楊濤，凌寧，李曉曉，吳柏強，張海燕，孫付春

(1.成都農業(yè)科技職業(yè)學院機電信息學院,成都市,611130; 2.成都大學機械工程學院,成都市,610106;3.成都海逸機電設備有限公司,成都市,610199)

0 引言

TRIZ是由阿奇舒勒在分析大量發(fā)明專利的基礎上提出的系統性的創(chuàng)新設計方法,至今已經發(fā)展成為一套服務技術創(chuàng)新的成熟理論和方法體系,為創(chuàng)造性地發(fā)現和解決問題提供了系統的方法工具[1]。專家學者們利用TRIZ理論進行創(chuàng)新設計,并就如何將TRIZ理論與農業(yè)裝備設計研發(fā)有效融合進行了探索[2-3],目前,TRIZ理論已經在農業(yè)裝備研發(fā)中發(fā)揮了重要作用。張毅等[4]運用TRIZ理論沖突矛盾矩陣分析以及拋棄與修復的發(fā)明原理,完成機器人結構創(chuàng)新設計,實現蘋果采摘收集一體化;桓源等[5]運用矛盾沖突解決理論設計蘋果分揀套袋裝置,減輕果農勞動強度;李金鳳等[6]運用TRIZ理論對豌豆割曬機進行創(chuàng)新設計,取得較好的作業(yè)效果;付敏等[7]應用物—場模型、技術矛盾、物理矛盾等TRIZ工具求解馬鈴薯薯土分離輸送裝置創(chuàng)新方案,設計一種具有雙抖動單元和降運抖動篩面的薯土分離輸送裝置。由此,也掀起一場基于TRIZ理論的農業(yè)裝備創(chuàng)新設計研究熱潮,有效促進了創(chuàng)新方法在中國的應用與發(fā)展。

果樹施肥機械一直是果園機械研究領域的重點研究方向,常見的果園開溝施肥機械施肥深度一般不會超過40 cm,而成齡果樹根系深度通?？蛇_50～80 cm[8]。也就是說,傳統開溝施肥機施肥深度相對較淺,不利于樹體的抗寒、抗旱、抗病蟲害[9]?？梢?合理施肥可有效促進土壤中水、肥、氣、熱的循環(huán),改良土壤環(huán)境。果樹生長期深層土壤松土追肥對于提升果品產量與品質有重要作用,已然成為果園土壤改良的必然發(fā)展趨勢[10]。當前,在果樹深松施肥方面普遍采用人工挖坑作業(yè)或利用手持式鉆穴機鉆穴作業(yè),不僅作業(yè)效率低、勞動強度大,還帶來了較高的人工成本?？傮w上,還尤為欠缺高效率、低成本、易操作的果樹根部深層土壤松土施肥機械。基于此,本文運用TRIZ理論提出果樹深松施肥創(chuàng)新方案,再基于“沖突解決原理”解決錘擊式打穴破土機構中的矛盾沖突,并對深松施肥機氣爆發(fā)生裝置、精量施肥裝置等關鍵結構進行創(chuàng)新設計;最后采用數字模型仿真與樣機試驗的方法,驗證創(chuàng)新設計方案的合理性和可行性,以期為果園深松施肥裝備研發(fā)提供設計思路與參考。

1 果樹施肥存在的問題與TRIZ創(chuàng)新設計流程

1.1 果樹施肥存在的主要問題

果園施肥存在的主要問題有:(1)我國果園大多位于丘陵地區(qū),地形地貌復雜多變,要求施肥機械小巧靈活,不利于機械化的發(fā)展;(2)現有果樹施肥機械存在開溝深度淺,肥料都在土壤上層,使果樹根部得不到良好的養(yǎng)分,而開溝過深容易傷害到樹根,進而影響到水果產量與品質;(3)長期使用化肥導致果園土壤出現板結現象,而且土壤長期未松動堅實度較大,土壤生物與有機質驟減,不利于果樹根部呼吸與營養(yǎng)吸收;(4)未出現成熟的果園松土施肥機械應用案例,傳統的手持式鉆穴機或錘擊式的打穴機構均存在噪聲較大、用戶體驗差等不足?？傮w上來看,果樹人工施肥效率低、勞動強度大;傳統開溝施肥機開溝深度淺、易損傷果樹根系;長期不當施肥已造成土壤板結,影響果樹生長等問題。由此,需要在保證作業(yè)效率與不傷害果樹根系的同時,一次性完成松動土壤與施肥。

