王 歡 ，孫 濤 ，吳周鑫 ，廖 禺

（1.江西省精密驅(qū)動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099；2.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099；3.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，江西 南昌 330099）

1 引言

目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械是我國大力提倡和開發(fā)的新型科技產(chǎn)業(yè)，是我國從傳統(tǒng)手工農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展道路[1]。谷物收集晾曬是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的重要組成部分，糧食收集機(jī)是進(jìn)行農(nóng)作物后續(xù)收集和晾曬得到干燥農(nóng)作物的重要設(shè)備。它可以在小麥、稻谷等顆粒作物的收集和攤曬中起到重要作用。目前現(xiàn)有的糧食收集機(jī)存在功能較為單一、操作環(huán)境惡劣、人工勞作強(qiáng)度大、工作穩(wěn)定性低、安全隱患較大、收集效率低及收集潔凈率低等問題。針對以上問題，為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，以糧食收集機(jī)為主要研究對象，以TRIZ 理論中的矛盾分析法和物質(zhì)-場分析法為基礎(chǔ)，對糧食收集機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增加機(jī)器的功能多樣性，提高機(jī)器的效率與實(shí)用性，使糧食收集晾曬過程更加高效快速。

2 TRIZ 理論

TRIZ 理論是在1946 年由蘇聯(lián)軍方技術(shù)員根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）和他的同事們共同提出。在阿奇舒勒看來，人們在解決發(fā)明問題的過程中所遵循的科學(xué)原理和技術(shù)進(jìn)步法則是一種客觀存在。大量發(fā)明所面臨的基本問題是相同的，其所需要解決的矛盾，從本質(zhì)上來說，是相同的。基于這一思想，他與蘇聯(lián)科學(xué)家一起，經(jīng)過50 多年對數(shù)以百萬計(jì)的專利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識進(jìn)行研究、整理和歸納，最終建立起一整套系統(tǒng)化的、實(shí)用的、解決發(fā)明問題的理論和方法體系，即TRIZ 理論[2]。在設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在著各種沖突矛盾。因此，TRIZ 認(rèn)為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計(jì)中的沖突或矛盾，從而提出39 個(gè)通用化參數(shù)。在問題解決過程中，利用該設(shè)計(jì)方法把實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的沖突或矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ 理論中的通用化參數(shù)。同時(shí)利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣表得出對應(yīng)的發(fā)明解決原理，結(jié)合實(shí)際問題，選擇符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)明原理，得出最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。其解決問題的一般流程[3]，如圖1 所示。

圖1 用TRIZ 解題的基本過程Fig.1 Basic Process of Solving the Problem by TRIZ

3 現(xiàn)有糧食收集機(jī)分析

目前，市面上研發(fā)設(shè)計(jì)了不同工作原理的糧食收集機(jī)，主要有大型扒谷機(jī)、小型機(jī)械式收集機(jī)、小型吸入式收集機(jī)三種。上述三種機(jī)器各自存在一些不足之處，其中大型扒谷機(jī)體型大操作復(fù)雜，由攪攏葉片將谷物集中，通過輸送裝置進(jìn)行運(yùn)輸，所以對谷物晾曬的厚度有一定的要求，且行走輪行走和笨重的機(jī)身在收集過程中容易碾碎地上的農(nóng)作物；小型機(jī)械式收集機(jī)則需要工作人員緊跟操作進(jìn)行轉(zhuǎn)向，且只能進(jìn)行收集，功能較為單一，人工換袋較為頻繁；小型吸入式收集機(jī)在工作過程中內(nèi)燃機(jī)工作的噪音較大，出風(fēng)口灰塵較多，當(dāng)動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速不匹配時(shí)，會導(dǎo)致風(fēng)扇被打碎，甚至被甩出去，存在較大的安全隱患。

縱觀市場上的糧食收集機(jī)，多以輪式為主，需要人工輔助推動(dòng)行走，速度難以穩(wěn)定操控，操作環(huán)境惡劣，并且對地形要求較高，不適合在較為復(fù)雜的地形工作，適用范圍小。除此之外，當(dāng)前糧食收集機(jī)以袋裝為主要收集方式，收集過后的封袋等后續(xù)處理較為復(fù)雜，耗費(fèi)大量人力物力。糧食收集機(jī)的收集速度固定，難以根據(jù)糧食晾曬厚度需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，糧食收集效率低[4]。

