TRIZ对水稻倒伏收割机割台进行的全新设计

马洪鑫 肖显昊 刘梓鑫 赵乐鑫 牛 犇 高 辉 宋明皓

(1、哈尔滨石油学院,黑龙江 哈尔滨150028 2、哈尔滨新能源勘测技术有限公司,黑龙江 哈尔滨150090)

1 概述

水稻作为我们国家的主要粮食产物，它的产量直接决定着我们国家的粮食安全，而在粮食播种面积稳定的情况下，提高农业机械化水平，加快农业装备产业转型升级，才能确保粮食生产稳定发展和重要农产品的有效供给。多工况水稻收割机割台设计是针对倒伏水稻收割问题提出的一项全新技术，能高效的进行机械化收割，从而提高水稻收获率。

通过调查分析，我们发现水稻收获环节的手工收割比例依旧很高。绝大多数情况都是因为水稻倒伏严重，机械无法进行收割，只能采取手工收割的原因。根据调查了解使用人工收割1亩水稻需要4个人割1整天（8小时）才能完成，而每台机器8小时能收获约4亩。事实上对于水稻倒伏的收割，国内一直没有适当方法，传统倒伏都是用手收割，效率低而且倒伏时间过长容易使稻粒发芽，目前市面上的国内收割机对倒伏的水稻收获效率比较低，国外收割机对倒伏的水稻收获效率较高，但其核心技术一直处于行业技术机密从未公开。此外，倒伏的水稻往往搅在一起，相互叠加普通的收割机收获过程中会一定程度上造成谷粒掉落，漏割，而造成减产。

通常水稻成粮的过程有以下两种形式：“收割——扶禾——脱粒——清选——集粮”和“扶禾——收割——脱粒——清选——集粮”。常用扶禾器存在主要问题包括以下几方面：倒伏水稻倒角较大，且水稻彼此搅在一起，难以收割；收割过程中割刀容易割到稻穗，从而造成减产；扶禾过程中扶禾器碰触稻穗，容易造成稻粒大量的脱落；水稻倒伏收割机割台技术一直被国外企业垄断。

针对存在的主要问题的客观限制条件主要包括：稻穗自身生长状况决定了收割机割台尽可能不碰触稻穗；水稻倒伏受气候、地形、人为等诸多因素影响；水稻倒伏受地面干湿程度影响，收割机重量过大容易陷入耕田等。而我们正是基于以上分析对现有技术产品应用创新方法进行创新设计。

2 应用TRIZ理论进行全新设计

TRIZ是由苏联发明家和他的团队对大约250万份专利文献进行分析、归纳和总结，并综合多学科领域的原理和法则，形成的一套具有完整体系的发明问题解决方法和理论[1]。应用TRIZ理论中的发明原理、资源分析、功能分析、小人法作为科学基础进行设计与分析。

2.1 发明原理分析

分割原理：分割原理是指将整体进行切分。即将物体分成相互独立的部分或容易组装拆卸的部分，亦或是增加分割程度[2]。物体扶禾器分成相互独立的两组便于增大分割效率。

组合原理：组合原理是指在不同的物体或同一物体内部的各部分之间建立一种联系，使其有共同的唯一的结果[3]。将联动交错式拨禾轮组合在一起工作提高收割效率。

2.2 资源分析

对收割机割台系统、子系统和超系统对应的资源分析。资源分析对系统进行同步分析，向超系统进化是解决问题趋势，如图1。

图1 水稻倒伏收割机割台系统资源分析

2.3 功能分析

在割台结构上进行设计和结构调整，在扶禾器上安装拨禾轮组，打破传统每个分禾器仅有一个拨轮的常规（如图2）。通过对拨轮大小、结构、排列、传动原理等方面的设计，结合对水稻收割实际地貌的适应性，提出“多工况联动交错式拨禾轮组”的全新扶禾设计（如图3）。

图2 水稻倒伏收割机割台系统功能分析

图3 水稻倒伏收割机割台系统创新后的功能分析

水稻收割机割台收割部的新功能分析图如下：

2.4 小人法

为进一步完善设计，采用小人法对最终确定方案进行再次技术优化。

图4：第一层小人代表拨轮的刚性传动部分（第一层和第二层是两层类似双联齿轮），外侧小人代表刚性拨禾轮，但由于拨禾轮盘与拨齿为刚性结构，扶禾效果未到最佳，因此需要引入柔性结构设计。

图4

图5：在第二、五、六层小人共同组成的刚性拨禾轮盘与拨齿之间增加代表柔性结构的第三层小人，使拨齿与轮盘形成铰链连接，扶禾效果有所提升，但结构未到最佳。

图5

图6：将拨齿由“A形”改变为“月牙形”拨齿结构，此时扶禾效果更好，但“月牙形”拨齿活动空间过大，不易控制。

图6

图7：在第三层引入柔性小人，调节“月牙形”拨齿。柔性小人可引入弹簧完美实现拨齿调节问题。此外为防止稻草卡住弹簧，弹簧外采用布质折叠伸缩套进行保护。

图7

在扶禾器上安装拨禾轮组，打破传统每个分禾器仅有一个拨轮的常规。通过对拨轮大小、结构、排列、传动原理等方面的重新设计，结合对水稻收割实际地貌的适应性，提出“多工况联动交错式拨禾轮组”的全新扶禾设计，经检索和查阅资料，本设计在国内尚属首例。根据分析评价确定在扶禾器上安装“多工况联动交错式拨禾轮组”的全新扶禾设计为最佳方案。图8为联动交错式拨禾轮组结构外观示意图。

图8 水稻倒伏收割机割台系统联动交错式拨禾轮组结构外观示意图

3 结论

任何一项新的发明设计都应当具有相应科学基础理论体系作为支撑，从而能够迅速地实现技术系统进化和技术矛盾问题的解决。本文基于TRIZ理论，对水稻倒伏收割机割台设计在应用中实际问题进行分析，并结合相关的知识理论，对水稻倒伏收割机割台进行全新设计，希望能够为我国农业及农产品生产提供新的活力。