1.2 TRIZ創(chuàng)新設計基本流程

對具體的待解決研發(fā)問題,TRIZ解決問題的流程可分為問題描述、分析問題、確定解題方向、解決方案與方案評價幾個過程,如圖1所示。

圖1 基于TRIZ的創(chuàng)新方案求解流程

1) 問題描述:描述系統功能、工作原理、存在的問題以及解決問題的限制條件等。

2) 分析問題:采用功能分析、因果分析、資源分析、根源分析、魚骨分析等問題分析工具,分析問題產生的根本原因,找出解決問題的切入點,明確解決問題可利用的資源。

3) 確定解題方向:應用最終理想解(Ideal Final Result,IFR)、技術進化法則、九屏幕法等方法確定問題的解決方向。

4) 解決問題:應用沖突矛盾解決理論、39個工程參數、40個發(fā)明原理、STC算子等工具進行方案求解。

5) 方案評價:依托相關仿真分析技術手段,從可行性、經濟性、先進性等方面對概念方案進行評價,篩選出最終實施方案。

2 深松施肥機創(chuàng)新設計方案

2.1 應用TRIZ思維問題求解

一方面,需要將一定量的肥料直接輸送到果樹根部,即施肥深度≥400 mm;另一方面,希望從土壤內部產生一個力,迫使土壤松動或表面出現明顯裂紋。針對上述問題,應用TRIZ工具中的最終理想解法與小人法對深松施肥機構進行設計。

2.1.1 基于最終理想解的問題求解

最終理想解法(IFR)是在系統最小程度改變的情況下能夠實現最大程度的自服務。依據IFR解題的流程設計深松施肥解決方案如下。

1) 設計的最終目標是什么?肥料能夠送入到土壤深處;對土壤施加一個自下而上的力,迫使土壤松動或產生較為明顯裂紋。

2) 最終理想解是什么?在不損害果樹根系或少破壞表層土壤的情況下,肥料能夠自動地進入到土壤深處被果樹根部吸收;從土壤內部自動產生一個力,來松動土壤。

3) 達到理想解的障礙是什么?肥料本身不具備運動能力,表層土壤會阻礙肥料的運動,致使肥料無法直接到達果樹根部;機械手段難以從土壤內部施加力,以松動土壤。

4) 出現這種障礙的原因是什么?要求提高深松施肥效率、降低勞動強度而不肆意破壞表層土壤,不傷害果樹根部。

5) 不出現這種障礙的原因是什么?肥料借助外力直接輸送到土壤深處。

6) 創(chuàng)造這些條件時可用的資源是什么?肥料、機械場、重力場、氣動場等。

顯然,根據可利用的資源中的重力場與機械場,提出概念方案1:預先設置施肥管道,肥料可以依靠自身重力,通過相應的施肥管道進入到土壤深處。

2.1.2 基于聰明小人法的問題求解

概念方案1雖然部分解決了肥料直接送入到土壤深處問題,但是土壤從內部松動問題還未有良好解決方案,而且對于黏重肥料易造成管道堵塞、妨礙肥料吸收等問題。進一步地使用一組能運動的小人來代表問題模型,即小人法進行問題求解。聰明小人法(Smart Little People,SLP)是指當系統內的部分物體不能實現必要的功能和任務時,就用多個小人分別代表這些物體,而不同小人表示執(zhí)行不同的功能或具有不同的矛盾,重新組合這些小人,使它們能夠發(fā)揮作用,執(zhí)行必要的功能[11-12]。

1) 建立問題模型。用不同形狀的小人表示各系統組件,構建問題模型,如圖2所示。肥料小人在沿施肥管道向土壤深處跑去。該方案還存在問題描述:肥料小人易造成擁堵且無法松動土壤。原因1:沒有其他小人來組織肥料小人運動;原因2:肥料小人力氣較小,推不動四周土壤。

圖2 問題模型

2) 建立目標模型。增加輸送小人,將肥料小人沿管道運送土壤深處;同時輸送小人在管道出口處進入土壤向四周擴散,松動土壤。

3) 建立方案模型。根據目標模型提出方案模型,如圖3所示。增加了輸送小人,將肥料小人沿管道運送土壤深處;同時輸送小人在管道出口處進入土壤向四周擴散,松動土壤。

圖3 方案模型圖

2.2 創(chuàng)新設計方案

果樹深松施肥方案既需要完成施肥,又要完成深層土壤松土的任務。根據TRIZ理論分析得出直接施肥到土壤內部的果樹深松施肥概念方案2,如圖4所示。

圖4 果樹深松施肥概念設計方案

首先,使用一根空心的管狀物(插管),豎直向下插入土壤指定深度;然后,使用空壓機將一定壓力的空氣從該管狀物內部噴入土壤深處,形成氣體爆炸以達到松土的目的;最后,將固體肥料沿著相同的路徑噴入土壤深處,以達到深施的目的。另外,在高壓氣流的作用下也可有效防止肥料堵塞的情況。肥料直接施在果樹根部,有效防止了肥料的流失,同時高壓氣流也使得深層土壤松軟,有利于果樹根部吸收。由此,可認為該設計方案是有效、可行的,能夠解決現有施肥機械施肥深度淺、土壤板結等問題。

