基于TRIZ理论的机械式打瓜排种器创新设计*

刘希光，张静， ，韩长杰，王超超，单发科，杨宛章

(1. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐市，830052； 2. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州市，310058)

0 引言

打瓜属籽用西瓜类型，因食用时需打开，故称打瓜，在甘肃、新疆、内蒙古等地区广泛种植[1]。打瓜籽周围一圈为黑色，包裹的中间部呈现淡黄色和白色，外形扁平椭圆、不规则，三轴尺寸差异性较大[2]，一定程度上增加了打瓜机械化精量播种的难度。

打瓜播种机械化不仅可以抢农时，减轻劳动强度，提高播种效率及播种质量，且对实现打瓜全程机械化具有重要意义。目前打瓜主要采取条播和半精量的播种方式[3]，为节本增益，已有部分国内学者开始致力于打瓜等不规则种子精量播种相关领域的研究，但主要以气力式打瓜精量排种器的研究为主，对于机械式打瓜排种器的鲜有报导。李苗苗等在陈玉龙[4]设计的打瓜排种器结构上优化改进，设计了一种气吸式打瓜排种器，弥补了排种籽粒适用多样性方面的试验，但排种器重播指数较高达40%，需要平衡重播指数与漏播指数的矛盾。杨艳丽等[5]在辜松[6]发明的长粒种子调向精量播种装置基础上设计了一种适用于移栽作业前大粒种子定向精量播种装置，该装置使用气缸驱动定向种穴，负压吸嘴吸附籽粒，将其播入穴盘基质中，但吸附不稳定易导致播种精度不高，需考虑种子尺寸、负压值、吸附姿态的影响。在机械式排种器研究方面，部分学者对于大颗粒、不规则种子的相关研究可为打瓜播种提供借鉴，但仍需平衡排种器结构和排种性能指标之间的关系。如孙伟等[7]根据玉米籽粒结构特性设计了一种勺匙式玉米精量取种器，经试验研究确定了种勺的结构尺寸，得出取种器单粒指数、漏播指数分别为92.2%和2.8%，但播种速度较低，一定程度上限制了工作效率。付威等[8]基于新疆膜上点播技术，针对圆扁种子研制了一种机械强制夹持式精量排种器，结构简单，但因种子流动性差，不宜清种，导致双粒率较高。

针对现有气力式、机械式打瓜等不规则种子在精量播种过程中普遍存在的排种器结构复杂、吸附不稳定、质量重等情况与结构相对简单、工作可靠性高、功耗相对低之间的技术矛盾[9-11]，本文运用TRIZ理论的39个工程参数及40个发明原理[12]，解决排种器现有存在的技术矛盾，设计一种结构相对简单、原理可行的夹持式打瓜精量排种器，并结合Solidworks三维建模、有限元分析及台架试验，验证方案的可行性，为机械式打瓜精量播种机的设计提供参考。

1 TRIZ理论及应用

阿奇舒勒通过分析、研究250万份专利中解决问题的思路方法，得出解决这些问题的一般规律，提炼出39个通用工程参数，总结出解决技术矛盾的40个发明原理，并将这些工程参数与发明原理建立对应关系，整理成39×39矛盾矩阵表，形成阿奇舒勒矛盾矩阵。TRIZ理论由阿奇舒勒提出并创立的用以解决实际工程中出现的矛盾所应运的创新原理和方法，优化工程参数，其核心是建立了消除矛盾的逻辑方法。TRIZ理论起源于20世纪40年代中后期，于60年代学者在学校教学研究，80年代后发展形成现代TRIZ理论，更具高效解决技术矛盾，使之进一步发展[13]。我国学者于20世纪80年代开始学习理论，并在高校及科研院所开设课程研究，在一些著名电器科技公司产品开发、解决技术矛盾方面得以应用，之后也在在农机领域也迅速发展[14-15]。阿奇舒勒在分析、研究、整理专利的基础上，提出了一种创新问题的解决理论，即TRIZ理论，其不仅在工程技术方面广泛应用，而且在教育、管理及政策指导等非技术方面也具有重要的指导作用。