4 糧食收集機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器中的技術(shù)矛盾

上述參數(shù)的改變可能帶來的惡化參數(shù)有：

（1）靜止物體的重量（No.2）；

（2）靜止物體的體積（No.7）；

（3）運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間（No.15）；

（4）可制造性（No.32）；

（5）可維修性（No.34）；

（6）裝置的復(fù)雜性（No.36）。

表1 設(shè)計(jì)沖突參數(shù)轉(zhuǎn)化Tab.1 The Transformation of Design Conflict Parameter

4.2 適用于糧食收集機(jī)的發(fā)明原理

在對糧食收集機(jī)進(jìn)行了技術(shù)沖突分析后，并且確定了描述沖突的通用工程參數(shù)后，可以利用阿奇舒勒沖突矩陣從40 個(gè)發(fā)明原理中選取適合的方法，結(jié)合實(shí)際問題選定最終使用的發(fā)明原理應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，從而解決沖突。阿奇舒勒沖突矩陣，如表2 所示。

表2 阿奇舒勒沖突矩陣Tab.2 Altshuller Contradiction Matrix

在阿奇舒勒沖突矩陣中，找到改善參數(shù)與惡化參數(shù)分別對應(yīng)的列與行，在行列交叉處可看到發(fā)明原理所對應(yīng)序號。在矩陣中，一個(gè)方格內(nèi)有多個(gè)序號，同時(shí)對應(yīng)多個(gè)發(fā)明原理。對發(fā)明原理進(jìn)行篩選，得出用于實(shí)際設(shè)計(jì)的方法[6-8]。應(yīng)用發(fā)明原理，如表3 所示。

pH400型pH值檢測計(jì)，安萊立思儀器科技(上海)有限公司；TCP全自動(dòng)色差計(jì)，北京奧依克光電儀器有限公司；Lab Master-a水分活度儀，瑞士NOVASINA公司；Thermo TRACE氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國熱電有限公司；TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀，超技儀器；5H613數(shù)顯式肌肉嫩度儀，秦皇島市協(xié)科技開發(fā)有限公司。

表3 應(yīng)用的發(fā)明原理Tab.3 The Invention Principle of Application

4.3 糧食收集機(jī)的改進(jìn)方案

根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣，同時(shí)結(jié)合實(shí)際條件所確定應(yīng)用的5條發(fā)明原理，對糧食收集機(jī)進(jìn)行以解決收凈率低下、功能單一、操作環(huán)境惡劣為目的的創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析。

應(yīng)用No.3 局部質(zhì)量原理，將糧食收集機(jī)分為收集模塊、行走模塊及存儲晾曬模塊三大模塊。收集模塊分為鏈?zhǔn)焦伟迨占糠郑Z毛刷輔助部分及清掃毛刷回收部分，其中鏈?zhǔn)焦伟迨占糠旨仁羌Z食收集的主要部件，又是機(jī)器工作的運(yùn)輸部件。行走模塊主要分為履帶行走部分，控制部分及萬向輪行走部分，其中履帶行走部分既是機(jī)器的主要支承部件，又是機(jī)器行走的重要組成。

應(yīng)用No.6 多用性原理，改變原有存儲裝置，設(shè)計(jì)出一種糧食存儲晾曬小車。該車通過圓柱銷與機(jī)器主體相連，小車底部具有開口和擋板。當(dāng)擋板關(guān)閉時(shí)，小車作為機(jī)器的存儲裝置，進(jìn)行谷物存儲工作。當(dāng)?shù)撞拷嵌瓤烧{(diào)的擋板打開，谷物從開口漏出，且底部擋板可將谷物刮平，實(shí)現(xiàn)谷物的快速均勻晾曬。該小車既有存儲功能，又具有晾曬功能，實(shí)現(xiàn)一物多用，大大提高谷物晾曬收集過程的效率，減少工作人員工作強(qiáng)度。

