TRIZ 理论在粮食收集机设计中的应用

王 欢 ，孙 涛 ，吴周鑫 ，廖 禺

（1.江西省精密驱动与控制重点实验室，江西 南昌 330099；2.南昌工程学院机械与电气工程学院，江西 南昌 330099；3.江西省农业科学院农业工程研究所，江西 南昌 330099）

1 引言

目前，农业机械是我国大力提倡和开发的新型科技产业，是我国从传统手工农业走向现代化农业的重要发展道路[1]。谷物收集晾晒是农业生产过程的重要组成部分，粮食收集机是进行农作物后续收集和晾晒得到干燥农作物的重要设备。它可以在小麦、稻谷等颗粒作物的收集和摊晒中起到重要作用。目前现有的粮食收集机存在功能较为单一、操作环境恶劣、人工劳作强度大、工作稳定性低、安全隐患较大、收集效率低及收集洁净率低等问题。针对以上问题，为提高农业机械化水平，以粮食收集机为主要研究对象，以TRIZ 理论中的矛盾分析法和物质-场分析法为基础，对粮食收集机进行创新设计，增加机器的功能多样性，提高机器的效率与实用性，使粮食收集晾晒过程更加高效快速。

2 TRIZ 理论

TRIZ 理论是在1946 年由苏联军方技术员根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）和他的同事们共同提出。在阿奇舒勒看来，人们在解决发明问题的过程中所遵循的科学原理和技术进步法则是一种客观存在。大量发明所面临的基本问题是相同的，其所需要解决的矛盾，从本质上来说，是相同的。基于这一思想，他与苏联科学家一起，经过50 多年对数以百万计的专利文献和自然科学知识进行研究、整理和归纳，最终建立起一整套系统化的、实用的、解决发明问题的理论和方法体系，即TRIZ 理论[2]。在设计过程中，产品的设计存在着各种冲突矛盾。因此，TRIZ 认为产品创新的核心是解决设计中的冲突或矛盾，从而提出39 个通用化参数。在问题解决过程中，利用该设计方法把实际工程设计中的冲突或矛盾转化为TRIZ 理论中的通用化参数。同时利用TRIZ理论中的矛盾冲突矩阵表得出对应的发明解决原理，结合实际问题，选择符合产品设计的发明原理，得出最佳产品设计方案。其解决问题的一般流程[3]，如图1 所示。

图1 用TRIZ 解题的基本过程Fig.1 Basic Process of Solving the Problem by TRIZ

3 现有粮食收集机分析

目前，市面上研发设计了不同工作原理的粮食收集机，主要有大型扒谷机、小型机械式收集机、小型吸入式收集机三种。上述三种机器各自存在一些不足之处，其中大型扒谷机体型大操作复杂，由搅拢叶片将谷物集中，通过输送装置进行运输，所以对谷物晾晒的厚度有一定的要求，且行走轮行走和笨重的机身在收集过程中容易碾碎地上的农作物；小型机械式收集机则需要工作人员紧跟操作进行转向，且只能进行收集，功能较为单一，人工换袋较为频繁；小型吸入式收集机在工作过程中内燃机工作的噪音较大，出风口灰尘较多，当动力输出轴的转速与风扇的转速不匹配时，会导致风扇被打碎，甚至被甩出去，存在较大的安全隐患。

纵观市场上的粮食收集机，多以轮式为主，需要人工辅助推动行走，速度难以稳定操控，操作环境恶劣，并且对地形要求较高，不适合在较为复杂的地形工作，适用范围小。除此之外，当前粮食收集机以袋装为主要收集方式，收集过后的封袋等后续处理较为复杂，耗费大量人力物力。粮食收集机的收集速度固定，难以根据粮食晾晒厚度需求进行调节，粮食收集效率低[4]。

4 粮食收集机的创新设计

4.1 机器中的技术矛盾

上述参数的改变可能带来的恶化参数有：

（1）静止物体的重量（No.2）；

（2）静止物体的体积（No.7）；

（3）运动物体作用时间（No.15）；

（4）可制造性（No.32）；

（5）可维修性（No.34）；

（6）装置的复杂性（No.36）。

表1 设计冲突参数转化Tab.1 The Transformation of Design Conflict Parameter

4.2 适用于粮食收集机的发明原理

在对粮食收集机进行了技术冲突分析后，并且确定了描述冲突的通用工程参数后，可以利用阿奇舒勒冲突矩阵从40 个发明原理中选取适合的方法，结合实际问题选定最终使用的发明原理应用到设计中，从而解决冲突。阿奇舒勒冲突矩阵，如表2 所示。

