基于TRIZ 理论的可拆卸微耕机设计与研制

郭建永，李海源，朱梓莹

（1 肇庆学院 肇庆经济社会与历史文化研究院，526061，广东肇庆；2 肇庆学院 机械与汽车工程学院，526061，广东肇庆；3 广宁县木格农业机械有限公司，526348，广东肇庆）

目前，我国山区林地的农业机械化水平普遍较低。随着近年来国家对山区农业发展政策的不断完善，国家大力扶持和发展农村经济，调整农村农业生产结构，以提高农业机械化水平，大力发展生产力[1]。

微耕机一般使用在茶园管理、旱田与水田耕作、梯田与林地开垦等场合，具有动力旋转部件，带或不带主传动机构，通常用于碎土作业，一般的操作方式是由使用者在后面掌控着扶手进行作业[2]。由于山区林地的地形环境复杂多变，常常会出现小山坡及碎石台阶等路况，加上微耕机工作环境恶劣，动力系统工作震动幅度较大，一旦出现故障，维修运输过程十分不便，因此研究出一款动力系统与机架可分离的微耕机，对提高农业机械化水平有着重要的意义。

1 TRIZ 理论应用

用户需求是产品创新的驱动力，产品创新的本质是根据一定用户的需求对产品进行改进，具备某些指定功能的解决方案是整个设计的核心，创新设计出来的产品则是以载体的形式呈现出来[3]。

1.1 技术矛盾

技术矛盾是指一个作用同时产生有用及有害两种效应，也可指有用效应的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统变坏。技术矛盾常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾，而且总是涉及到两个基本参数：当其中一个得到改进时，另一个变得更差[4]。

任何一台机器的发展，都会以功能的增加为目标，但功能的增加也意味着产品会发展得越来越复杂，所以需要改善的技术参数为“装置复杂程度（编号36）”，但装置复杂程度的改善会造成产品的物质数量增加，造成制造成本的增加。在经济不发达的贫困山区，制造一台机器的成本要尽可能的低，才可以进行推广，此时对应恶化的技术参数为 “物质或事物的数量（编号26）”。由于系统的复杂程度增加，在机器发生故障时，产品的可维修性就会降低，需要花费较多的时间与精力进行故障排查，此时对应恶化的技术参数为“可维修性（编号34）”。通过查阅TRIZ 理论中的技术冲突矩阵表，节选出有关内容，如表1 所示。

表1 TRIZ 理论技术冲突矩阵（节选）

通过查阅技术冲突矩阵表，可以得出本案例可能用到的发明原理分别为1 分割、3 局部质量、10 预先作用、13 反向作用、27 廉价替代品。通过分析得出，微耕机主要工作部分由动力系统和执行系统组成，应用发明原理“1 分割”“3 局部质量”“27 廉价替代品”可以得到方案1：将动力系统与执行系统分割；提高动力系统的制造精度；为了控制机器的制造成本，执行系统的刀具材料可以由造价不是很高的材料替代。

1.2 物理矛盾

当一个技术系统的工程参数具有相反的需求时，就出现了物理矛盾。比如说，要求系统的某个参数既要出现又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等。相对于技术矛盾，物理矛盾是一种更尖锐的矛盾，创新中需要加以解决[4]。

微耕机形状的大小直接影响着工作效率，微耕机越大，工作效率越高；但由于山区道路的不平整，为了方便运输，尤其是在机器发生故障时，微耕机形状的增大将大大增加运输时的难度。通过思考，应用TRIZ 理论中的条件分离原理，解决了该问题。由于微耕机结构简单，故障一般发生在动力系统，即发动机部分。假如通过某种机械连接，使微耕机在发生故障时，动力系统可以轻松拆除，农民可以直接将动力系统带到指定单位进行维修或更换，可以大大降低运输难度，此方案为方案2。

1.3 九屏图分析

TRIZ 理论的核心思想之一是任何技术系统都是按照一定的客观规律前进的，在九屏图分析工具中也得到了体现。基于技术系统进化的九屏图是把当前系统、当前系统的子系统、当前系统的超系统分别对应的现在、过去和未来，通过一定的逻辑关系联系起来的分析工具，主要用于系统宏观层面的分析，寻找资源解决问题和开展产品技术预测。

九屏图的目的是寻找资源，分析清楚系统的构成与环境。首先，从技术系统本身出发，考虑可用资源；其次，考虑技术系统的子系统、超系统中的资源；再次，考虑系统的过去和未来，从中寻找可利用的资源；最后，考虑超系统和子系统的过去和未来。

本案例九屏图分析如图1 所示。当前系统为微耕机；当前系统的过去为犁，主要是由牛、马等牲畜进行牵引；当前系统的将来可能会发展出多功能机型，此为方案3；当前系统的子系统为刀具，刀具直接与土壤接触，达到破土、平土的效果，子系统的将来，可能会发展成通过冲击场、振动波等方式来整地，此为方案4；当前系统的超系统为燃料，主要为汽油或柴油，汽油和柴油都是通过石油加工而来，所以超系统的过去为石油，为了响应国家碳达峰碳中和的号召，将来的微耕机燃料可能会使用无污染的新能源燃料，此为方案5。经在网上查阅，南京农业大学的张超博士曾开展了相关研究，以太阳能为能源给微耕机提供动力[5]。

图1 微耕机系统九屏图分析

1.4 物场分析

物场分析是原苏联学者阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）首创的一种创造方法，是通过分析技术系统内部构成要素之间的相关关系、相关作用而导致技术创造的一种方法。所谓物场，是指物质和物质之间相互作用与相互影响的一种联系，就科学领域来说，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等，都是物场的具体存在形式。

微耕机与土壤之间是通过刀具的运动导致土壤的破碎，从而达到整地的效果。但实际生产中发现，土壤易黏附在刀具上，进而增加微耕机工作时的阻力，造成无用能耗的增加。如果在土壤与刀具之间增加一个场，既不破坏原来存在的场，又能解决土壤黏附的问题，则为一个可行的方案。物场分析原理图如图2 所示。

图2 物场分析原理图

通过分析，场2 可以选用机械场，通过震动的方式将刀具上的泥土甩掉，此为方案6。

2 方案对比与分析

在应用TRIZ 理论分析和思考过程中，会产生大量的方案，但并不是所有的方案都能在实际生产中实现，所以，在应用TRIZ 理论思考问题后，需要对所有方案进行评价与分析。通过应用TRIZ 理论，共得到6种初步方案，如表2 所示。

表2 方案整理

方案3、方案4 与方案5 是采用了九屏图分析工具，分别对应当前系统、超系统与子系统的未来发展可能，适用于长期的研发攻坚，不适用于解决需要紧迫解决的问题；方案1 虽然可以在一定程度上降低生产成本，但控制幅度有限，此方案意义不大；方案6 同样可以在一定程度上降低能耗，但节省的能耗不大，此方案同样意义不大；方案2 可以切实解决山区运输不方便的问题，可将微耕机改造后进行生产。

通过肇庆学院与广宁县木格农业机械有限公司的合作，广宁县木格农业机械有限公司生产的动力系统可拆卸微耕机已投入生产，该产品受到广大农民朋友的一致好评。

3 结语

本文通过应用TRIZ 理论中的技术矛盾、物理矛盾、九屏图分析及物场分析，共分析出6 种微耕机创新设计方案。经过对6 种方案的对比分析，由物理矛盾工具及条件分离原理得出的方案切实可行。此方案经过与广宁县木格农业机械有限公司合作，动力系统可拆卸式微耕机已投入生产并进行推广，受到广大农民的一致好评。