2 基于TRIZ理论的排种器创新设计

2.1 打瓜精量排种器矛盾

依据现有打瓜排种器排种精量性以及气吸式排种器排种性能等方面的问题，应用TRIZ理论分析、研究解决问题的方法，总结如下3对矛盾。

矛盾1：现有打瓜精量排种器多为气吸式，结构复杂，功耗高，吸附不稳定，排种适应性较差，有的适合在室内苗盘基质内排种，面对田间不确定因素，不能保证排种可靠性以及播种指标。因此需设计一种结构简单，排种可靠性高，满足性能指标的打瓜精量排种器。设计为机械式精量排种器，结构简单、可靠性高、功耗低，但其排种的合格指数会相对降低。

矛盾2：机械式打瓜精量排种器的核心为取种装置，其中取种块形状、尺寸的大小会影响排种指标。取种块尺寸增大，会导致重播指数增大而漏播指数减小；取种块尺寸减小，会减小重播指数但会导致漏播指数增大。

矛盾3：机械式打瓜精量排种器对种子的规则性要求较高，种子所受摩擦力也会影响取种效果，提高取种的可靠性势必会增加取种装置的复杂化，如何使种子在取种至投种的过程，受到变化的作用力，而使种子持续夹持不致掉落。因此，取种块材料的选用以及作用于种子变化力如何得到，使得取种装置子系统复杂化。

2.2 创新设计的矛盾解决原理

创新设计的根本是不断解决产品中存在的矛盾，促进产品需求、技术进步等发展，解决矛盾归根于解决技术矛盾，而TRIZ理论在解决工程中的技术矛盾提供了新原理和方法，无疑是对技术矛盾的革新。针对打瓜精量排种器创新设计过程中的技术矛盾，对应39个通用工程参数中有No.12形状、No.7运动物体的体积、No.21功率、No.22能量损失、No.27可靠性、No.36装置的复杂性、No.35适用性及多用性。为便于解决打瓜精量排种器存在的技术矛盾，将工程参数与发明原理相对应起来，形成阿奇舒勒矛盾矩阵如表1所示，表中工程参数所对应的数字代表40个发明原理的编码。

表1 阿奇舒勒矛盾矩阵Tab. 1 Archie Schuler contradiction matrix

2.3 发明原理的应用

依据表1阿奇舒勒矛盾矩阵，分析打瓜精量排种器技术矛盾，应用发明原理进行创新设计，用到4条发明原理，即发明原理1、3、14及35，解决这些技术矛盾，进而使其得以创新。

1) No.1分割原理。针对排种器的复杂性，同时考虑取种、排种等过程的可靠性，替换部件取种的多样性，又由打瓜精量排种器矛盾分析中确定了排种器的复杂性与工作的可靠性技术矛盾，欲解决此对技术矛盾，可根据表1中推荐的发明原理有No.13、No.35以及No.1，其中No.13为反向作用原理、No.35为状态改变原理，回到设计的初衷上，即设计一种结构简单，排种可靠性高的打瓜精量排种器，No.13原理并不能对系统设计起到主要作用，而No.1原理在表1中总共出现了3次，故采用No.1分割原理。将打瓜精量排种器分割成相互独立的部分，使之模块化，提高排种器的分割程度。分割后的排种器主要零部件有底盘、端盖、排种器主轴、鸭嘴总成及取种总成等，不仅结构简单、工作可靠性高而且安装架及取种总成模块化易拆装，便于适应不同尺寸种子排种需求以及后期的维护。

2) No.3局部特性原理。取种总成为排种器的核心部件，其整体随排种轴绕充种盘旋转，为提高取种、排种的可靠性，确保取种总成结构的紧凑性，各部件连接的牢固性，同时避免取种总成的复杂化，转化需解决的问题为可靠性与取种总成的体积作为技术矛盾，因取种总成为取排种的核心，需分析各部件的作用，对应表1中发明原理No.10预先作用原理及No.24中介物原理对取种总成的设计应用意义不大，反而增加了取种总成的复杂性，使得取种可靠性降低，因而应用No.3局部特性原理进行取种总成设计。设计的取种总成由聚丙烯(简称PP)安装架、角度调节垫块、金属弹片、取种块等组成，其结构如图1所示。6个金属弹片一端与角度调节块及安装架端部螺栓连接，另一端与取种块螺钉连接，金属弹片回转时的压缩量保证了种子在不同取种过程中所受的作用力，转至排种口恢复形变的弹片又将种子排出充种盘；角度调节垫块调节金属弹片初始角度，试验时针对取种效果进行调节；取种块的材料用改性过的聚丙烯和聚酰胺的合成物(即PP+PA)，具有一定的弹性，使种子在摩擦力和弹力作用下于充种盘内圈螺旋线运动，完成取种、排种过程。