表2 阿奇舒勒冲突矩阵Tab.2 Altshuller Contradiction Matrix

在阿奇舒勒冲突矩阵中，找到改善参数与恶化参数分别对应的列与行，在行列交叉处可看到发明原理所对应序号。在矩阵中，一个方格内有多个序号，同时对应多个发明原理。对发明原理进行筛选，得出用于实际设计的方法[6-8]。应用发明原理，如表3 所示。

pH400型pH值检测计，安莱立思仪器科技(上海)有限公司；TCP全自动色差计，北京奥依克光电仪器有限公司；Lab Master-a水分活度仪，瑞士NOVASINA公司；Thermo TRACE气质联用仪，美国热电有限公司；TA-XT plus质构仪，超技仪器；5H613数显式肌肉嫩度仪，秦皇岛市协科技开发有限公司。

表3 应用的发明原理Tab.3 The Invention Principle of Application

4.3 粮食收集机的改进方案

根据阿奇舒勒矛盾矩阵，同时结合实际条件所确定应用的5条发明原理，对粮食收集机进行以解决收净率低下、功能单一、操作环境恶劣为目的的创新设计分析。

应用No.3 局部质量原理，将粮食收集机分为收集模块、行走模块及存储晾晒模块三大模块。收集模块分为链式刮板收集部分，集粮毛刷辅助部分及清扫毛刷回收部分，其中链式刮板收集部分既是粮食收集的主要部件，又是机器工作的运输部件。行走模块主要分为履带行走部分，控制部分及万向轮行走部分，其中履带行走部分既是机器的主要支承部件，又是机器行走的重要组成。

应用No.6 多用性原理，改变原有存储装置，设计出一种粮食存储晾晒小车。该车通过圆柱销与机器主体相连，小车底部具有开口和挡板。当挡板关闭时，小车作为机器的存储装置，进行谷物存储工作。当底部角度可调的挡板打开，谷物从开口漏出，且底部挡板可将谷物刮平，实现谷物的快速均匀晾晒。该小车既有存储功能，又具有晾晒功能，实现一物多用，大大提高谷物晾晒收集过程的效率，减少工作人员工作强度。

应用No.10 预操作原理，增加了远程遥控控制操作功能，且可调控机器前进速度，可实时操控机器运转情况，改善工作人员工作环境，使工作人员远离了多噪音、多灰尘等恶劣工作情况。同时，还增加了过载报警开关，当机器运转过载时，通过报警提醒操作人员。

应用No.24 中介物原理，利用刮板作为中间传递物质，将底部谷物运输至机器上部，使谷物收集过程简单快捷，运输过程方便快速。同时，利用驱动电机将蓄电池所输出的电能转化为驱动粮食晾晒收集一体机所需要的机械能，使用驱动电机作为中介物传递能量，用电场代替机械场。

应用No.25 自服务原理，机器前方底部设有集粮毛刷，在机器向前运动时，将谷物堆积起来，以便于机器收集。同时，机器设有二次清扫毛刷，可将机器未收集干净的谷物扫向还未收集的一侧。两者的设计大大增加了机器收集的便利性，提高了机器谷物收集的收净率。二次清扫机构，如图2 所示。

图2 二次清扫机构Fig.2 Secondary Cleaning Mechanism

4.4 粮食收集机设计方案的具体化

根据TRIZ 理论的分析结果，结合人机工程学理论，对粮食收集机进行了创新设计，创新后的粮食收集机由收集模块、晾晒模块、行走模块、二次清扫模块、传动模块五大主要功能模块组成，如图3 所示。模块化集成多种功能。

图3 模块划分Fig.3 Module Partition

收集模块由集粮毛刷和刮板配合实现对地面晾晒谷物的收集；晾晒模块由晾晒小车结合底部挡板，固定在机身前行时，实现谷物均匀晾晒；行走模块由直流无刷电机提供动力，驱动微型履带，带动谷物晾晒小车运动；二次清扫模块由二次清扫毛刷紧贴地面清扫，以“回”字型路径行走，提高收净率；传动模块由链传动，结合齿轮传动构成，为收集模块、二次清扫模块和行走模块提供动力。其结构设计图，如图4 所示。

