基于TRIZ理論對農用機械產品優化設計的運用研究

寧德奎　呂　俊

（云南新天力機械制造股份有限公司，云南　安寧　650300）

基于TRIZ理論對農用機械產品優化設計的運用研究

寧德奎呂俊

（云南新天力機械制造股份有限公司，云南安寧650300）

農用機械產品是為了滿足農業生產才產生的，按照不同的農藝要求制訂出不同的功能和結構的農機產品。針對此，基于TRIZ（發明問題的解決理論）的創新理論解決流程，以提高本公司現生產的甘蔗種植機的性能為例，進行產品的改良研究，應用Pro/I建立了甘蔗種植機的功能結構模型：通過功能價值分析，對系統組件進行裁剪；通過因果分析和資源分析確定了解決問題的入手點和解決問題所能借助的有用資源；通過技術矛盾、物理矛盾分析、知識庫查詢類比、物場分析、S曲線+進化路徑得出了多種解決問題的方案；通過評價模型、方案評價得出了最終方案，為公司帶來了一定的經濟效益。

甘蔗種植機；優化設計；TRIZ理論

種植是甘蔗生產過程中勞動強度最大和最重要的環節之一［1］，目前甘蔗播種環節主要是采用機械開行、人工播種［2］，雖然在勞動強度方面已經有了一定的改善，但相對于機械全程化來說，還沒達到立竿見影的效果。加之近兩年來國家政策越來越關注農村的發展，農民的經濟有了大輻度提高，農民的生產方式越來越趨于現代化，甘蔗種植機械在甘蔗種植地的農村市場也應運而生，特別是集開溝、切種、施肥、覆膜和覆土等多功能一體化的機械［3］更受廣大用戶的青睞。施肥作為其中一項重要的功能，發揮了很大的作用，作為這一功能的載體——肥料供給系統，在實際生產作業過程中，經常會由于外部、內部的各種原因引起一些生產停滯現象，如肥料結塊導致施肥的可連續性、肥效的不均勻等。

針對種種的不良結果，采用了一些傳統的經驗，獲得了一些改善。但是當進一步開展創新工作時，卻到了山窮水盡，受到了理論上、創新方法上的制約，甚至影響到了企業今后的核心技術競爭力。

一次偶然或者是必然的機會，接觸到了一種理論、一種創新理論、一種解決發明問題的理論——TRIZ理論［4］，其為我們突破傳統的思維提供了良好的理論基礎，并在實踐過程中得到了證實。本文也借助了TRIZ理論對肥料供給系統的功能、結構等作出了相應的分析，最后得出了一些常規方法不易解決的方案，并在實際生產作業過程中得到了運用，得到了廣大用戶的認可。

1　基于TRIZ理論的解決流程

基于TRIZ（發明問題的解決理論）的創新理論解決流程見圖1。

圖1　基于TRIZ的創新理論解決流程

1.1問題描述

第一步，對工程技術問題規范化定義，完整描述出技術系統名稱、技術系統的功能、工作原理、主要缺點及主要缺點出現的條件；第二步，詞表轉換，采用美國技術標準局發布的構成工作功能的動詞和名詞定義技術系統的功能及其對象，得出SVOP描述，從而找出產品的本質屬性。

1.2問題分析

以實現產品功能為出發點對技術系統的結構進行分析，建立功能機構圖，描述出系統中的組件都有哪些，以及它們之間的相互關系。通過組件的功能價值分析，得出裁剪的方案；通過因果分析找出問題的根本原因［5］；通過資源分析找出可以幫助解決問題的可用資源。

1.3問題求解

經過問題的分析確定了待解決的問題，通過TRIZ方法：技術矛盾分析、物理矛盾分析、物場分析等解題工具來對產生的問題求解；知識庫查找相應類比方案，通過篩選得出更貼近現有產品的解決方案。最后從多個所得方案中選出理想方案，或者綜合各種理想方案得出最終方案。