應(yīng)用No.10 預(yù)操作原理，增加了遠(yuǎn)程遙控控制操作功能，且可調(diào)控機(jī)器前進(jìn)速度，可實(shí)時(shí)操控機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)情況，改善工作人員工作環(huán)境，使工作人員遠(yuǎn)離了多噪音、多灰塵等惡劣工作情況。同時(shí)，還增加了過載報(bào)警開關(guān)，當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過載時(shí)，通過報(bào)警提醒操作人員。

應(yīng)用No.24 中介物原理，利用刮板作為中間傳遞物質(zhì)，將底部谷物運(yùn)輸至機(jī)器上部，使谷物收集過程簡單快捷，運(yùn)輸過程方便快速。同時(shí)，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)將蓄電池所輸出的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)糧食晾曬收集一體機(jī)所需要的機(jī)械能，使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為中介物傳遞能量，用電場代替機(jī)械場。

應(yīng)用No.25 自服務(wù)原理，機(jī)器前方底部設(shè)有集糧毛刷，在機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，將谷物堆積起來，以便于機(jī)器收集。同時(shí)，機(jī)器設(shè)有二次清掃毛刷，可將機(jī)器未收集干凈的谷物掃向還未收集的一側(cè)。兩者的設(shè)計(jì)大大增加了機(jī)器收集的便利性，提高了機(jī)器谷物收集的收凈率。二次清掃機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 二次清掃機(jī)構(gòu)Fig.2 Secondary Cleaning Mechanism

4.4 糧食收集機(jī)設(shè)計(jì)方案的具體化

根據(jù)TRIZ 理論的分析結(jié)果，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論，對糧食收集機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，創(chuàng)新后的糧食收集機(jī)由收集模塊、晾曬模塊、行走模塊、二次清掃模塊、傳動(dòng)模塊五大主要功能模塊組成，如圖3 所示。模塊化集成多種功能。

圖3 模塊劃分Fig.3 Module Partition

收集模塊由集糧毛刷和刮板配合實(shí)現(xiàn)對地面晾曬谷物的收集；晾曬模塊由晾曬小車結(jié)合底部擋板，固定在機(jī)身前行時(shí)，實(shí)現(xiàn)谷物均勻晾曬；行走模塊由直流無刷電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)微型履帶，帶動(dòng)谷物晾曬小車運(yùn)動(dòng)；二次清掃模塊由二次清掃毛刷緊貼地面清掃，以“回”字型路徑行走，提高收凈率；傳動(dòng)模塊由鏈傳動(dòng)，結(jié)合齒輪傳動(dòng)構(gòu)成，為收集模塊、二次清掃模塊和行走模塊提供動(dòng)力。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，如圖4 所示。

圖4 創(chuàng)新后的糧食收集機(jī)Fig.4 Innovation of Grain Collecting Machine

5 糧食收集機(jī)部分構(gòu)件分析

5.1 物質(zhì)-場分析簡介

物質(zhì)-場分析法是一種與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的問題建模方法，通過建立系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)化的問題模型來正確地描述系統(tǒng)內(nèi)的問題，用符號語言清楚的表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)的（子系統(tǒng)）的功能，正確地描述系統(tǒng)的構(gòu)成要素以及構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系[9]。在TRIZ 中，我們可以用兩種物質(zhì)（S1、S2）和一個(gè)場（F）來建立一個(gè)系統(tǒng)分析模型，其中S1是被執(zhí)行元件，S2是執(zhí)行體，模型意義為場F 通過物質(zhì)S2作用于S1并改變S1。物質(zhì)-場分析模型，如圖5 所示[10]。

圖5 物質(zhì)—場分析模型Fig.5 Substance-Field Analysis Model

通過物質(zhì)—場模型描述產(chǎn)品所具有的功能，從而確定引起沖突的根本原因。根據(jù)物質(zhì)—場模型所描述的問題，查找TRIZ理論中76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，構(gòu)建出新的物質(zhì)-場模型，得出該模型的優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)[11]。

5.2 建立物質(zhì)-場分析模型

谷物收集與晾曬對谷物厚度具有一定的要求，在谷物收集過程中，若谷物厚度較低，機(jī)器收集效率緩慢且收集潔凈率低，因此，需要設(shè)計(jì)集糧毛刷用于堆積谷物。在谷物晾曬過程中，谷物晾曬厚度需合理，因此，需要在谷物晾曬小車下方設(shè)計(jì)適宜高度刮板。

