基于TRIZ理论对农用机械产品优化设计的运用研究

宁德奎　吕　俊

（云南新天力机械制造股份有限公司，云南　安宁　650300）

基于TRIZ理论对农用机械产品优化设计的运用研究

宁德奎吕俊

（云南新天力机械制造股份有限公司，云南安宁650300）

农用机械产品是为了满足农业生产才产生的，按照不同的农艺要求制订出不同的功能和结构的农机产品。针对此，基于TRIZ（发明问题的解决理论）的创新理论解决流程，以提高本公司现生产的甘蔗种植机的性能为例，进行产品的改良研究，应用Pro/I建立了甘蔗种植机的功能结构模型：通过功能价值分析，对系统组件进行裁剪；通过因果分析和资源分析确定了解决问题的入手点和解决问题所能借助的有用资源；通过技术矛盾、物理矛盾分析、知识库查询类比、物场分析、S曲线+进化路径得出了多种解决问题的方案；通过评价模型、方案评价得出了最终方案，为公司带来了一定的经济效益。

甘蔗种植机；优化设计；TRIZ理论

种植是甘蔗生产过程中劳动强度最大和最重要的环节之一［1］，目前甘蔗播种环节主要是采用机械开行、人工播种［2］，虽然在劳动强度方面已经有了一定的改善，但相对于机械全程化来说，还没达到立竿见影的效果。加之近两年来国家政策越来越关注农村的发展，农民的经济有了大辐度提高，农民的生产方式越来越趋于现代化，甘蔗种植机械在甘蔗种植地的农村市场也应运而生，特别是集开沟、切种、施肥、覆膜和覆土等多功能一体化的机械［3］更受广大用户的青睐。施肥作为其中一项重要的功能，发挥了很大的作用，作为这一功能的载体——肥料供给系统，在实际生产作业过程中，经常会由于外部、内部的各种原因引起一些生产停滞现象，如肥料结块导致施肥的可连续性、肥效的不均匀等。

针对种种的不良结果，采用了一些传统的经验，获得了一些改善。但是当进一步开展创新工作时，却到了山穷水尽，受到了理论上、创新方法上的制约，甚至影响到了企业今后的核心技术竞争力。

一次偶然或者是必然的机会，接触到了一种理论、一种创新理论、一种解决发明问题的理论——TRIZ理论［4］，其为我们突破传统的思维提供了良好的理论基础，并在实践过程中得到了证实。本文也借助了TRIZ理论对肥料供给系统的功能、结构等作出了相应的分析，最后得出了一些常规方法不易解决的方案，并在实际生产作业过程中得到了运用，得到了广大用户的认可。

1　基于TRIZ理论的解决流程

基于TRIZ（发明问题的解决理论）的创新理论解决流程见图1。

图1　基于TRIZ的创新理论解决流程

1.1问题描述

第一步，对工程技术问题规范化定义，完整描述出技术系统名称、技术系统的功能、工作原理、主要缺点及主要缺点出现的条件；第二步，词表转换，采用美国技术标准局发布的构成工作功能的动词和名词定义技术系统的功能及其对象，得出SVOP描述，从而找出产品的本质属性。

1.2问题分析

以实现产品功能为出发点对技术系统的结构进行分析，建立功能机构图，描述出系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系。通过组件的功能价值分析，得出裁剪的方案；通过因果分析找出问题的根本原因［5］；通过资源分析找出可以帮助解决问题的可用资源。

1.3问题求解

经过问题的分析确定了待解决的问题，通过TRIZ方法：技术矛盾分析、物理矛盾分析、物场分析等解题工具来对产生的问题求解；知识库查找相应类比方案，通过筛选得出更贴近现有产品的解决方案。最后从多个所得方案中选出理想方案，或者综合各种理想方案得出最终方案。

2　农用机械——甘蔗种植机的问题描述

随着甘蔗种植的产业化，对于大面积的甘蔗种植生产来说，原来的人工种植已经无法满足生产需要，高效率的甘蔗联合种植机便应运而生，其集合了蔗种切断、开沟、施肥、淋水、消毒、覆土、覆膜和镇压等多个工序，从而实现联合作业的目的。其中，肥料供给系统在整个系统中起着至关重要的作用，其为整个种植工作提供持续、均匀的施肥，如图2所示。

图2　甘蔗种植机结构图

2.1主要功能

技术系统的主要功能为释放肥料通畅性。

2.2工作原理

肥料导槽传输肥料→肥料挡板中断肥料（边缘）转动→肥料箱积聚肥料→肥料箱底座（圆形）限制肥料在圆盘上→流量调节阀调节液压马达→液压马达驱动减速器→减速器转动活肥料圆盘→肥料圆盘转动肥料→机架安装肥料箱→机架安装减速器→机架安装切断箱、淋水箱等组件→肥料箱连接肥料箱底座、肥料导槽支板→肥料导槽支板连接肥料导槽→减速器连接肥料圆盘。

