基于TRIZ理論的新型紅棗采收裝置設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）23-0027-04

Abstract：Aimingattheproblemsoftraditionaljujubeharvestingdevicesdamagingfruittrees，insuficientcolection functions，andinconvenientcarryingandusing，TRIZtheorywasusedtocarryoutinnovativedesign.Throughfunctionalanalysis ofthered jujubegatheringdevice，keyisueswereidentifiedandsolutionswereproposedusingtolssuchastechnicalconflict theory，physicalconflicttheory，andmaterial-fieldmodelinTRIZ.Basedonvariousplans，anewtypeofredjujubegathering devicehasbeendesignedItusesarubberturrettoreducedamage tofruittres，aclothcolectioncovertoimprovecolletion eficiency，andisequippedwithabackframeandhandleforeasycaryinganduse.Theresultsprovethat TRIZtheoryis effective and feasible in product innovative design.

Keywords：TRIZ;redjujubegathering device;innovativedesign;technological conflicttheory;physical conflicttheory

紅棗作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)林果，種植歷史悠久、分布廣泛，在新疆、河北、山東和山西等地形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)，于國(guó)民經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)增收中占據(jù)關(guān)鍵地位。根據(jù)國(guó)家林業(yè)局網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)，截至2025年，我國(guó)棗種植面積達(dá)1800萬畝（1畝約等于 667m² ），年產(chǎn)量約800萬噸，產(chǎn)值超1000億元。在紅棗種植和生產(chǎn)過程中，紅棗采收環(huán)節(jié)至關(guān)重要，直接關(guān)乎果實(shí)的完好性以及后期的銷售價(jià)值。傳統(tǒng)紅棗采收依賴人工打落與撿拾，不僅浪費(fèi)人力物力，而且人工成本飆升導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺矛盾日益尖銳。近年來，國(guó)內(nèi)外在農(nóng)業(yè)采收機(jī)械領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究與探索，針對(duì)紅棗果實(shí)的特性設(shè)計(jì)出了多種采收裝置。馬少輝等針對(duì)新疆矮化密植種植模式的紅棗，研制了一款小型單偏心塊式紅棗振動(dòng)采收機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置能夠減輕棗農(nóng)采收紅棗的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高紅棗生產(chǎn)機(jī)械化水平。朱啟航等針對(duì)若羌紅棗的種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型氣吸式背負(fù)采收機(jī)，采用鋰電池來驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和橡膠輥，提高了紅棗采收效率。梅松等針對(duì)新疆矮化密植棗樹的小型紅棗，提出仿棗樹冠型拍振復(fù)合采摘與傘形柔性接果協(xié)同采收方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該采收裝置的合理性和可行性。王鵬文等基于陜西紅棗種植區(qū)地形地貌研究，設(shè)計(jì)了一款可適應(yīng)多種地形的紅棗收棗機(jī)，解決了紅棗接收時(shí)采摘強(qiáng)度大、效率低等問題。張志元等設(shè)計(jì)了一種紅棗采收激振器并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，通過偏心塊的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生激振，提高了紅棗的收獲效率。崔健等設(shè)計(jì)了一款自激振動(dòng)力補(bǔ)償紅棗振動(dòng)采收裝置，提高了振動(dòng)采收效果，降低了紅棗與果樹的損傷。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論，即發(fā)明問題解決理論，由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒創(chuàng)立，是一套基于對(duì)大量專利研究總結(jié)出的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法體系。其核心在于認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展有規(guī)律可循，如同生物進(jìn)化一般。通過深入分析技術(shù)系統(tǒng)中的沖突，例如物理沖突和技術(shù)沖突，運(yùn)用如40個(gè)創(chuàng)新原理等工具來解決這些沖突，從而推動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化與創(chuàng)新。TRIZ還提出了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，能幫助預(yù)測(cè)產(chǎn)品的發(fā)展方向，使創(chuàng)新更具前瞻性。