2　農用機械——甘蔗種植機的問題描述

隨著甘蔗種植的產業化，對于大面積的甘蔗種植生產來說，原來的人工種植已經無法滿足生產需要，高效率的甘蔗聯合種植機便應運而生，其集合了蔗種切斷、開溝、施肥、淋水、消毒、覆土、覆膜和鎮壓等多個工序，從而實現聯合作業的目的。其中，肥料供給系統在整個系統中起著至關重要的作用，其為整個種植工作提供持續、均勻的施肥，如圖2所示。

圖2　甘蔗種植機結構圖

2.1主要功能

技術系統的主要功能為釋放肥料通暢性。

2.2工作原理

肥料導槽傳輸肥料→肥料擋板中斷肥料（邊緣）轉動→肥料箱積聚肥料→肥料箱底座（圓形）限制肥料在圓盤上→流量調節閥調節液壓馬達→液壓馬達驅動減速器→減速器轉動活肥料圓盤→肥料圓盤轉動肥料→機架安裝肥料箱→機架安裝減速器→機架安裝切斷箱、淋水箱等組件→肥料箱連接肥料箱底座、肥料導槽支板→肥料導槽支板連接肥料導槽→減速器連接肥料圓盤。

2.3主要問題

該肥料供給系統作用是在甘蔗種植過程中連續、均勻地為農作物施肥，但會在生產作業過程中出現問題如下：久置于系統內的肥料會受潮結塊，且其自身由于重力的影響會使得堆積在組件底部的肥料受壓結塊，從而影響肥料在導槽中的通暢性；另外，肥料與系統組件長時間接觸，對系統組件有腐蝕性，黏結在組件內部，使得通道變小，肥料通過受阻。

2.4待解決問題

減少肥料對組件的黏結、腐蝕；減少肥料在肥料箱內的殘余量。

2.5對新技術的要求

技術系統能夠順暢、均勻地釋放肥料；系統組件不被腐蝕、黏結；系統組件能被容易清潔或自我清潔。

3　肥料供給系統技術分析

3.1系統功能分析

應用億維訊公司推出的軟件Pro/I，分析肥料供給系統各組件之間的相互作用關系，建立功能模型圖，如圖3所示。圖3描述了系統中的組件都有哪些，以及它們之間的相互關系，并得出造成肥料結塊的問題點：空氣濕度對肥料聚結結塊，結塊肥料卡滯到肥料導槽中及圓盤和肥料箱底座之間；肥料吸潮黏結到導槽中，使得導槽通道變小。箭頭中間的框內反應了各組件之間的作用關系，此關系也可反應出組件關系中的有害的、不足的、過度的關系。可以直觀、有條理地判斷出問題出現的關鍵點以及解決問題的出發點。

圖3　肥料供給系統功能模型圖

表1　肥料供給系統組件的功能價值分析表

通過組件的功能模型圖，作出系統組件的功能價值分析表，如表1所示，定量分析出可以裁剪的組件。

解決方案1：TRIMMING，去掉肥料導槽支板，導槽直接連接到機架上。

3.2因果分析

在系統功能分析的基礎上對問題點進行因果分析，逐層深入，得到解決問題的入手點造成施肥系統堵塞的問題點，如圖4所示。一是空氣中有水分，久置于肥料箱中的肥料受潮結塊，出現導槽卡滯；二是常用的肥料腐蝕施肥系統組件。

主要缺點分析結果——施肥系統堵塞：①肥料圓盤無肥料溢出→肥料圓盤與肥料箱間堵塞→肥料結塊→堆積時間長→肥料圓盤的形狀限制；②肥料導槽堵塞→肥料導槽通道變小→肥料腐蝕黏附在通道內→肥料導槽組件抗腐蝕性能差；③肥料導槽堵塞→肥料導槽通道變小→肥料腐蝕黏附在通道內→肥料吸潮黏結→肥料導槽無密封。