2.3主要问题

该肥料供给系统作用是在甘蔗种植过程中连续、均匀地为农作物施肥，但会在生产作业过程中出现问题如下：久置于系统内的肥料会受潮结块，且其自身由于重力的影响会使得堆积在组件底部的肥料受压结块，从而影响肥料在导槽中的通畅性；另外，肥料与系统组件长时间接触，对系统组件有腐蚀性，黏结在组件内部，使得通道变小，肥料通过受阻。

2.4待解决问题

减少肥料对组件的黏结、腐蚀；减少肥料在肥料箱内的残余量。

2.5对新技术的要求

技术系统能够顺畅、均匀地释放肥料；系统组件不被腐蚀、黏结；系统组件能被容易清洁或自我清洁。

3　肥料供给系统技术分析

3.1系统功能分析

应用亿维讯公司推出的软件Pro/I，分析肥料供给系统各组件之间的相互作用关系，建立功能模型图，如图3所示。图3描述了系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系，并得出造成肥料结块的问题点：空气湿度对肥料聚结结块，结块肥料卡滞到肥料导槽中及圆盘和肥料箱底座之间；肥料吸潮黏结到导槽中，使得导槽通道变小。箭头中间的框内反应了各组件之间的作用关系，此关系也可反应出组件关系中的有害的、不足的、过度的关系。可以直观、有条理地判断出问题出现的关键点以及解决问题的出发点。

图3　肥料供给系统功能模型图

表1　肥料供给系统组件的功能价值分析表

通过组件的功能模型图，作出系统组件的功能价值分析表，如表1所示，定量分析出可以裁剪的组件。

解决方案1：TRIMMING，去掉肥料导槽支板，导槽直接连接到机架上。

3.2因果分析

在系统功能分析的基础上对问题点进行因果分析，逐层深入，得到解决问题的入手点造成施肥系统堵塞的问题点，如图4所示。一是空气中有水分，久置于肥料箱中的肥料受潮结块，出现导槽卡滞；二是常用的肥料腐蚀施肥系统组件。

主要缺点分析结果——施肥系统堵塞：①肥料圆盘无肥料溢出→肥料圆盘与肥料箱间堵塞→肥料结块→堆积时间长→肥料圆盘的形状限制；②肥料导槽堵塞→肥料导槽通道变小→肥料腐蚀黏附在通道内→肥料导槽组件抗腐蚀性能差；③肥料导槽堵塞→肥料导槽通道变小→肥料腐蚀黏附在通道内→肥料吸潮黏结→肥料导槽无密封。

图4　施肥系统堵塞的问题点

解决方案2：优化肥料圆盘结构，即增加一个圆锥体，只是肥料直接分散落到圆盘边缘，减少肥料的堆积量，如图5所示。

图5　肥料圆盘结构优化

解决方案3：在组件外部增加防护套，即在肥料箱周围增加有防水性能的防护套，尽量避免肥料直接裸露到空气中。

3.3资源分析

针对每一个待解决的问题寻找可利用的资源，确定资源列表，如表2所示。然后，明确资源利用的一般原则：由实物资源到虚物资源，由内部资源到外部资源，由静态资源到动态资源，由直接资源到派生资源，由廉价资源到贵重资源，挖掘出隐性资源，优化资源结构，发挥出资源的价值。最后，构造概念方案。

表2　可利用资源表

解决方案4：利用发动机尾气风能吹走黏附到肥料导槽上的肥料。

4　应用TRIZ解题工具体系求解

4.1技术矛盾分析

据根本原因分析中的因果关系，定义出技术矛盾，并利用矛盾矩阵和创新原理解决工况问题。

4.1.1针对肥料箱被腐蚀的问题形成的技术矛盾。①问题：材料为Q235的肥料箱被肥料腐蚀。②现有解决方案：更换材料为不锈钢。③缺点：可制造型较差。

图6　肥料导槽

技术矛盾1：改善的参数，物体外部有害因素作用；恶化的参数，可制造性。

创新原理：查矛盾矩阵得35（物理或化学参数改变原理）。

解决方案5：公司暂无焊接不锈钢的设备，但有钻床、铆接设备、加工中心等，运用物理或化学参数改变原理，将此处组件由焊接更改为打孔螺栓连接。

4.1.2针对肥料黏附在肥料箱上时间长的问题形成的技术矛盾。①问题：肥料黏结肥料箱的时间长，容易对其产生腐蚀。②现有解决方案：牵引拖拉机和机架之间由原来的半柔性连接更改为硬性连接，增加震动强度，使得肥料不易粘到施肥组件上，减少腐蚀时间。③缺点：物体产生的有害因素。