在解決問題時(shí)，首先將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，再借助其獨(dú)特的知識(shí)庫、物質(zhì)-場(chǎng)模型等方法找到通用解決方案，最后結(jié)合具體領(lǐng)域得出針對(duì)性的特解。這一理論在工程、制造、科研等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，有助于突破傳統(tǒng)思維局限，高效地開展創(chuàng)新活動(dòng)，降低創(chuàng)新成本，提高創(chuàng)新成功率，在全球創(chuàng)新實(shí)踐中發(fā)揮著極為重要的作用，已然成為推動(dòng)現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步的關(guān)鍵力量。

2 系統(tǒng)分析

2.1 問題描述

通過調(diào)研可知，傳統(tǒng)的紅棗采收裝置主要存在以下問題。

1）損傷紅棗和果樹：大多采用產(chǎn)生振動(dòng)的方式將果實(shí)敲打下來，劇烈的振動(dòng)會(huì)對(duì)果樹產(chǎn)生較大的損害，影響下一年度的產(chǎn)量。

2）收集功能有限：紅棗掉落后位置分散，收集裝置很難將果實(shí)全部收集，依然需要人工在地上撿拾

3）攜帶和使用不便：傳統(tǒng)的紅棗采收裝置體積和重量較大，不易攜帶和使用。如果以大型機(jī)動(dòng)車作為載體，難以適應(yīng)山區(qū)崎嶇、狹窄的地形。

2.2 功能分析

TRIZ的功能分析旨在深入剖析產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)，從精確界定功能起，分解總功能為子功能構(gòu)建功能樹，區(qū)分組件并分析其相互作用構(gòu)建矩陣，進(jìn)而建立功能模型。它能識(shí)別有用、有害功能，計(jì)算功能價(jià)值并繪制功能模型圖，以此清晰呈現(xiàn)系統(tǒng)功能架構(gòu)與效益關(guān)系，助力精準(zhǔn)定位問題與創(chuàng)新突破點(diǎn)，推動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化與創(chuàng)新發(fā)展。

將傳統(tǒng)的紅棗采收裝置定義為工程系統(tǒng)，列出系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件，見表1。然后識(shí)別組件之間的相互作用關(guān)系并進(jìn)行分析，繪制組件相互作用矩陣表，見表2，‘ ^°+ ”代表組件間有相互作用關(guān)系，“-\"代表組件間無作用關(guān)系。最后用圖形的方式將系統(tǒng)、子系統(tǒng)和各個(gè)組件及其連接關(guān)系表示出來，形成功能模型圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，振動(dòng)頭的振動(dòng)會(huì)損害果樹，即振動(dòng)頭對(duì)果樹存在有害作用；收集器難以將紅棗全部收集，即收集器對(duì)紅棗存在不足作用；傳統(tǒng)的紅棗采收裝置體積大、難以握持，即使用人員對(duì)外殼存在不足作用。

表1系統(tǒng)組件列表

表2系統(tǒng)組件相互作用矩陣表

3 問題求解

3.1關(guān)鍵問題1：減小紅棗采收裝置對(duì)果樹的損害

采用鋁合金旋轉(zhuǎn)架代替振動(dòng)頭來觸落紅棗的措施，減小了裝置對(duì)果樹的損害，但會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)架與樹枝纏繞在一起。運(yùn)用TRIZ中的技術(shù)沖突理論，改善的參數(shù)：No.10力;惡化的參數(shù)：No.35適應(yīng)性及多用性。通過查找沖突矩陣，得到如下發(fā)明原理：No.15、No.17、No.18.No.20 。依據(jù)發(fā)明原理No.17維數(shù)變化，得到方案：將轉(zhuǎn)架的材料由鋁合金換成具有柔韌性的橡膠，這樣在觸落紅棗的同時(shí)也不會(huì)與樹枝纏繞在一起。

