基于TRIZ 創新理論的馬鈴薯挖掘與殘膜回收一體機卷膜裝置的設計

劉小龍，張 華，趙武云，孫 偉，李 輝，李紅嶺

（甘肅農業大學機電工程學院，甘肅蘭州730070）

0 引言

馬鈴薯地膜全域覆蓋膜上覆土栽培技術被廣泛應用于西北黃土高原旱區[1]，但關于該技術的挖掘及殘膜回收機具較少。本文基于TRIZ 創新理論研發了馬鈴薯挖掘與殘膜回收聯合作業機，可一次完成馬鈴薯挖掘和殘膜撿拾，減小作業成本，實現地膜污染防治和作業效率提升，促進旱作馬鈴薯生產可持續發展[2]。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

如圖1，該機具由機架、傳動系統、挖掘裝置、薯土分離裝置、薯膜分離裝置、殘膜回收裝置、可調地輪等構成。

圖1 馬鈴薯挖掘與殘膜回收一體機結構

1.2 工作原理

該機采用三點懸掛，作業時挖掘裝置將薯土膜掘起，分離裝置對薯土進行分離，薯塊穿過二級薯膜分離裝置鋪放在地表，殘膜和膜上土壤經過二級薯膜分離裝置送至殘膜回收裝置的上方，實現膜、薯和膜上土的分離，掉下的殘膜被挑膜針扎取并纏繞到錐形輥筒上實現殘膜回收，當殘膜纏繞到和卷膜針旋轉直徑大小相同時卸掉殘膜，繼續作業。

1.3 技術參數

2 基于TRIZ 理論卷膜卸膜裝置的創新設計

2.1 問題描述

現有殘膜回收裝置存在的問題：殘膜回收裝置作業時將殘膜纏繞在錐形卷膜輥筒上，當纏繞到一定直徑時要進行停機卸膜，才能達到殘膜回收的目的，但在卸膜時出現卸膜困難。

2.2 問題分析

應用TRIZ 創新理論對馬鈴薯挖掘與殘膜回收一體機的關鍵部件殘膜回收裝置進行因果分析，得出卸膜困難的原因有：滾筒轉速過高、滾筒形狀不合理、滾筒表面太粗糙、螺紋長度過長、卷膜針表面太粗糙。

2.3 解決問題

2.3.1 分析技術矛盾1

根據因果分析解決如何降低挑膜針與殘膜之間的摩擦力。根據矛盾矩陣表，確定改善的參數為力，惡化參數為形狀；對應的創新原理有預先作用原理、拋棄和再生原理、物理或化學參數改變原理、復合材料原理。

根據分析及找到的物理或化學參數改變原理啟發，得到卷膜針方案：原挑膜針為Φ20 圓鋼和M12 螺紋焊接而成，現將圓鋼圓柱面改為錐形面，減小了挑膜針與殘膜之間的摩擦力[3]，如圖2。

圖2 挑膜針

2.3.2 分析技術矛盾2

根據因果分析解決如何減小卷膜筒表面與殘膜的摩擦力。根據矛盾矩陣表，確定改善的參數為力，惡化參數為可制造性；對應的創新原理有分割原理、機械振動原理、動態特性原理、熱膨脹原理。

根據分析找到的分割原理啟發，得到卷膜裝置方案：將原來的整體式卷膜筒改為兩段式卷膜筒并保證整體長度不變，而單個卷膜筒的長度減小使得殘膜與卷膜筒的接觸面積減小，從而減小卷膜筒與殘膜之間的摩擦力，如圖3。

圖3 分段卷膜輥筒

2.3.3 分析物理矛盾

定義物理矛盾為現系統采用一個無錐度小直徑的卷膜筒，作業時可以纏繞收集更多的殘地膜，但在卸膜時出現了纏繞過緊無法順利卸膜，則：

選擇參數為錐度，實現技術系統理想狀態，參數錐度在卷膜時要求錐度要小，在卸膜時要求錐度要大。

卷膜時間和卸膜時間這兩個時間段作業有先后順序因此不交叉，可以應用時間分離。

時間分離推薦的創新原理有：動態特性原理、拋棄或再生原理、預先作用原理、事先防范原理、曲面化原理等[4]。

圖4 變徑卷膜輥筒

根據物理矛盾分析，應用動態特性原理得到方案：將原來的定直徑卷膜筒改為變直徑卷膜筒，在卷膜時卷膜筒的直徑保持一定，此時卷膜筒的錐度為0，有利于均勻纏繞殘地膜；在卸膜時拉動滑套使卷膜筒一端的直徑變小，此時卷膜筒成為一個錐形，有利于卸膜。本方案現場改造方便，改造成本不高，具有很高的可行性，如圖4。經方案綜合評價，最終將卷膜裝置設計為兩段小錐度卷膜輥，挑膜齒設計為倒錐型小頭帶螺紋，卷膜裝置結構如圖5。

圖5 殘膜回收裝置結構示意

2.4 確定最終方案及結論

3 田間試驗

試驗所用地膜為當地常用的厚度為0.012 mm、寬度為1 200 mm 黑色地膜，試驗地位于甘肅省定西市隴西縣福星鎮龐家岔村，是馬鈴薯全膜苗帶覆土種植模式的典型區域，土壤類型為黃綿土，含水率為15.5%～18.1% 。該試驗地于2020 年4 月20 日覆膜播種，2020 年10 月15 日進行機具試驗，參照GB/25412-2010《殘地膜回收機》和NY/1130-2006《馬鈴薯收獲機》進行性能試驗[5]，試驗結果見表1。

表2 殘膜回收率試驗結果（%）

試驗結果表明，樣機運行穩定，當作業速度為3～5km/h時，殘膜回收率均值為93.5% ，達到相關標準。

4 結論

（1）基于TRIZ 創新理論對殘膜回收裝置進行了創新設計，解決了卸膜困難的問題，提高了殘膜回收作業效率。

（2）田間試驗表明，在機組行走速度為3 km/h 時，馬鈴薯挖掘與殘膜回收一體機殘膜回收率為93.5% ，滿足馬鈴薯殘膜回收技術基本要求。

圖6 田間試驗