3) No.14曲面化原理。取种块的形状、尺寸对取种夹持至关重要。依据打瓜籽物料特性及三轴尺寸，同时也考虑取种的多用性对取种块进行设计，其结构尺寸有取种块有效夹持长度B，取种块宽度C，取种块高H，取种块长度L，取种块导流角α，导流角α为取种块导流面与有效夹持面间的角度，取种块尺寸大小对排种合格指数的影响非常显著。根据表1中改善的形状参数，恶化参数运动物体的体积形成的单一技术矛盾，解决方案的发明原理有No.14曲面化原理、No.4不对称原理、No.15动态化原理、No.22变害为益原理，此处设计主要针对取种块的结构形状，No.15动态化原理及No.22变害为益原理对取种块的设计无意义，又考虑到取种块的加工制造的方便性，不建议使用No.4不对称原理，而在表1中No.14曲面化原理出现了3次，同时结合夹持的可靠性与取种块的体积，取种块的形状与能量损失出现的2对技术矛盾都应用了No.14曲面化原理，设计的其结构如图2所示，在取种块导流面与有效夹持面间给予倒圆成过渡曲面，使种子流向夹持面时所受作用力的方向时刻改变、种子流畅地运动到取种块的有效夹持面处。

图1 取种总成

(a) 优化前取种块 (b) 优化后取种块

4) No.35状态改变原理。为减少排种所需能量损失，同时降低排种器功耗，得出功率与能量损失技术矛盾，由表1矛盾矩阵可知，No.38强氧化作用原理对解决此矛盾无效，No.10预先作用原理主要应用在气力式排种器上，针对此次设计的机械式打瓜排种器又会增加其复杂性，而No.35状态改变原理在表1中现的次数最多(5次)，同时又在装置的复杂性与可靠性矛盾中体现了其发明原理，采用表1中状态改变原理No.35对排种器创新设计。考虑排种器总成试制的方便性，同种性能的材料选择相同的材料的原则，排种器的充种盘、取种壁、导种管及安装架的材料设计为改性的聚丙烯PP，安装架和取种盘实物如图3所示，其性能和强度均满足设计要求，开模制造比较简单，减轻排种器的重量，降低了功耗；为进一步增强取种的可靠性，充种盘内壁设有螺旋线，减少零部件的复杂性，同时又减轻取种块在充种壁运转时的磨损，增加取种的有效寿命。

(a) 安装架 (b) 取种盘

3 排种器三维建模与分析

3.1 排种器三维模型设计

运用TRIZ理论解决技术矛盾的方法对打瓜精量排种器进行了创新设计，其主要由排种器主轴、底盘、端盖、鸭嘴总成、取种壁、安装架、弹片、取种块、充种盘、进种管等组成。创新设计后的三维模型图如4所示。

图4 夹持式打瓜精量排种器

排种器的核心部件[18]由取种块、弹片、安装架、充种盘组成，其中取种块的结构及尺寸至关重要，直接作用于漏播指数及重播指数；安装架均匀设置6个支架，用以连接弹片；弹片一端连接取种块，另一端与安装架外端的角度调节块连接，角度调节块调节弹片与支架之间的角度，用来改变取种块与充种盘内壁的作用力；充种盘侧面开设有排种口，排种口距离充种盘中心的距离以及排种口宽度的大小对排种性能都有影响。

排种器工作时，种子由自身重力从导种管进入充种盘，主要集中在充种盘下部的充种区，安装架随主轴的转动，带动弹片及取种块一起运动，弹片受到种子群阻力弯曲一定的角度，打瓜籽在取种块夹持面、充种盘内壁及周围种子接触面的封闭区域下被夹持，完成充种过程；当取种块离开种子群，进行清种时，种子受自身重力、取种块推力、充种盘内壁摩擦力及离心力共同作用，在取种块夹持面与充种盘内壁形成的半封闭区域被夹持而继续运动。当种子运动到充种盘排种口处，弹片及取种块恢复变形，一起将种子排出口，鸭嘴张开，完成排种过程。在取种过程中，充种盘内壁设有螺旋线，种子受导流作用，夹持力不断增加，确保取种的可靠性。