3.2關(guān)鍵問題2：提升收集器對(duì)紅棗的收集能力

為了增大紅棗的收集能力，就需要收集器體積盡可能大；為了便于裝置的攜帶和使用，還需要收集器體積盡可能小，系統(tǒng)產(chǎn)生了既要大又要小的物理沖突?？紤]紅棗采收裝置在不同的時(shí)間段具有不同的特性，采用時(shí)間分離原理，得到方案：采用柔軟的布質(zhì)材料來制作收集罩，同時(shí)在收集罩的底部安裝軟管。紅棗采收裝置在使用時(shí)，可將收集罩打開，增大紅棗的收集范圍；裝置在攜帶時(shí)，可將收集罩收起，便于攜帶和安放。

圖1功能模型圖

3.3關(guān)鍵問題3：方便紅棗采收裝置的攜帶和使用

傳統(tǒng)的紅棗采收裝置的外殼體積大、難以握持，不便攜帶和使用。運(yùn)用TRIZ中的物質(zhì)-場(chǎng)模型理論，設(shè) S₁ 為人， S₂ 為外殼， F_Me 為機(jī)械場(chǎng)，應(yīng)用1.1.2（No.2）的標(biāo)準(zhǔn)解：系統(tǒng)不能改變，但是充許添加一個(gè)永久或者暫時(shí)的外部附加成分 S₃ 改變 S₁ 或 S_2° 得到方案一：在紅棗采收裝置的外殼上添加手柄或者手推車，方便棗農(nóng)使用和攜帶該裝置。當(dāng)前系統(tǒng)的物質(zhì)-場(chǎng)模型和改進(jìn)后的物質(zhì)-場(chǎng)模型如圖2所示。

4設(shè)計(jì)方案

基于以上步驟得到了多個(gè)解決方案，對(duì)這些方案進(jìn)行優(yōu)化組合，獲得最優(yōu)方案。設(shè)計(jì)了2款新型紅棗采收裝置，如圖3所示。紅棗采收裝置主要由背架、軟管、承托組件、伸縮桿、手柄、橡膠轉(zhuǎn)架和收集罩等部分組成。背架可以很好地與人體貼合，將裝置的重量由身體承擔(dān)，便于攜帶。伸縮桿可以伸長(zhǎng)和縮短，調(diào)整好長(zhǎng)度后通過調(diào)節(jié)螺釘固定。承托組件由平面連桿機(jī)構(gòu)組成，中間通過阻尼桿連接，可以實(shí)現(xiàn)上下和左右運(yùn)動(dòng)。使用時(shí)，棗農(nóng)通過背架將裝置背負(fù)于身體，一只手握住手柄，另一只手握住伸縮桿并按下按鈕，電池為電機(jī)供電，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)橡膠轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠轉(zhuǎn)架拍打樹枝和棗子，由于橡膠柔軟且有韌性，可以在不損壞果樹和果實(shí)的情況下將紅棗打落，而且也不會(huì)和樹枝纏繞在一起。脫落后的紅棗掉入到下方的布質(zhì)收集罩中，收集罩和軟管相連接，紅棗通過軟管滑落到其他收集裝置中。

圖2物質(zhì)-場(chǎng)模型

圖3紅棗采收裝置

注：1為背架；2為軟管；3為承托組件；4為伸縮桿；5為手柄；6為橡膠轉(zhuǎn)架；7為收集罩。

5結(jié)束語

1）基于TRIZ理論，系統(tǒng)分析了紅棗采收裝置存在的問題，并通過功能分析、沖突理論、物質(zhì)-場(chǎng)模型等工具，提出了多項(xiàng)創(chuàng)新解決方案。

2）將創(chuàng)新解決方案進(jìn)行優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)了一款新型紅棗采收裝置，該裝置具有背架、軟管、承托組件、伸縮桿、手柄、橡膠轉(zhuǎn)架和收集罩等模塊，有效解決了傳統(tǒng)紅棗采收裝置使用時(shí)損壞果樹、紅棗收集能力有限、不易攜帶和使用等缺點(diǎn)。

3）通過新型紅棗采收裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步證明了TRIZ理論能夠有效地指導(dǎo)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研發(fā)。

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