基于TRIZ理論的秸稈打捆機壓捆室的創新設計*

韓 錳 ， 王成軍 ， 朱 韜

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學人工智能學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

農作物秸稈是含有大量養分的生物質資源，充分利用秸稈資源有利于促進生態系統養分循環和可持續發展[1]。我國擁有豐富的秸稈資源，但人工回收存在勞動強度大、工作時間長、易散捆等問題，秸稈打捆機作為專用的秸稈回收機械能有效提高回收效率，且成捆質量更高[2]。

國內已有多位學者針對圓捆打捆機的結構設計和改進做了相關研究。雷軍樂等[3]對喂入裝置增加碾壓對輥和雙喂入輥子，提高其喂入能力，解決喂入不暢甚至堵塞的問題；高東明等[4]設計了一種對數螺線式壓捆裝置，由預壓機構和二次壓捆機構組成。但目前國內學者涉及可變室打捆機的研究較少，為解決鋼輥式圓捆打捆機壓捆室直徑不可變的問題，課題組基于TRIZ理論設計了一種可變室圓捆打捆機。

1 TRIZ理論簡介

TRIZ的英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems，中文翻譯為“發明問題的解決理論”，由以前蘇聯的阿奇舒勒（G.S.Altshuler）為首的專家通過研究專利文獻，發現技術系統的創新規律，并在此基礎上建立的解決創造發明問題的方法。TRIZ的基本含義就是解決實際的發明問題，從而實現技術和管理上的創新。TRIZ的理論體系主要包括8大進化法則、最終理想解IFR、40個發明原理、39個工程參數、阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和4大分離原理、物-場模型分析和發明問題的標準解法等多個方面[5]。

2 問題描述

現有的圓捆打捆機多為牽引式，且國內多數圓捆打捆機僅能形成單一直徑的圓草捆，若要形成直徑不同的圓草捆需更換不同型號的打捆機，這一操作會大大降低工作效率，且操作不便。若一種型號的打捆機可實現成形直徑不同的圓草捆，可解決這一問題。因此，需要創新設計出一種可變室打捆機，以此解決形成的圓草捆直徑單一的問題。

3 問題分析

3.1 壓捆室功能分析

在TRIZ中，功能分析能將抽象問題具體化。本研究依次通過組件分析、相互作用分析、功能建模3個步驟分別識別技術系統及其超系統組件，找出組件間相互作用關系，評估組件間執行功能。

3.1.1 組件分析

通過組件模型分析當前技術系統間的相互作用關系及其主要功能，找出當前系統的超系統、子系統及子子系統等，為下一步進行各組件間相互作用分析作鋪墊。壓捆室組件分析模型如表1所示，其當前技術系統為壓捆室，主要功能是形成圓草捆。

3.1.2 相互作用分析

當兩個組件相互作用時就會產生相互作用，相應地，也會產生某種功能。根據表1的內容，繪制壓捆室的相互作用矩陣，如圖1所示，通過對圖1進一步分析，得出各組件間的功能屬性，如表2所示。

表2 壓捆室組件功能分析

3.1.3 系統功能建模

根據對圓捆打捆機的組件分析及相互作用分析，分析結果如表1、圖1、表2所示。在上述基礎上對壓捆室進行功能建模，如圖2所示，由功能模型圖可看出鋼輥和放捆機構壓迫機架，會造成機架損傷；鋼輥對軸承產生過度擠壓，且形成草芯時存在不足。

圖2 壓捆室組件功能模型圖

3.2 壓捆室因果軸分析

TRIZ中因果軸分析是通過尋找問題產生的原因，找出整個原因鏈，分析初始缺陷和底層缺陷之間的邏輯關系，進而找到解決問題的突破口。通過對壓捆室功能進行分析，進一步采用因果軸分析問題產生的原因，如圖3所示。

圖3 壓捆室的因果軸分析

通過壓捆室功能分析和因果軸分析，得出壓捆室直徑不可變的兩個問題：問題1，鋼輥自身體積過大使得重量增加，導致其不易移動；問題2，安裝鋼輥的位置度不足和鋼輥不可移動，導致形成的圓草捆直徑不可變。

