基于TRIZ 创新理论的马铃薯挖掘与残膜回收一体机卷膜装置的设计

刘小龙，张 华，赵武云，孙 伟，李 辉，李红岭

（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃兰州730070）

0 引言

马铃薯地膜全域覆盖膜上覆土栽培技术被广泛应用于西北黄土高原旱区[1]，但关于该技术的挖掘及残膜回收机具较少。本文基于TRIZ 创新理论研发了马铃薯挖掘与残膜回收联合作业机，可一次完成马铃薯挖掘和残膜捡拾，减小作业成本，实现地膜污染防治和作业效率提升，促进旱作马铃薯生产可持续发展[2]。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

如图1，该机具由机架、传动系统、挖掘装置、薯土分离装置、薯膜分离装置、残膜回收装置、可调地轮等构成。

图1 马铃薯挖掘与残膜回收一体机结构

1.2 工作原理

该机采用三点悬挂，作业时挖掘装置将薯土膜掘起，分离装置对薯土进行分离，薯块穿过二级薯膜分离装置铺放在地表，残膜和膜上土壤经过二级薯膜分离装置送至残膜回收装置的上方，实现膜、薯和膜上土的分离，掉下的残膜被挑膜针扎取并缠绕到锥形辊筒上实现残膜回收，当残膜缠绕到和卷膜针旋转直径大小相同时卸掉残膜，继续作业。

1.3 技术参数

2 基于TRIZ 理论卷膜卸膜装置的创新设计

2.1 问题描述

现有残膜回收装置存在的问题：残膜回收装置作业时将残膜缠绕在锥形卷膜辊筒上，当缠绕到一定直径时要进行停机卸膜，才能达到残膜回收的目的，但在卸膜时出现卸膜困难。

2.2 问题分析

应用TRIZ 创新理论对马铃薯挖掘与残膜回收一体机的关键部件残膜回收装置进行因果分析，得出卸膜困难的原因有：滚筒转速过高、滚筒形状不合理、滚筒表面太粗糙、螺纹长度过长、卷膜针表面太粗糙。

2.3 解决问题

2.3.1 分析技术矛盾1

根据因果分析解决如何降低挑膜针与残膜之间的摩擦力。根据矛盾矩阵表，确定改善的参数为力，恶化参数为形状；对应的创新原理有预先作用原理、抛弃和再生原理、物理或化学参数改变原理、复合材料原理。

根据分析及找到的物理或化学参数改变原理启发，得到卷膜针方案：原挑膜针为Φ20 圆钢和M12 螺纹焊接而成，现将圆钢圆柱面改为锥形面，减小了挑膜针与残膜之间的摩擦力[3]，如图2。

图2 挑膜针

2.3.2 分析技术矛盾2

根据因果分析解决如何减小卷膜筒表面与残膜的摩擦力。根据矛盾矩阵表，确定改善的参数为力，恶化参数为可制造性；对应的创新原理有分割原理、机械振动原理、动态特性原理、热膨胀原理。

根据分析找到的分割原理启发，得到卷膜装置方案：将原来的整体式卷膜筒改为两段式卷膜筒并保证整体长度不变，而单个卷膜筒的长度减小使得残膜与卷膜筒的接触面积减小，从而减小卷膜筒与残膜之间的摩擦力，如图3。

图3 分段卷膜辊筒

2.3.3 分析物理矛盾

定义物理矛盾为现系统采用一个无锥度小直径的卷膜筒，作业时可以缠绕收集更多的残地膜，但在卸膜时出现了缠绕过紧无法顺利卸膜，则：

选择参数为锥度，实现技术系统理想状态，参数锥度在卷膜时要求锥度要小，在卸膜时要求锥度要大。

卷膜时间和卸膜时间这两个时间段作业有先后顺序因此不交叉，可以应用时间分离。

时间分离推荐的创新原理有：动态特性原理、抛弃或再生原理、预先作用原理、事先防范原理、曲面化原理等[4]。

图4 变径卷膜辊筒

根据物理矛盾分析，应用动态特性原理得到方案：将原来的定直径卷膜筒改为变直径卷膜筒，在卷膜时卷膜筒的直径保持一定，此时卷膜筒的锥度为0，有利于均匀缠绕残地膜；在卸膜时拉动滑套使卷膜筒一端的直径变小，此时卷膜筒成为一个锥形，有利于卸膜。本方案现场改造方便，改造成本不高，具有很高的可行性，如图4。经方案综合评价，最终将卷膜装置设计为两段小锥度卷膜辊，挑膜齿设计为倒锥型小头带螺纹，卷膜装置结构如图5。

图5 残膜回收装置结构示意

2.4 确定最终方案及结论

3 田间试验

试验所用地膜为当地常用的厚度为0.012 mm、宽度为1 200 mm 黑色地膜，试验地位于甘肃省定西市陇西县福星镇庞家岔村，是马铃薯全膜苗带覆土种植模式的典型区域，土壤类型为黄绵土，含水率为15.5%～18.1% 。该试验地于2020 年4 月20 日覆膜播种，2020 年10 月15 日进行机具试验，参照GB/25412-2010《残地膜回收机》和NY/1130-2006《马铃薯收获机》进行性能试验[5]，试验结果见表1。

表2 残膜回收率试验结果（%）

试验结果表明，样机运行稳定，当作业速度为3～5km/h时，残膜回收率均值为93.5% ，达到相关标准。

4 结论

（1）基于TRIZ 创新理论对残膜回收装置进行了创新设计，解决了卸膜困难的问题，提高了残膜回收作业效率。

（2）田间试验表明，在机组行走速度为3 km/h 时，马铃薯挖掘与残膜回收一体机残膜回收率为93.5% ，满足马铃薯残膜回收技术基本要求。

图6 田间试验