房庆柳，李国昉*，陈立东，王逸飞，蒋延金，杜凤永

(1 河北科技师范学院机电工程学院，河北 秦皇岛，066600；2 河北永发鸿田农机制造有限公司)

摘果是花生收获过程中的重要环节，摘果装置广泛应用于联合收获机和花生摘果机上。提高花生的摘净率和降低荚果的破碎率，是优化收获机械摘果性能的重要途径[1]。摘果装置的设计多采用传统设计方法进行，摘净率和破碎率等指标不能满足国家标准。TRIZ作为一种创新设计方法，可以提供良好的构架和解决问题的方案。利用TRIZ 方法对摘果装置进行创新设计，以寻求优化的摘果装置的解决方案。

1 TRIZ创新理论概述

TRIZ集成了各领域解决同类问题的知识和经验，通过系统化地解决问题流程，突破个人知识的局限性，避免思维的惯性。经过多年发展，TRIZ理论逐渐被世界各国所接受，为创新设计发展和普及提供了良好的工具和平台[2，3]。应用TRIZ理论，可以把有缺陷的物体、结构、想法等通过创新思维重新设计出来；利用TRIZ中的工具，如矛盾矩阵中使用的发明原理、物—场模型中的标准解等，可求出问题的普适解或称模拟解(Analogous solution)。TRIZ理论非常适合花生摘果装置等机械部件的创新设计。

2 花生联合收获机摘果装置现存的问题

农业部对花生收获机械摘果作业的要求是：半喂入联合收获机的摘净率在99%以上，破碎率在1%以下；全喂入联合收获机的摘净率在98%以上，破碎率在2%以下[4]。可见对半喂入式收获机摘果质量要求更高一些，但因其适应性较差和生产效率较低，市场占有率较小[3]。全喂入式收获机适用于较干的花生，对花生品种和种植要求不高，北方的联合收获机和两段捡拾收获机上较多采用[5]。我国花生种植面积广，种植农艺各异，花生收获机的应用有着较强的地域性和农艺适应性，大多数摘果装置只适用于当地的花生收获，不能大面积推广；有些摘果装置结构较为复杂，后期维修和保养困难；有些摘果装置对荚果的摘净率和破碎率改善不明显。广泛应用的轴流式摘果装置，只配备1个摘果滚筒，机型较小，生产率较低。随着花生种植面积的增加和劳动力成本上涨，大幅宽、高生产率的花生收获机型需求越来越大。切流滚筒在喂入量、含水率、花生品种等方面都有良好适应性，尤其适用于大型花生联合收获机[6]。

3 花生联合收获机摘果装置问题的TRIZ理论分析

摘果装置的结构决定着摘净率和荚果破碎率等性能指标，直接影响着收获质量。利用TRIZ理论提供的良好构架和解决问题的程序，对摘果装置进行创新设计，以期解决现有摘果装置中存在的摘果不净、荚果破碎率高的问题，图1为花生联合收获机摘果装置创新问题解决流程。

图1 花生联合收获机摘果装置创新问题解决流程

花生联合收获机主要包括挖掘、输送夹持、摘果、分离清选和收集等装置。摘果装置是联合收获机关键装置之一，主要由摘果辊和凹板筛组成，摘果辊包含摘果滚筒和摘果齿。图2是花生联合收获机的结构简图和摘果装置示意图，其中：a是联合收获机的结构简图；b是摘果滚筒结构。

3.1.1功能分析摘果装置主要包括摘果滚筒、摘果元件、传动装置、固定齿、固定齿安装轴和凹板筛等。花生联合收获机摘果装置系统分析见表1。

表1 花生联合收获机摘果装置系统分析

在系统分析基础上，建立花生联合收获机摘果装置的功能模型(图3)，明确各组件间的相互作用关系。其中：传动装置中摘果滚筒转速和单个滚筒的作用时间，是造成摘果不干净的最主要的不足因素；固定齿对摘果强度有不足作用。

3.1.2因果分析对摘果装置进行的因果分析表明，摘果不干净、荚果破碎率高是造成摘果性能差的2个原因，而滚筒摘果时间短、摘果间隙过大是摘果不干净的原因；摘果滚筒转速过高、摘果元件的材料选择不合理是荚果破碎率高的原因。深入分析上述4个原因可得出，最根本原因为：单个滚筒导致摘果作用时间短、没有调节机构导致摘果间隙不合理、人力控制不准确导致摘果滚筒转速太高、摘果元件材料不适导致摘果元件不合理。图4为花生联合收获机摘果装置的因果分析过程。

图3 花生联合收获机摘果装置的功能模型

图4 花生联合收获机摘果装置的因果分析

3.1.3冲突区域确定因果分析得到的原因中，推导出摘果装置中的可控可改变的最根本原因，与最根本原因相关的冲突区域即为最终的冲突区域。花生联合收获机摘果装置推导出最终的冲突区域为：提高摘净率；降低荚果破碎率。

3.1.4理想解分析摘果装置的最优摘果状态是最终理想解，但又是很难达到的状态。一般情况下退而求其次，以低于最优摘果状态的某个水平作为摘果装置改进的目标。理想解分析就是为了确定摘果装置改进时能够达到的目标而进行的分析。

