具有更高的安全性和操控性。即使是老年人，也能輕松分辨離合器手柄，不需要繁雜的記憶。該設計同時借鑒了長途騎行的公路車蝴蝶手把，提供更多的握持方式。這樣保證長時間握持的舒適性，解決因疲勞而引發的危險操作（如將離合器手柄纏死的情況）。在發生危險，離合器手柄不能停止或反應不及時情況下，可以按下急停按鈕停止發動機。

（4）發動機保護罩仿生了長頸象鼻蟲骨骼的曲面造型，將具有高溫、高速旋轉部件的發動機以及變速箱離合器等動力組件和使用者分隔開來，避免檢查或不經意觸碰到滾燙的內部器件，皮帶等活動部件也得到保護。保護罩將發動機和具有噪聲的排氣管與使用者隔離，具有消音器的排氣管讓長期工作的使用者不必再忍受發動機的噪聲。在維護時，將紅色保護蓋向上掀起，即可對內部構件進行維護保養以及檢查。基于模塊化設計理念，擋板與發動機保護罩整體分為兩個部分，中間使用轉軸固定，部件損壞后能夠進行方便的更換。

（5）在收納運輸方面，扶手仿生長頸象鼻蟲頸部的活動方式，可實現較大范圍的無級調節。收納時將扶手向前折疊，把手保持水平面不變，可折疊于發動機保護蓋之上。前端保險杠可作為搬運的后端扶手，方便提取。以農村使用率最高的五菱宏光為例，整體尺寸能在后座放倒后裝入貨艙，也能裝入農用車貨斗。

（6）簡化倒擋功能。為保證安全性，將倒擋裁剪掉，既提高系統的簡潔性，又避免掛錯倒擋將人撞倒卷入旋耕刀的安全事故。考慮到在實際使用中倒擋的使用頻率較低，以及微耕機體量較小，使用微耕機掉頭以及折疊擋板縮小整體尺寸以減少轉彎半徑。

（7）空氣濾芯設計。將空氣濾芯的位置遠離塵土較多的底部，調整在扶手中，使用軟管與發動機相連接，既遠離了旋耕刀工作區域造成的揚塵，又在揚塵到達使用者之前將少部分揚塵吸收過濾，減少灰塵對操作者的影響。這樣既降低了發動機因為空氣含沙而拉缸的概率，延長其使用壽命，也提高了用戶的使用體驗。

五、總結

本研究基于TRIZ創新設計理論并結合仿生學設計理論，設計出適合個體農戶且適用于山區小田塊作業的微耕機產品。該產品具有更優的安全性、使用效率、維護效率等特點。

參考文獻

[1] 王飆. 微耕機機架振動特性仿真及試驗研究[D]. 重慶：西南大學， 2014.

[2] 劉旭. 構建科學標準推動農機化事業長足發展[J]. 農機質量與監督， 2018， 158（2）： 8-10.

[3] 王志成. 我國微耕機現狀及發展趨勢[J]. 農機市場， 2015， 323（4）： 29-30.

[4] 蔣歡. 小型多功能微耕機發展研究[J]. 農業科技與裝備， 2016， 260（02）： 54-55.

[5] 趙炬鋒. 基于TRIZ的草捆干燥裝置的設計與優化[D].呼和浩特：內蒙古工業大學， 2018.

責編 / 馬銘陽