3 深松施肥機關鍵部件創(chuàng)新設計

借助TRIZ理論設計的果樹深松施肥創(chuàng)新方案(圖4),深松施肥機首先需要打穴破土,接著精量取肥,然后高壓空氣將定量肥料輸送到果樹根系并依靠高壓空氣釋放過程中產生的震動松動土壤,從而完成一次深松施肥作業(yè)。那么,深松施肥機的核心部件由打穴施肥裝置、氣爆松土裝置與精量排肥器構成,以實現果樹定點打穴、松土、施肥等功能。

3.1 打穴機構分析

根據創(chuàng)新設計方案,打穴是深松施肥的關鍵。通常需要較大的力,才能夠將插桿插入硬質土壤,同時還要插桿始終保持垂直狀態(tài)打入和拔出土壤。果樹根部土壤常年未翻動,堅實度較大,傳統的錘擊式破土裝置不僅存在破土困難的問題,還存在噪聲大、效率低的不足。于是,借助TRIZ矛盾沖突解決理論,對深松施肥機打穴破土機構進行創(chuàng)新設計。

3.1.1 應用TIRZ的問題求解

根據計算沖突理論明確改善和惡化要素,將其轉化為TRIZ理論中的39個通用工程參數,然后查閱技術矛盾沖突矩陣找出相應的發(fā)明原理解決技術沖突。打穴破土機構需要改進自動化程度低、效率低、噪聲大等不足,但是隨之而來的是使得施肥機尺寸變大、裝置復雜程度增加。應用TRIZ理論的創(chuàng)新設計流程,將矛盾歸納為:NO.-11應力或壓力(將錘擊的間歇力改變?yōu)槌掷m(xù)施加的連續(xù)力)、NO.-36裝置復雜度與NO.-12形狀、NO.-36裝置復雜程度之間的矛盾。利用TRIZ沖突矩陣定位交叉單元,確定發(fā)明原理,如表1所示。

對查詢到的發(fā)明原理進行分析,了解各發(fā)明原理的具體描述,結合打穴破土機構篩選出有價值的發(fā)明原理,如表2所示。參考發(fā)明原理NO.-19周期性作用、NO.-29氣壓和液壓結構提供的思路,改變打穴破土機構的受力方式,使用液壓缸設計多連桿打穴破土機構替代傳統錘擊式打穴破土機構,不僅能夠提升自動化程度與生產效率,還可以降低機器作業(yè)時的噪聲。

表2 有價值的發(fā)明原理釋義與應用

3.1.2 多連桿打穴破土機構分析

由此,采用多連桿機構設計了打穴機構,由液壓缸、搖臂、升降臂、插桿、滑軌等部件構成,液壓缸運動改變了BC桿的長度進而在CE桿的作用下迫使EF桿豎直向下運動以插入土壤中,如圖5所示。液壓油缸為原動件,其活塞桿伸縮過程中帶動油缸BC、搖臂AD分別繞B點、A點做定軸轉動,連桿CDE繞支點D運動,插桿EF在導軌的作用下在豎直方向做往復直線運動。

圖5 打穴機構運動簡圖

眾所周知,連桿機構中桿件長度是影響其運動規(guī)律的關鍵,為驗證打穴機構的運動規(guī)律與機構的可行性及打穴深度,就需要計算出各桿件的長度。對打穴破土機構進行運動分析發(fā)現,各桿件的運動實際上是由油缸活塞桿伸縮運動引起其他桿件轉角、位移等一系列的變化。由此,即可構建相應的函數關系,利用優(yōu)化設計方法來對目標參數進行優(yōu)化。以機構中A點為坐標原點,水平方向為X軸,豎直方向為Y軸,由此構建坐標系。那么,A點為支撐點在Y軸上固定不動,水平位移為0,豎直方向上位移為離地高度H,即xA=0,xB=-LAB,yA=yB=H;插桿端點E、F的位移如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中:xF——插桿端點F橫坐標,mm;

yF——插桿端點F縱坐標,mm;

d(t)——插桿端點F從地面開始打入土壤的深度,mm;