图4 创新后的粮食收集机Fig.4 Innovation of Grain Collecting Machine

5 粮食收集机部分构件分析

5.1 物质-场分析简介

物质-场分析法是一种与现有技术系统相关联的问题建模方法，通过建立系统内结构化的问题模型来正确地描述系统内的问题，用符号语言清楚的表达技术系统的（子系统）的功能，正确地描述系统的构成要素以及构成要素之间的相互联系[9]。在TRIZ 中，我们可以用两种物质（S1、S2）和一个场（F）来建立一个系统分析模型，其中S1是被执行元件，S2是执行体，模型意义为场F 通过物质S2作用于S1并改变S1。物质-场分析模型，如图5 所示[10]。

图5 物质—场分析模型Fig.5 Substance-Field Analysis Model

通过物质—场模型描述产品所具有的功能，从而确定引起冲突的根本原因。根据物质—场模型所描述的问题，查找TRIZ理论中76 个标准解，构建出新的物质-场模型，得出该模型的优化创新设计[11]。

5.2 建立物质-场分析模型

谷物收集与晾晒对谷物厚度具有一定的要求，在谷物收集过程中，若谷物厚度较低，机器收集效率缓慢且收集洁净率低，因此，需要设计集粮毛刷用于堆积谷物。在谷物晾晒过程中，谷物晾晒厚度需合理，因此，需要在谷物晾晒小车下方设计适宜高度刮板。

根据TRIZ 理论物质-场分析理论，对于粮食收集过程与粮食晾晒过程，建立物质-场分析模型，如图6、图7 所示。其中，F1、F2均为机械作用场，物质S1为作用对象谷物，物质S2为集粮毛刷，物质S3为小车底部挡板离地面高度。

现有相关机器中的集粮毛刷设于机器前端下部，在收集过程中，若毛刷硬度太大，则会对毛刷造成较大磨损，影响毛刷的使用寿命，堆积谷物能力下降，影响机器收集效率，即S2对S1作用为有害；若毛刷硬度较小，则会导致机器在前进过程中难以将谷物堆积起来，即S2对S1作用为不足。

在晾晒过程中，小车底部挡板离地面高度对于谷物晾晒具有重要影响。若小车底部挡板离地面高度过高，在晾晒过程中会使谷物晾晒不均匀，即物质S3对物质S1作用为不足。

在TRIZ 理论中，物质—场模型提供76 种标准解法，经过分析，本设计采用76 种标准解法中的1.1.6 向具有物质最小作用的物场跃迁与2.2.4 向动态化物质—场跃迁来解决上述问题，得到新的物质-场模型，如图6（b）、图7（b）所示。

图6 集粮毛刷物质—场分析模型Fig.6 Substance—Field Analysis Model of the Aggregating Grain Brush

图7 小车底部挡板离地面高度物质—场分析模型Fig.7 Substance-Field Analysis Model of the Baseplate above Ground Height

5.3 粮食收集机集粮毛刷及底部挡板机构的设计方案具体化

根据物质-场分析的结果，对集粮毛刷-收集系统、挡板-晾晒系统进行优化设计，从而得出具体设计方案：采用尼龙丝作为毛刷的设计材料，保证其硬度的同时减少磨损，上方采用钢板进行固定，增强稳定性；集粮毛刷安放至装置底部下，二次清扫毛刷前，作为装置收集的辅助堆粮机构。小车底部挡板离地高度原始设计为20mm，并且可根据晾晒厚度进行调节，也可保证粮食的晾晒均匀。为验证本装置的经济性，可靠性，稳定性及安全性，按江西省《谷物收集机》农机鉴定大纲和《农业机械试验条件》测定方法，进行了性能测试。试验结果表明：本设备的各项性能均优于规定标准值，达到设计要求。样机实验结果，如表4 所示。

表4 样机实验结果Tab.4 Prototype Experimental Results

6 结论

以TRIZ 理论为基础，研究了粮食收集机的功能模式并对其进行创新设计：（1）利用矛盾冲突矩阵，分析现有粮食收集机中所存在的问题，并利用发明原理解决主要矛盾，对机器进行创新设计；将粮食收集转化为收集与摊晒的结合，设计二次清扫毛刷提升收净率，结合人机工程学，采用远程遥控模式，调速操作，增加收集效率，改善工作环境。（2）采用物-场分析模型进行设计方案具体化，对集粮毛刷-收集系统、挡板-晾晒系统进行详细分析，解决了机器在工作过程中可能出现的效率低下、收集损失、零件失效等问题。（3）借助三维建模进行仿真分析，完成对其三维模型的建立，并基于该模型进行样机的实物加工，并进行了测试实验，为后续的样机改进及实验优化设计奠定了良好的基础。