圖4　施肥系統堵塞的問題點

解決方案2：優化肥料圓盤結構，即增加一個圓錐體，只是肥料直接分散落到圓盤邊緣，減少肥料的堆積量，如圖5所示。

圖5　肥料圓盤結構優化

解決方案3：在組件外部增加防護套，即在肥料箱周圍增加有防水性能的防護套，盡量避免肥料直接裸露到空氣中。

3.3資源分析

針對每一個待解決的問題尋找可利用的資源，確定資源列表，如表2所示。然后，明確資源利用的一般原則：由實物資源到虛物資源，由內部資源到外部資源，由靜態資源到動態資源，由直接資源到派生資源，由廉價資源到貴重資源，挖掘出隱性資源，優化資源結構，發揮出資源的價值。最后，構造概念方案。

表2　可利用資源表

解決方案4：利用發動機尾氣風能吹走黏附到肥料導槽上的肥料。

4　應用TRIZ解題工具體系求解

4.1技術矛盾分析

據根本原因分析中的因果關系，定義出技術矛盾，并利用矛盾矩陣和創新原理解決工況問題。

4.1.1針對肥料箱被腐蝕的問題形成的技術矛盾。①問題：材料為Q235的肥料箱被肥料腐蝕。②現有解決方案：更換材料為不銹鋼。③缺點：可制造型較差。

圖6　肥料導槽

技術矛盾1：改善的參數，物體外部有害因素作用；惡化的參數，可制造性。

創新原理：查矛盾矩陣得35（物理或化學參數改變原理）。

解決方案5：公司暫無焊接不銹鋼的設備，但有鉆床、鉚接設備、加工中心等，運用物理或化學參數改變原理，將此處組件由焊接更改為打孔螺栓連接。

4.1.2針對肥料黏附在肥料箱上時間長的問題形成的技術矛盾。①問題：肥料黏結肥料箱的時間長，容易對其產生腐蝕。②現有解決方案：牽引拖拉機和機架之間由原來的半柔性連接更改為硬性連接，增加震動強度，使得肥料不易粘到施肥組件上，減少腐蝕時間。③缺點：物體產生的有害因素。

技術矛盾2：改善的參數，靜止物體作用時間；惡化的參數，物體產生的有害因素。

創新原理：查矛盾矩陣得22（運用變害為利原理）。

解決方案6：運用變害為利原理，超系統中的動力系統中，發動機運行會產生震動，可以將震動傳遞到施肥組件，震動使得肥料不易黏結到組件表面，減少腐蝕的時間，實現變害為利原理。

4.2物理矛盾定義

針對肥料導槽小的問題進行物理矛盾分析，如圖6所示。

第一步，定義物理矛盾，參數：空間，要求1：大，要求2：小。

第二步，如果想實現技術系統的理想狀態，這個參數的不同要求應該在什么空間得以實現？

空間1：肥料導槽端口處；空間2：肥料導槽導管。

物理矛盾1：肥料導槽越大，越不易堵塞；肥料導槽越小，越便于安裝，不占用空間。

創新原理：41-矛盾屬性空間分離原理。

解決方案7：參照41原理，將肥料導槽分成容易組裝和拆卸的兩部分，采用了肥料導槽的上端口和肥料導管分離，在甘蔗種植機操作平臺上端的部分不做更改，在下端的導管部分加大（操作平臺下面，不影響安裝）。

4.3物場模型

4.3.1明確問題部位。肥料箱積聚肥料過多的時候，肥料由于自身重力，使得下端（肥料圓盤上表面）肥料積壓結塊。

4.3.2建立物場模型。分析標準解：1.2.2拆解物場模型；分析資源：系統內肥料箱積聚肥料；肥料箱：靜止的，積聚肥料；外界環境資源：壓力、重力；超系統資源：機架。