H0——插桿離地距離,mm;

t——打穴入土時間,s;

S——支撐點A與插桿端點F的水平距離,mm。

(2)

式中:xE——插桿端點E橫坐標,mm;

yE——插桿端點E縱坐標,mm;

LEF——插桿EF的長度,mm。

圖5中支撐點D、C的位移分別如式(3)和式(4)所示。

(3)

式中:xD——支撐桿AD端點D橫坐標,mm;

yD——支撐桿AD端點D縱坐標,mm;

LAD——支撐桿AD的長度,mm;

φ2——支撐桿AD與水平方向上的夾角,tanφ2=(yD-H)/xD。

(4)

式中:xC——油缸端點C橫坐標,mm;

yC——油缸端點C縱坐標,mm;

LCD——連桿CD的長度,mm;

φ3——連桿CD與水平方向上的夾角,tanφ3=H(t)/(S+xD)。

分別對式(1)～式(4)位移方程對時間求一階、二階導數,即可得到圖5中點F、E、D、C的速度、加速度方程。

考慮到深松施肥機未作業(yè)時需要收起插桿以免碰撞到地面,打穴機構需要安裝在履帶式底盤上以便于移動作業(yè)。也就是說,深松施肥機插桿末端離地距離應大于等于整機最小離地間隙。而且,成齡果樹根系發(fā)達,要求打穴深度不小于400 mm。那么,根據多桿機構的運動規(guī)律與深松施肥作業(yè)要求,明確優(yōu)化目標主要有:(1)插桿最大位移由最大打穴深度與裝備最小離地間隙之和不超過600 mm;(2)插桿接觸地面時,油缸擺動到最大轉角處,即油缸C點運動到最大水平位移處,此時打穴機構安裝的最大水平距離不超過800 mm;(3)油缸活塞桿行程小于300 mm;(4)機構運動無任何干涉現象。由此,構建起多連桿機構優(yōu)化目標函數如式(5)所示。

(5)

式中:ts——開始打穴的時刻,s;

tp——結束打穴的時刻,s;

tc——油缸C點運動到最大水平位移處的時刻,s;

xc——AB桿在水平方向上的投影長度,mm;

LAB——桿件AB的長度,mm;

LBC——桿件BC的長度,mm。

通過SolidWorks建模并做運動分析選擇滿足機構要求的參數組合,明確各桿件的長度分別為LAB=260 mm、LBC=360～650 mm、LCD=320 mm、LAD=380 mm、LDE=560 mm、LEF=600 mm。另外,考慮到作業(yè)效率,要求單次作業(yè)(包括打穴入土、施肥、氣爆、提起作業(yè))時間小于40 s。那么,就必須在10 s內完成打穴入土作業(yè),也就得到了液壓油缸伸長到最大行程過程中的平均速度約為0.03 m/s。再考慮到整機系統的安全性,打穴油缸液壓回路最大壓力小于等于20 MPa。

3.2 氣爆松土裝置

氣爆松土裝置是將空氣進行壓縮,產生一定的壓力以形成高速射流來產生爆破力,以達到松土的目的。氣爆松土關鍵在于利用高壓空氣瞬時膨脹做功,氣爆發(fā)生裝置如圖6所示。

圖6 氣爆發(fā)生裝置結構

通過空壓機將壓縮空氣注入高壓氣瓶內,當高壓瓶內達到一定壓力時,自動關閉進氣閥門,完成充壓過程。工作時,操作氣爆按鈕,放氣電磁閥打開,高壓氣體沿管道瞬間噴出,完成一次氣爆過程。高壓氣體膨脹過程會對周圍土壤產生劇烈的震動,從而松動土壤。

顯然,出氣口的排氣沖擊力會直接影響到松土的效果與施肥的范圍。為提升深松施肥機的作業(yè)效果,就要確保高壓氣瓶排氣口具備較高的理論沖擊力。依據工程熱力學原理,忽略高壓氣瓶排氣過程中壓力變化,高壓氣瓶積蓄壓力能后絕熱放氣過程最大沖擊力與高壓氣瓶出口噴射速度分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

式中:D0——高壓氣瓶排氣口截面直徑,m;

P0——高壓氣瓶內壓力,Pa;

P——管道內壓力,Pa;

k——空氣絕熱指數,k=1.4;