技术矛盾2：改善的参数，静止物体作用时间；恶化的参数，物体产生的有害因素。

创新原理：查矛盾矩阵得22（运用变害为利原理）。

解决方案6：运用变害为利原理，超系统中的动力系统中，发动机运行会产生震动，可以将震动传递到施肥组件，震动使得肥料不易黏结到组件表面，减少腐蚀的时间，实现变害为利原理。

4.2物理矛盾定义

针对肥料导槽小的问题进行物理矛盾分析，如图6所示。

第一步，定义物理矛盾，参数：空间，要求1：大，要求2：小。

第二步，如果想实现技术系统的理想状态，这个参数的不同要求应该在什么空间得以实现？

空间1：肥料导槽端口处；空间2：肥料导槽导管。

物理矛盾1：肥料导槽越大，越不易堵塞；肥料导槽越小，越便于安装，不占用空间。

创新原理：41-矛盾属性空间分离原理。

解决方案7：参照41原理，将肥料导槽分成容易组装和拆卸的两部分，采用了肥料导槽的上端口和肥料导管分离，在甘蔗种植机操作平台上端的部分不做更改，在下端的导管部分加大（操作平台下面，不影响安装）。

4.3物场模型

4.3.1明确问题部位。肥料箱积聚肥料过多的时候，肥料由于自身重力，使得下端（肥料圆盘上表面）肥料积压结块。

4.3.2建立物场模型。分析标准解：1.2.2拆解物场模型；分析资源：系统内肥料箱积聚肥料；肥料箱：静止的，积聚肥料；外界环境资源：压力、重力；超系统资源：机架。

4.3.3应用标准解法。方案模型：在场中引入改进的肥料箱，分散肥料自身的重力，使得重力不集中在肥料箱的下端。如图7所示为建立新的物场模型。

图7　新的物场模型

解决方案8：引入改进的肥料箱来消除因肥料积压结块的问题，将肥料箱内部增加挡板，分散肥料对底部的积压，如图8所示。

4.4S曲线及技术进化法则

定义出产品所处的发展阶段，如图9所示。系统处于成长期。借助进化法则分析，根据参数确定S曲线［6］上所处位置，主要采用的改进参数为最大性能，从表面属性进化着手。

图8　改进的肥料箱

图9　产品所处的发展阶段

解决方案9：根据系统进化法则，系统表面属性进化向汇聚或分散有用作用或负载方向跃迁在肥料圆盘中安装4个叶片，旋转搅拌肥料，使肥料不结块，见图10。

5　基于TRIZ的甘蔗种植机肥料供给系统的设计方案

结合实际的生产情况，经过对比后形成最终方案：肥料箱组件中，与肥料有接触的部分更改材料为更抗腐蚀的不锈钢；裁剪掉肥料导槽支板，节省一定的成本；肥料圆盘中间加圆锥体，并且椎体上面加叶片；肥料箱内加挡板。这四种方案同时实施，达到了立竿见影的效果。

6　结论

有人有这样的疑惑：创新就是跳出思维定式，学习了TRIZ理论是不是反而为自己的思维增加了一种束缚？其实不然，TRIZ意译为发明问题的解决理论，TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。其是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。其实漫无目的地去思考、去创新，只是一时的头脑风暴。

带着实际工作中出现的一些技术问题，结合TRIZ理论学习和培训，按照TRIZ理论创新的思维、方法及解决流程，针对甘蔗种植机施肥系统在生产作业过程中经常出现的肥料黏结到肥料箱和肥料导槽上，导致施肥时出现卡滞显现，而且对组件造成了一定的腐蚀、损坏作用等诸多问题，进行了一个过程全面的运用，获得了一些问题的解决方案，并且在生产过程中得到了运用，为企业带来了更大的效益。

图10　肥料箱旋转搅拌装置

［1］刘庆庭，莫建霖，李廷化.我国甘蔗种植机技术现状及存在的关键技术问题［J］.甘蔗糖业，2011（5）：15-16.

［2］郭家文，杨丹彤.甘蔗全程机械化生产技术［M］.北京：中国农业出版社，2015：18-20.

［3］唐遵峰，胡国胜，李春友，等.ZCZY-2型甘蔗联合种植机的设计与研究［J］.农业机械，2007（20）：71-76.

［4］谭润华.创新设计——TRIZ：发明问题解决理论［M］.北京：机械工业出版社，2006：5-8.

［5］付敏，于大雪.基于TRIZ和CAI的产品概念设计及应用研究［J］.工业技术经济，2015（11）：147-148.

［6］周苏.创新思维与科技创新［M］.北京：机械工业出版社，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

宁德奎（1983-），男，本科，助理工程师，研究方向：农用机械产品的研发；吕俊（1990-），男，本科，助理工程师，研究方向：农机产品的研发。