根據(jù)TRIZ 理論物質(zhì)-場分析理論，對于糧食收集過程與糧食晾曬過程，建立物質(zhì)-場分析模型，如圖6、圖7 所示。其中，F(xiàn)1、F2均為機(jī)械作用場，物質(zhì)S1為作用對象谷物，物質(zhì)S2為集糧毛刷，物質(zhì)S3為小車底部擋板離地面高度。

現(xiàn)有相關(guān)機(jī)器中的集糧毛刷設(shè)于機(jī)器前端下部，在收集過程中，若毛刷硬度太大，則會對毛刷造成較大磨損，影響毛刷的使用壽命，堆積谷物能力下降，影響機(jī)器收集效率，即S2對S1作用為有害；若毛刷硬度較小，則會導(dǎo)致機(jī)器在前進(jìn)過程中難以將谷物堆積起來，即S2對S1作用為不足。

在晾曬過程中，小車底部擋板離地面高度對于谷物晾曬具有重要影響。若小車底部擋板離地面高度過高，在晾曬過程中會使谷物晾曬不均勻，即物質(zhì)S3對物質(zhì)S1作用為不足。

在TRIZ 理論中，物質(zhì)—場模型提供76 種標(biāo)準(zhǔn)解法，經(jīng)過分析，本設(shè)計(jì)采用76 種標(biāo)準(zhǔn)解法中的1.1.6 向具有物質(zhì)最小作用的物場躍遷與2.2.4 向動(dòng)態(tài)化物質(zhì)—場躍遷來解決上述問題，得到新的物質(zhì)-場模型，如圖6（b）、圖7（b）所示。

圖6 集糧毛刷物質(zhì)—場分析模型Fig.6 Substance—Field Analysis Model of the Aggregating Grain Brush

圖7 小車底部擋板離地面高度物質(zhì)—場分析模型Fig.7 Substance-Field Analysis Model of the Baseplate above Ground Height

5.3 糧食收集機(jī)集糧毛刷及底部擋板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案具體化

根據(jù)物質(zhì)-場分析的結(jié)果，對集糧毛刷-收集系統(tǒng)、擋板-晾曬系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得出具體設(shè)計(jì)方案：采用尼龍絲作為毛刷的設(shè)計(jì)材料，保證其硬度的同時(shí)減少磨損，上方采用鋼板進(jìn)行固定，增強(qiáng)穩(wěn)定性；集糧毛刷安放至裝置底部下，二次清掃毛刷前，作為裝置收集的輔助堆糧機(jī)構(gòu)。小車底部擋板離地高度原始設(shè)計(jì)為20mm，并且可根據(jù)晾曬厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可保證糧食的晾曬均勻。為驗(yàn)證本裝置的經(jīng)濟(jì)性，可靠性，穩(wěn)定性及安全性，按江西省《谷物收集機(jī)》農(nóng)機(jī)鑒定大綱和《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件》測定方法，進(jìn)行了性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：本設(shè)備的各項(xiàng)性能均優(yōu)于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4 所示。

表4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Prototype Experimental Results

6 結(jié)論

以TRIZ 理論為基礎(chǔ)，研究了糧食收集機(jī)的功能模式并對其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)：（1）利用矛盾沖突矩陣，分析現(xiàn)有糧食收集機(jī)中所存在的問題，并利用發(fā)明原理解決主要矛盾，對機(jī)器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)；將糧食收集轉(zhuǎn)化為收集與攤曬的結(jié)合，設(shè)計(jì)二次清掃毛刷提升收凈率，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，采用遠(yuǎn)程遙控模式，調(diào)速操作，增加收集效率，改善工作環(huán)境。（2）采用物-場分析模型進(jìn)行設(shè)計(jì)方案具體化，對集糧毛刷-收集系統(tǒng)、擋板-晾曬系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，解決了機(jī)器在工作過程中可能出現(xiàn)的效率低下、收集損失、零件失效等問題。（3）借助三維建模進(jìn)行仿真分析，完成對其三維模型的建立，并基于該模型進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)物加工，并進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)的樣機(jī)改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。