4.3.3應用標準解法。方案模型：在場中引入改進的肥料箱，分散肥料自身的重力，使得重力不集中在肥料箱的下端。如圖7所示為建立新的物場模型。

圖7　新的物場模型

解決方案8：引入改進的肥料箱來消除因肥料積壓結塊的問題，將肥料箱內部增加擋板，分散肥料對底部的積壓，如圖8所示。

4.4S曲線及技術進化法則

定義出產品所處的發展階段，如圖9所示。系統處于成長期。借助進化法則分析，根據參數確定S曲線［6］上所處位置，主要采用的改進參數為最大性能，從表面屬性進化著手。

圖8　改進的肥料箱

圖9　產品所處的發展階段

解決方案9：根據系統進化法則，系統表面屬性進化向匯聚或分散有用作用或負載方向躍遷在肥料圓盤中安裝4個葉片，旋轉攪拌肥料，使肥料不結塊，見圖10。

5　基于TRIZ的甘蔗種植機肥料供給系統的設計方案

結合實際的生產情況，經過對比后形成最終方案：肥料箱組件中，與肥料有接觸的部分更改材料為更抗腐蝕的不銹鋼；裁剪掉肥料導槽支板，節省一定的成本；肥料圓盤中間加圓錐體，并且椎體上面加葉片；肥料箱內加擋板。這四種方案同時實施，達到了立竿見影的效果。

6　結論

有人有這樣的疑惑：創新就是跳出思維定式，學習了TRIZ理論是不是反而為自己的思維增加了一種束縛？其實不然，TRIZ意譯為發明問題的解決理論，TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。其是基于技術的發展演化規律研究整個設計與開發過程，而不再是隨機的行為。其實漫無目的地去思考、去創新，只是一時的頭腦風暴。

帶著實際工作中出現的一些技術問題，結合TRIZ理論學習和培訓，按照TRIZ理論創新的思維、方法及解決流程，針對甘蔗種植機施肥系統在生產作業過程中經常出現的肥料黏結到肥料箱和肥料導槽上，導致施肥時出現卡滯顯現，而且對組件造成了一定的腐蝕、損壞作用等諸多問題，進行了一個過程全面的運用，獲得了一些問題的解決方案，并且在生產過程中得到了運用，為企業帶來了更大的效益。

圖10　肥料箱旋轉攪拌裝置

［1］劉慶庭，莫建霖，李廷化.我國甘蔗種植機技術現狀及存在的關鍵技術問題［J］.甘蔗糖業，2011（5）：15-16.

［2］郭家文，楊丹彤.甘蔗全程機械化生產技術［M］.北京：中國農業出版社，2015：18-20.

［3］唐遵峰，胡國勝，李春友，等.ZCZY-2型甘蔗聯合種植機的設計與研究［J］.農業機械，2007（20）：71-76.

［4］譚潤華.創新設計——TRIZ：發明問題解決理論［M］.北京：機械工業出版社，2006：5-8.

［5］付敏，于大雪.基于TRIZ和CAI的產品概念設計及應用研究［J］.工業技術經濟，2015（11）：147-148.

［6］周蘇.創新思維與科技創新［M］.北京：機械工業出版社，2016：104-106.

Study on the Application of TRIZ Theory to the Optimization Design of Agricultural Machinery Products

Ning DekuiLv Jun （Yunnan Xintianli Machinery Manufacturing Co.Ltd.，Anning Yunnan 650300）

The generation of agricultural machinery products is to meet the agricultural production，according to the different agronomic requirements for different function and structure of agricultural machinery products.Based on the theory of the innovation of the TRIZ solve process，to improve the performance of the company production of sugarcane planting machine as an example，product improvement，application of Pro/I sugarcane planting machine function structure model was established:By cutting through function value analysis on system components；By causal analysis and resource analysis to determine the solution to the problem；Through the analysis of the technical and physical contradictions，knowledge query analogy，field analysis，the S curve+evolution path obtained a variety of solution；Finally obtained by evaluation model，project evaluation，brought a certain economic benefits for the company. Keywords：sugarcane planting machine；optimum design；TRIZ theory

S220.1

A

1003-5168（2016）07-0069-05

2016-06-02

寧德奎（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：農用機械產品的研發；呂俊（1990-），男，本科，助理工程師，研究方向：農機產品的研發。