基于TRIZ理論的打捆機撿拾喂入系統(tǒng)改善

郭喜燕，王振華，王 馨，趙小娟，王 強，鮑志亮，高 磊，王俊躍

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古華德牧草機械有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；3.烏拉特中旗農(nóng)牧機服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引言

打捆機是一種牧草收獲作業(yè)機具，打捆機通過撿拾喂入、螺旋輸送、壓縮成型、自動捆扎等工序?qū)⑸钅敛輭嚎s成為草捆，成捆后的牧草便于運輸，方便存貯[1]。

打捆機的撿拾喂入系統(tǒng)在工作時，由于牧草喂入量不均勻，導致螺旋輸送器和撿拾器架體之間及喂入口周圍易堆積牧草，造成撿拾喂入系統(tǒng)堵塞，影響機具正常工作。

本文應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新原理對打捆機的撿拾喂入系統(tǒng)發(fā)生堵塞問題尋找解決方案，以改善撿拾喂入效果，提升作業(yè)效率。

1 工作原理及問題描述

打捆機撿拾喂入系統(tǒng)主要由撿拾器、螺旋輸送器、撥草叉、喂入口、架體等組成(圖1)。該系統(tǒng)主要功能是將鋪放在地面上的散狀牧草通過撿拾器撿拾輸送到螺旋輸送器，并推送至中間的喂入口，撥草叉將牧草撥入到壓縮室內(nèi)。

撿拾喂入系統(tǒng)工作時，由于牧草喂入量不均勻，導致螺旋輸送器和撿拾器架體之間易纏繞和堆積牧草，堵塞喂入口，導致機器無法正常打捆作業(yè)。

1.撿拾器 2.螺旋輸送器 3.撥草叉 4.喂入口 5.架體圖1 打捆機撿拾喂入系統(tǒng)模型Fig.1 Model of pickup feeding system of baler

2 TRIZ理論介紹

TRIZ理論是一個對創(chuàng)新設(shè)計、發(fā)明創(chuàng)造和難題解決非常有用的理論，具有較強的操作性、通用性，以及高效率、高創(chuàng)新率等特點[2]。TRIZ理論的主要組成部分如圖2所示。TRIZ理論超越了以往一些激發(fā)創(chuàng)造力的傳統(tǒng)創(chuàng)新方法，通過一系列系統(tǒng)化的分析問題、解決問題的流程，幫助各行業(yè)創(chuàng)新設(shè)計人員得到最有效的解決方案[3]。

圖2 TRIZ理論主要組成部分Fig.2 Main components of TRIZ theory

3 改善撿拾喂入系統(tǒng)技術(shù)方案

為改善打捆機撿拾喂入系統(tǒng)，利用TRIZ理論進行分析，制定解決方案。

3.1 利用裁剪原理提出方案

利用裁剪原理提出方案，即采用空心螺旋輸送器結(jié)構(gòu)。該方案是將易纏繞牧草的用于固定螺旋葉片的基軸裁剪掉一部分，形成空心螺旋輸送器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)減少了牧草與螺旋輸送器纏繞的接觸面積，增大了牧草輸送空間，防止產(chǎn)生因牧草與螺旋輸送器纏繞導致?lián)焓拔谷胂到y(tǒng)堵塞的現(xiàn)象。

1.螺旋輸送軸 2.螺旋葉片圖3 空心螺旋輸送器示意Fig.3 Schematic diagram of hollow screw conveyor

3.2 利用技術(shù)矛盾提出方案

為防止牧草堆積造成堵塞，可采用提高喂入速度的方法。但是，喂入速度的提高會造成機具可靠性下降。因此撿拾喂入系統(tǒng)存在著一對技術(shù)矛盾：改善速度的同時，惡化可靠性。根據(jù)這對技術(shù)矛盾，通過查詢矛盾矩陣，可利用事先防范原理改善打捆機撿拾喂入系統(tǒng)的堵塞問題[4-5]。

根據(jù)事先防范原理提出改善方案，即自動開合喂入口。將喂入口改為可自動開合結(jié)構(gòu)，若牧草堆積，則對喂入口產(chǎn)生壓力，喂入口隨著逐漸增加的壓力自動打開，將堆積牧草排出。自動開合喂入口，消除了牧草堆積對機器堵塞的有害作用，有效防止牧草堆積導致?lián)焓拔谷胂到y(tǒng)堵塞。

4 改善方案對比

通過理論分析研究，以上兩種改善方案均可以有效防止牧草纏繞及堆積，進而避免撿拾喂入系統(tǒng)堵塞。空心螺旋輸送器方案，機械結(jié)構(gòu)改動簡單，改造成本低，防止牧草纏繞效果明顯，可行性高。自動開合喂入口方案，機械結(jié)構(gòu)復雜，實施成本高，增大牧草收獲損失，降低收獲效率。

綜合以上改善方案對比分析，將空心螺旋輸送器(圖4)方案作為最優(yōu)方案，有效防止牧草纏繞、堆積造成堵塞，改善打捆機撿拾喂入效果。對最優(yōu)方案試制打捆機樣機，并進行試驗驗證[6-7]。

圖4 空心螺旋輸送器Fig.4 Hollow screw conveyor

5 樣機驗證試驗

2021年8月15—20日，樣機在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達拉特旗白泥井鎮(zhèn)進行為期6 d的田間試驗，如圖5所示。

圖5 打捆機田間試驗Fig.5 Field experiment of square baler

試驗期間，每日在機器連續(xù)作業(yè)2、4、6和8 h時分別記錄打捆機作業(yè)捆數(shù)及觀察撿拾喂入系統(tǒng)是否堆積牧草發(fā)生堵塞，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗記錄Tab.1 Test record

試驗結(jié)果表明，采用空心螺旋輸送器方案，打捆機的撿拾喂入系統(tǒng)無故障作業(yè)捆數(shù)超過13 000捆，符合GB/T 25423—2010《方草捆打捆機》中的MTTFF≥4 000捆要求[8]。因此，空心螺旋輸送器方案可以消除因牧草堆積、纏繞造成撿拾喂入系統(tǒng)堵塞機器無法正常作業(yè)的有害作用，有效改善了打捆機撿拾喂入系統(tǒng)。

6 結(jié)論

(1)為有效防止牧草纏繞、堆積堵塞機器，保證打捆機正常作業(yè)，利用TRIZ理論的裁剪原理和技術(shù)矛盾分析，提出了空心螺旋輸送器方案和自動開合喂入口方案共兩種改善方案。經(jīng)過理論對比分析，將空心螺旋輸送器方案作為最優(yōu)方案。

(2)通過對空心螺旋輸送器方案進行田間試驗，結(jié)果表明撿拾喂入系統(tǒng)無牧草堆積、纏繞現(xiàn)象，撿拾喂入系統(tǒng)堵塞效果明顯改善。

通過利用TRIZ理論解決打捆機撿拾喂入系統(tǒng)牧草纏繞、堆積堵塞問題，表明了TRIZ理論是一種科學的創(chuàng)新方法，降低了研發(fā)成本、提升了研發(fā)效率，為以后改善及設(shè)計畜牧機械提供了一個全新的創(chuàng)新理論和工具。