ρ0——高壓氣瓶內空氣密度,kg/m3。

在常溫25 ℃條件下,計算出高壓氣瓶內空氣密度進而得出氣流噴射速度v=500 m/s。再通過式(10)計算出理論上的最大沖擊力F=5 600 N。考慮到噴射管道長度以及彎道會對氣流產生較大衰減,要求高壓氣瓶排氣口的最大理論沖擊力大于6 000 N,才能保證插桿噴口對土壤有足夠的沖擊壓力,進而保障了深松施肥機的作業(yè)效果。

3.3 精量施肥裝置

精量施肥技術是精準農業(yè)重要的組成部分。深松施肥機精量施肥裝置采用螺旋送料器,如圖7所示。由電機帶動螺旋推桿轉動,肥料在螺旋軸的作用下逐步運動到出料口,經單向閥暫存儲于計量室,高壓氣流流經計量室時,會把計量室中存儲的肥料運送到土壤深處,從而完成一次施肥過程。計量室容積依據常見果樹需肥量和氣力輸送能力確定,計量室注滿肥料后即達到單次最大施肥量,查詢《粉粒體氣力輸送設計手冊》可知,螺旋送料器的輸送量如式(8)所示。

圖7 螺旋送料結構

Q=47D2Lsnρφψ

(8)

式中:Q——輸送量,t/h;

Ls——加料段螺距,m;

D——加料段螺旋直徑,mm;

n——螺旋軸轉速,r/min;

φ——送料器傾斜時修正系數;

ψ——物料填充系數;

ρ——物料堆積密度,t/m3。

從式(4)可以看出,在物料、螺旋軸已經確定的情況下,調整電機的轉速即可改變螺旋送料器的輸送量。由此,即可依據果樹實際需要動態(tài)調整施肥量,滿足果樹實際施肥量與用戶個性化需求。

4 方案評價與試驗分析

對果樹深松施肥概念方案進行科學評價,進一步驗證有效性。仿真分析與試驗是最為常見的創(chuàng)新方案評價方法,仿真結果合理即可進一步采用試驗方法驗證創(chuàng)新設計方案的有效性和可行性[13-14]。為驗證氣爆式果樹深松施肥機的作業(yè)效果,聯合成都某企業(yè)生產了樣機并在崇州市現代農業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科技示范園內梨樹種植區(qū)選取了10余棵梨樹作為試驗對象。

試驗需要記錄打穴深度,以驗證施肥深度,保證肥料直接被輸送到果樹根部,減少流失;還需明確空氣壓力以驗證土壤松動效果。試驗中,可以觀察插桿上的刻度記錄打穴深度從而得到施肥深度。要求每次打穴深度必須大于等于400 mm所在處的紅線。另外,結合園區(qū)果園土壤結構、堅實度等實際情況與空氣爆炸在土壤內部形成的氣穴和土壤表面的裂紋等現象來看,以土壤表面是否出現兩道以上明顯可見裂紋或裂紋寬度大于等于4 mm來判定土壤是否松動[8-9]。試驗結果如表3所示。

試驗測試了樣機打穴深度、氣爆松土效果、施肥效果等,均達到了設計要求,基本滿足果樹深松施肥的要求。另外,試驗中驗證了深松施肥機在成都及周邊地區(qū)常見果園中作業(yè)時空氣壓力大于0.6 MPa即可取得較好的松土效果。

5 結論

1) 分析TRIZ理論解決工程問題的具體流程,運用IFR與SLP法提出了果樹深松施肥機械創(chuàng)新設計方案,借助沖突矛盾矩陣解決錘擊式打穴破土系統技術矛盾,查詢沖突矛盾矩陣表,得到周期性、氣壓和液壓結構兩個有價值的發(fā)明原理,基于此設計了多連桿打穴破土機構,較好地解決了傳統錘擊式打穴破土機構效率低、人力勞動強度大、噪聲大等不足。

2) 進一步地完成了深松施肥機氣爆發(fā)生裝置、精量施肥裝置等關鍵部件詳細設計。深松施肥機可在免耕情況下一次性地完成松土、施肥作業(yè),大幅提升作業(yè)效率。通過建立SolidWorks三維數字模型仿真分析與樣機試驗分析,以打穴深度≥400 mm、土壤表面明顯可見裂紋數量≥2道或裂紋寬度≥4 mm為評價指標對創(chuàng)新設計方案進行評價,驗證設計方案的可行性與合理性。試驗結果表明,深松施肥機在成都及周邊常見果園中作業(yè)時空氣壓力大于0.6 MPa即可實現較好的深松施肥效果。為果園深松施肥機械研發(fā)與土壤改良奠定了技術基礎。