4 問題解決

4.1 技術矛盾分析

問題1：鋼輥自身體積過大使得重量增加，導致其不易移動。

現有的鋼輥設計為空心式，但鋼輥強度存在不足，且圓形表面鋼輥卷捆效率較低。解決方法：建立矛盾矩陣表，找出惡化參數和改善參數，如表3所示，具體解決方案描述如下。

表3 技術矛盾矩陣

分割原理1（a.將物體分成獨立的部分；b.使物體成為可拆卸的；c.增加物體的分割程度）：將鋼輥分為幾個空心部分，加裝內軸連接。

改變特征原理35（這里包括的不僅是簡單的過渡，例如從固態過渡到液態，還有向“假態”和中間狀態的過渡，例如采用彈性固體）：將鋼輥由圓形改為方形空心狀。

廉價品替代原理27（用一組廉價物體代替一個昂貴物體，放棄某些品質如持久性）：用塑料制輥子代替鋼輥。

復合材料原理40（由同種材料轉為混合材料）：用鋁合金代替鋼加工制作輥子。

由上述發明原理，可提出方案1：使用比鋼密度更小的材料加工制作輥子；方案2：將鋼輥由一體化改成內外嵌合式，并在鋼輥中間添加輻板。

4.2 物-場模型分析

問題2：形成的圓草捆直徑不可變。

解決方法：利用物-場模型解決，通過引入其他場代替現有的場或直接引入一個場以達到最終目標。由于鋼輥式圓捆打捆機的鋼輥是不可移動的，故導致打捆機形成圓草捆的壓捆室大小不可變。通過物-場模型引入液壓場，加裝液壓推桿，將液壓推桿與鋼輥末端固定連接。通過液壓馬達控制液壓推桿的行程，進而控制鋼輥移動改變壓捆室大小，物-場模型如圖4所示。

圖4 壓捆室物-場模型

通過在壓捆室上加裝液壓推桿得到方案3、方案4和方案5。其中，方案3是在壓捆室四周加裝液壓推桿，將其與鋼輥末端配合控制鋼輥移動，壓捆室為一體化；方案4是在壓捆室側面加裝液壓推桿，由此控制鋼輥移動進而控制壓捆室直徑，壓捆室由前壓捆室和后壓捆室組成；方案5是在鋼輥內部添加液壓推桿控制鋼輥直徑，來改變壓捆室大小。

5 方案評價與實施

5.1 方案評價

方案1和方案2對輥子結構實現了優化，方案1改變了制作輥子的材料，在降低密度的同時減輕重量，但強度問題仍未解決；方案2將輥子設計為內外嵌合的一體式，減輕輥子重量，減小對機架的壓力，在內外輥子間添加輻板可保證輥子強度。

方案3~5針對打捆機變直徑問題提出了不同的解決方案。方案3在壓捆室四周添加變直徑裝置雖然可以改變壓捆室直徑，但精確性不足，安裝不便，成本較高；方案4在壓捆室側面安裝液壓推桿，相較于方案3安裝控制方便，精確性高；方案5在輥子內部添加變直徑裝置，理論上可改變壓捆室直徑，但各個輥子間距離過大，形成草芯較為困難。

5.2 方案實施

通過上述的問題分析、問題解決和方案評價得出壓捆室最終設計方案由方案2和方案4組成。最終設計的壓捆室三維圖如圖5所示，創新設計了可變直徑壓捆室。當圓草捆直徑與壓捆室最小直徑相等時，液壓推桿控制鋼輥移動，使壓捆室逐漸增大繼續形成圓草捆，草捆達到預設密度后草捆卸載裝置卸載草捆，完成一次成捆作業。

圖5 可變室壓捆室結構圖

6 結論

針對圓捆打捆機壓捆室直徑不可變的問題，課題組利用TRIZ理論對壓捆室進行創新設計。闡述了目前圓捆打捆機存在的問題，運用TRIZ分析工具得出圓捆機壓捆室直徑不可變的原因，通過TRIZ求解工具得到相應的解決方案，最終通過方案評價得出由方案2和方案4組合形成的可變室壓捆室。

課題組創新設計的可變室壓捆室相對于傳統的壓捆室，可形成不同直徑的圓草捆，提高了圓捆打捆機的工作效率，為之后研究可變室圓捆打捆機提供思路。