利用TRIZ理论对圆捆机成捆系统创新设计

赵小娟，王 强，王 馨，郭喜燕，董佳佳，孙文婷，王志军，周小宝

(1.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古乌拉特中旗农牧机服务中心，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

0 引言

目前我国收获牧草与农作物秸秆的打捆机主要有圆捆机和方捆机两种机型。方捆机结构较为复杂，关键零部件依赖进口；圆捆机结构相对简单，故障率低、便于维修，不足之处是圆捆机在草捆成型过程中，成捆室在物料不断旋转下草捆直径不断增大，成捆室压力随之增大，造成前仓和后仓闭合不紧，导致草捆密度降低。本文利用TRIZ理论对圆捆机的成捆室压力控制系统问题进行分析，以期通过改善前后仓闭合效果找到提高草捆密度有效方法，为圆捆机的结构优化改进提供理论基础和解决方案。

1 圆捆机结构及工作原理

圆捆机是一种农村牧区适用的牧草与秸秆收获机具，可一次性完成物料的捡拾、喂入、切碎、卷捆、缠网和卸捆等作业工序，主要由机架、传动系统、捡拾器、强制喂入机构、成捆室、卸草器和行走机构等组成[1]。圆捆机结构如图1所示。

1.传动轴 2.牵引架 3.齿轮箱 4.缠网机构 5.传动系统6.液压系统 7.后仓室 8.卸草机构 9.行走机构 10.前仓室 11.强制喂入机构 12.捡拾器 13.导向器图1 圆捆机结构Fig.1 Structure of round baler

圆捆机的成捆室主要由前仓、前仓侧板、辊筒、仓室连接轴、传动系统和后仓组成，其结构如图2所示[2]。圆捆机在作业过程中，随着机器的前进，捡拾器将地面平铺的物料捡起，经喂入机构送入成捆室，通过辊筒旋转，物料形成草芯，如图3a所示。随着物料不断增加，成捆室内的草捆逐渐增大，如图3b所示。草捆直径不断增大，成捆室压力随之增大，当压力达到规定值时即形成圆柱状草捆，如图3c所示。成捆室压力值到达设定值时机器停止前进，开始缠网卸捆作业，如图4所示。合上后仓继续进行下一个圆草捆的打捆作业[3]。

1.辊筒 2.前仓 3.后仓 4.链轮图2 成捆室结构Fig.2 Structure of baling chamber

图3 圆捆机作业过程Fig.3 Working process of round baler

2 TRIZ理论及问题描述

TRIZ是由苏联发明家ALTSHULLER G S(根里奇·阿奇舒勒)提出的一套具有完整体系的发明问题解决理论和方法。目前，该理论已形成一套解决发明创造问题的技术流程，如图4所示[4]。

图4 基于TRIZ理论的发明问题解决过程Fig.4 Solving process of invention problem based on TRIZ theory

按照TRIZ理论原理，产品之所以要进行创新，是因为其内部存在矛盾，产品内部矛盾分为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指为了改善技术系统的某个参数，导致该技术系统的另一个参数恶化；物理矛盾是指同一参数有两个不同的要求[5]。

3 提高草捆密度的技术方案

3.1 利用技术矛盾进行创新

成捆室作为一个技术系统，其内部存在技术矛盾，该技术矛盾描述如表1所示[6]。根据预先作用原理提出技术方案，即在前仓与后仓连接部位加装拱形碟片，通过加装拱形碟片的方案为后仓提供足够的压力，在草捆成捆过程中确保成捆室后仓有足够的压力补偿。

表1 技术矛盾Tab.1 Technical contradiction

3.2 利用物理矛盾进行创新

随着圆捆机成捆室物料增多，草捆直径增大逐步挤压后仓，挤压力增大造成前后仓之间不能完全闭合，因此这对物理矛盾中则存在对其具有相反要求的一个“压力”参数[7]。根据对物理矛盾的分析，这对矛盾的要求在不同时间段提出，因此可以运用时间分离原理解决。综合运用TRIZ理论中的分离原理与发明原理，最终采用周期性原理生成解决方案，即利用周期性原理在成捆室的后仓液压控制系统加装单向电磁阀。加装单向电磁阀后，草捆在成捆过程中，成捆室后仓压力始终保持周期性恒定，从而缓解草捆直径增大过程中成捆室闭合性差的问题[8]。

3.3 方案对比

以上两种方案均可以在增加物料喂入量的情况下，使成捆室前后仓始终保持较好的闭合效果，进而提高草捆成捆密度。加装拱形碟片方案增加了机械结构复杂程度，且后仓压力不可精准调控，在设备运行过程中后仓不断开合易造成拱形碟片损坏。加装单向电磁阀方案不用更改机械结构，针对物料的不同可以精准调控后仓压力。

综合对比分析，最终采用加装单向电磁阀方案，改善前后仓闭合效果，达到有效提高草捆密度的目的。

4 试验验证

按照GB/T 14290—2021《圆草捆打捆机》中第5章的试验方法进行试验验证[9]。主要试验指标是草捆密度，试验作业如图5所示。

图5 圆捆机作业试验Fig.5 Operation test of round baler

通过试验，对草捆密度进行测定、计算和结果分析。根据草捆密度公式

式中ρ——草捆密度，kg/m3

mk——草捆质量，kg

D——草捆直径，m

W——草捆宽度，m

对未加装单向电磁阀的圆捆机进行了5次打捆测定，求草捆密度平均值，测定结果如表2所示。在同等试验条件下，对加装单向电磁阀之后的圆捆机进行了5次打捆测定，求草捆密度平均值，测定结果如表3所示。

表2 打捆机未加装单向电磁阀草捆密度Tab.2 Bale density of baler without one-way solenoid valve

表3 打捆机加装单向电磁阀后草捆密度Tab.3 Bale density of baler equipped with one-way solenoid valve

试验结果表明，打捆机成捆室改进前的草捆密度平均值为117.6 kg/m3，成捆室优化后的草捆密度平均值为159.0 kg/m3，草捆成捆质量有了明显提升。

5 结论

TRIZ理论是一种标准化的创新方法，利用该理论可以科学快速地找到解决技术问题的思路和方法。将该理论运用于农牧业机械装备设计开发过程中，可以缩短产品开发周期，降低研发成本，进而加快产品升级换代[10]。

(1)利用TRIZ理论的技术矛盾和物理矛盾原理，提出加装拱形碟片和单向电磁阀两种技术方案。经过对比分析，最终选择加装单向电磁阀，通过液压压力的单向调节，保证打捆机成捆室前后仓完整闭合。

(2)试验结果表明，采用加装单向电磁阀方案，草捆密度由改进前117.6 kg/m3提高到159.0 kg/m3，草捆密度提高35%，改善效果明显。