3.2 有限元分析

应用TRIZ理论对打瓜精量排种器进行创新设计，并用Solidworks软件对其零部件进行三维建模，自底向上装配，检查各零部件无干涉，对排种装置运动仿真，仿真结果：运动平稳并未出现失真情况。安装架的材料采用改性的聚丙烯PP，改性过的聚丙烯生产成本低且机械强度高；弹片在取种过程中持续对取种块作用，保证取种可靠，排种时恢复形变的力又使种子向外排出，弹片材料选用65Mn，工艺性好、性价比高。模拟其工作受力状态分别进行有限元分析，分析结果如图5、图6所示，表明取种装置安装架及弹片工作时所受的最大应力远远小于材料的许用应力，满足设计要求。

图5 安装架最大应力图

图6 弹片最大应力图

4 试验验证

为验证排种器创新设计后的实际排种效果，重点验证取种块结构优化对排种性能的影响。试验地点在新疆农业大学机电工程学院农业工程装备创新设计实验室，试验台架选用自制精量排种器试验台，试验材料选用新疆广泛种植的“新籽1614”，根据《单粒(精量)播种机试验方法(GB/T 6937—2005)》[19]及《播种机质量评价技术规范(NY/T 1143—2006)》，选取合格指数、重播指数、漏播指数作为排种器性能指标，进行10次重复试验取平均值。因打瓜种子流动性差，在承种带上不易滚动且成穴粒距较明显均匀(变异系数<5%)，本试验通过统计计算承种传送皮带上相邻粒距内的种子数量(0，1，2粒及以上)出现的频率和排种总穴数，得到排种器性能指标

(1)

(2)

(3)

式中：A——合格指数，%；

D——重播指数，%；

M——漏播指数，%；

n1——单穴单例种子出现的频率；

n2——单穴出现2粒及以上种子的频率；

n3——单穴出现空穴(0粒种子)的频率；

N——播种总穴数。

根据前期的排种预试验效果，选取排种器的适宜转速为43 r/min(播种速度约为1.1 km/h)，取种块有效夹持长度9 mm，取种块宽度7.8 mm[1]，对比验证取种块优化前后的排种性能，排种器台架试验结果如表2所示。

表2 排种试验性能对比Tab. 2 Performance comparison of seed placement test

试验结果表明，设计的夹持式打瓜排种器优化前后的整体性能均较好，无籽粒破碎现象，进一步验证了利用发明原理所设计方案的可行性。但取种块结构对排种器性能指标有显著影响。利用曲面化原理优化后的取种块结构的排种性能最佳，排种器的合格指数、重播指数及漏播指数分别为83.87%、9.23%、6.90%；优化后的排种器重播指数较优化前增加0.47%，但漏播指数降低2.66%，整体合格指数增加2.22%。基于高速摄像机发现种子在夹持取种阶段，种子流动性差，优化前后沿喂入口切面流向有效夹持区域的种子数量发生了变化；优化后的大多数种子流向导流面时能够顺利经由过渡曲面运动到取种块的有效夹持面处，而优化前的部分种子流经导流面过渡面时向夹持区域两侧方向运动，运动方向的改变导致充种数量有所下降，排种性能指标出现差异，这可能和打瓜的不均匀质地和不规则几何形状有关。

5 结论

1) 运用TRIZ理论对打瓜精量排种器进行了创新设计，分析了气吸式打瓜精量排种器在结构复杂、功耗高、吸附不稳定及排种合格指数低等方面的问题，设计了一种结构简单、排种可靠性高的机械式打瓜精量排种器，确定了3种主要技术矛盾，建立矛盾矩阵，应用分割原理、局部特性原理、曲面化原理及状态改变原理4种发明原理结合具体情况，得到解决这些矛盾的方案。

2) 用Solidworks软件对机械式打瓜精量排种器的零部件建立了三维模型，进而自底向上装配，并检查零部件间无干涉；对核心装置取种机构运动仿真，运动平稳无失真情况；对弹片进行应力应变分析，满足疲劳强度要求；对安装架关键部件进行有限元分析，其工作所受最大应力远小于材料的许用应力，满足设计要求。

3) 排种器台架试验结果表明，优化后排种器性能较好，重播指数较优化前增加0.47%，漏播指数降低2.66%，整体合格指数增加2.22%，进一步证实了基于TRIZ理论设计的机械式打瓜排种器能满足打瓜精量排种性能。在后续的研究中，可以考虑结合离散元仿真分析，重点考察种子运动规律以及不同品种和不同规格尺寸的打瓜种子对排种器性能的影响，以进一步提高精量排种性能。