利用TRIZ理論對圓捆機成捆系統創新設計

趙小娟，王 強，王 馨，郭喜燕，董佳佳，孫文婷，王志軍，周小寶

(1.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古烏拉特中旗農牧機服務中心，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引言

目前我國收獲牧草與農作物秸稈的打捆機主要有圓捆機和方捆機兩種機型。方捆機結構較為復雜，關鍵零部件依賴進口；圓捆機結構相對簡單，故障率低、便于維修，不足之處是圓捆機在草捆成型過程中，成捆室在物料不斷旋轉下草捆直徑不斷增大，成捆室壓力隨之增大，造成前倉和后倉閉合不緊，導致草捆密度降低。本文利用TRIZ理論對圓捆機的成捆室壓力控制系統問題進行分析，以期通過改善前后倉閉合效果找到提高草捆密度有效方法，為圓捆機的結構優化改進提供理論基礎和解決方案。

1 圓捆機結構及工作原理

圓捆機是一種農村牧區適用的牧草與秸稈收獲機具，可一次性完成物料的撿拾、喂入、切碎、卷捆、纏網和卸捆等作業工序，主要由機架、傳動系統、撿拾器、強制喂入機構、成捆室、卸草器和行走機構等組成[1]。圓捆機結構如圖1所示。

1.傳動軸 2.牽引架 3.齒輪箱 4.纏網機構 5.傳動系統6.液壓系統 7.后倉室 8.卸草機構 9.行走機構 10.前倉室 11.強制喂入機構 12.撿拾器 13.導向器圖1 圓捆機結構Fig.1 Structure of round baler

圓捆機的成捆室主要由前倉、前倉側板、輥筒、倉室連接軸、傳動系統和后倉組成，其結構如圖2所示[2]。圓捆機在作業過程中，隨著機器的前進，撿拾器將地面平鋪的物料撿起，經喂入機構送入成捆室，通過輥筒旋轉，物料形成草芯，如圖3a所示。隨著物料不斷增加，成捆室內的草捆逐漸增大，如圖3b所示。草捆直徑不斷增大，成捆室壓力隨之增大，當壓力達到規定值時即形成圓柱狀草捆，如圖3c所示。成捆室壓力值到達設定值時機器停止前進，開始纏網卸捆作業，如圖4所示。合上后倉繼續進行下一個圓草捆的打捆作業[3]。

1.輥筒 2.前倉 3.后倉 4.鏈輪圖2 成捆室結構Fig.2 Structure of baling chamber

圖3 圓捆機作業過程Fig.3 Working process of round baler

2 TRIZ理論及問題描述

TRIZ是由蘇聯發明家ALTSHULLER G S(根里奇·阿奇舒勒)提出的一套具有完整體系的發明問題解決理論和方法。目前，該理論已形成一套解決發明創造問題的技術流程，如圖4所示[4]。

圖4 基于TRIZ理論的發明問題解決過程Fig.4 Solving process of invention problem based on TRIZ theory

按照TRIZ理論原理，產品之所以要進行創新，是因為其內部存在矛盾，產品內部矛盾分為技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾是指為了改善技術系統的某個參數，導致該技術系統的另一個參數惡化；物理矛盾是指同一參數有兩個不同的要求[5]。

3 提高草捆密度的技術方案

3.1 利用技術矛盾進行創新

成捆室作為一個技術系統，其內部存在技術矛盾，該技術矛盾描述如表1所示[6]。根據預先作用原理提出技術方案，即在前倉與后倉連接部位加裝拱形碟片，通過加裝拱形碟片的方案為后倉提供足夠的壓力，在草捆成捆過程中確保成捆室后倉有足夠的壓力補償。

表1 技術矛盾Tab.1 Technical contradiction

3.2 利用物理矛盾進行創新

隨著圓捆機成捆室物料增多，草捆直徑增大逐步擠壓后倉，擠壓力增大造成前后倉之間不能完全閉合，因此這對物理矛盾中則存在對其具有相反要求的一個“壓力”參數[7]。根據對物理矛盾的分析，這對矛盾的要求在不同時間段提出，因此可以運用時間分離原理解決。綜合運用TRIZ理論中的分離原理與發明原理，最終采用周期性原理生成解決方案，即利用周期性原理在成捆室的后倉液壓控制系統加裝單向電磁閥。加裝單向電磁閥后，草捆在成捆過程中，成捆室后倉壓力始終保持周期性恒定，從而緩解草捆直徑增大過程中成捆室閉合性差的問題[8]。

3.3 方案對比

以上兩種方案均可以在增加物料喂入量的情況下，使成捆室前后倉始終保持較好的閉合效果，進而提高草捆成捆密度。加裝拱形碟片方案增加了機械結構復雜程度，且后倉壓力不可精準調控，在設備運行過程中后倉不斷開合易造成拱形碟片損壞。加裝單向電磁閥方案不用更改機械結構，針對物料的不同可以精準調控后倉壓力。

綜合對比分析，最終采用加裝單向電磁閥方案，改善前后倉閉合效果，達到有效提高草捆密度的目的。

4 試驗驗證

按照GB/T 14290—2021《圓草捆打捆機》中第5章的試驗方法進行試驗驗證[9]。主要試驗指標是草捆密度，試驗作業如圖5所示。

圖5 圓捆機作業試驗Fig.5 Operation test of round baler

通過試驗，對草捆密度進行測定、計算和結果分析。根據草捆密度公式

式中ρ——草捆密度，kg/m3

mk——草捆質量，kg

D——草捆直徑，m

W——草捆寬度，m

對未加裝單向電磁閥的圓捆機進行了5次打捆測定，求草捆密度平均值，測定結果如表2所示。在同等試驗條件下，對加裝單向電磁閥之后的圓捆機進行了5次打捆測定，求草捆密度平均值，測定結果如表3所示。

表2 打捆機未加裝單向電磁閥草捆密度Tab.2 Bale density of baler without one-way solenoid valve

表3 打捆機加裝單向電磁閥后草捆密度Tab.3 Bale density of baler equipped with one-way solenoid valve

試驗結果表明，打捆機成捆室改進前的草捆密度平均值為117.6 kg/m3，成捆室優化后的草捆密度平均值為159.0 kg/m3，草捆成捆質量有了明顯提升。

5 結論

TRIZ理論是一種標準化的創新方法，利用該理論可以科學快速地找到解決技術問題的思路和方法。將該理論運用于農牧業機械裝備設計開發過程中，可以縮短產品開發周期，降低研發成本，進而加快產品升級換代[10]。

(1)利用TRIZ理論的技術矛盾和物理矛盾原理，提出加裝拱形碟片和單向電磁閥兩種技術方案。經過對比分析，最終選擇加裝單向電磁閥，通過液壓壓力的單向調節，保證打捆機成捆室前后倉完整閉合。

(2)試驗結果表明，采用加裝單向電磁閥方案，草捆密度由改進前117.6 kg/m3提高到159.0 kg/m3，草捆密度提高35%，改善效果明顯。