通过最根本原因分析，在摘果装置功能模型上确定2个冲突区域为提高摘净率和降低破碎率。围绕这2个冲突区域进行问题求解，这是摘果装置改进的一般思路，但同时也限定了解的等级不高。为达到更好的创新设计要求，需要进行理想解分析。本次设计中的最终理想解为：荚果都摘取下来，荚果没有破碎。次理想解为：通过调节控制摘果的摘净率和破碎率。花生联合收获机摘果装置理想解的分析过程见表2。

表2 花生联合收获机摘果装置理想解分析过程

3.1.5可用资源分析法解决摘果装置中的摘净率不高、荚果破碎率严重等问题时，按照发明资源的可及性和资源所在区域将资源分为：内部资源(冲突区域内部资源)、外部资源(冲突区域外部系统内资源)和超系统资源。通过对花生联合收获机摘果装置中的内部和外部资源进行分析，确定可用资源，并对可用资源进行评价，结果见表3。

表3 花生联合收获机摘果装置创新设计的内部资源、外部资源分析

4 摘果装置的改进设计

传统的设计方法是以经验总结为基础，运用力学和数学的经验、公式、设计手册等作为设计依据，通过经验公式、近似系数等方法进行设计，很容易局限设计者的思维。应用TRIZ理论方法对摘果装置进行创新设计，可以通过矛盾矩阵方法通过对40个发明原理进行创新设计，也可以通过物—场模型方法，利用76个标准解进行研究[2，3]。本次研究采用矛盾矩阵方法中的39个工程参数和物—场模型中的6种解法2种创新方法寻求摘果装置的创新设计。

4.1 摘果元件的创新设计

弹齿式摘果元件在弓齿式、钉齿式、板齿式摘果滚筒中广泛应用。原有摘果装置上，每个方管上间隔设置有多个U型弹簧，相邻方管上的U型弹簧交错设置；U型弹簧通过压垫、螺栓固定安装在方管上。U型弹簧可实现柔性摘果，避免高速撞击打击，减少碎果和破果，脱果干净[8]。

4.2 解决冲突区域

4.2.1提高荚果的摘净率的解决方案

方案1：矛盾矩阵方法

现今摘果装置中的摘净率和破碎率不能满足使用要求，为了提高摘净率，一般提高滚筒的转速，但单滚筒摘果装置中，花生秧蔓在滚筒中停留时间短，摘果元件的作用弱，从而导致荚果不完全摘净。利用矛盾矩阵方法中的39个通用工程参数分析，得出改善参数为速度(No.9)和恶化参数为运动物体的作用时间(No.15)[6，7]。

结合矛盾矩阵，得到3条发明原理来解决这个矛盾，分别是：(No.3)局部质量原理、(No.5)组合原理、(No.35)物理和化学参数改变原理[9～11]。运用组合原理，在不减少滚筒作用时间的前提下，将滚筒副增加到3个；每个滚筒副的速度逐次降低，使得摘果性能达到最优的状态。每个滚筒副都包含1个摘果辊和1个凹板筛，摘果辊上有摘果滚筒和弹齿式摘果元件，凹板筛上有固定齿和调节机构，改进的花生联合收获机摘果装置简图见图5。

图5 改进后的花生联合收获机摘果滚筒

方案2：物—场模型分析

通过TRIZ理论中的物—场分析方法对摘果装置进行研究，先建立花生联合收获机摘果装置的物—场模型(图6)。

假设摘果装置通过恒定的机械作用把荚果摘取下来。因花生品种和收获时间不同，花生秧果物料特性不同，固定的摘果间隙不能满足物性不同的花生摘取，导致摘净率不高。采用第6种解法[7]，即通过引入第3种物质并增加另外1个场来强化摘果性能，利用物—场分析的标准解寻求对摘果装置的摘净率不高的问题。

根据所建问题的物质—场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为No.15(S2.1.2 双物—场模型)。依据选定的标准解，得到问题的解决方案为通过引入新的调节机构和场F2来增强F1的作用[12]。改进之后花生联合收获机摘果装置的物—场模型见图7。

加入1个调节机构，摘果装置可以满足不同地区、不同品种的花生荚果类型，改善摘果不净的问题(图7)。图8是调节机构结构图，将调节机构安装在固定齿的安装轴上，通过改变调节机构把手的位置即可确定适当的摘果间隙。

图6 原有花生联合收获机摘果装置的物—场模型 图7 改进后的花生联合收获机摘果装置的物—场模型

图8 花生联合收获机摘果装置加入的调节机构调节机构1 调节把手；2 调节板；3 把手固定板；4 把手调节孔

4.2.2降低荚果的破碎率解决方案当摘果滚筒的转速超过一定界限时，荚果的破碎率也会随之增加。假设摘果装置以高速将大部分荚果都摘下来，摘净率满足相关标准，但荚果破碎率也逐渐增大。采用第2种解法[7]，通过引入第3种物质并增加另外1个场来强化有用效应，利用物—场分析的标准解来解决荚果破碎率。

先建立原有花生联合收获机摘果装置的物—场模型图(图9)，应用标准解解决流程，得到标准解为No.9(S1.2.1引入S3消除有害效应)。对标准解进行分析可知，摘果装置存在荚果破碎率高的危害作用，又无法限制传动装置对荚果的作用，在二者间引入监测系统以消除有害作用，保证速度和摘果间隙满足摘果性能的要求。

改进之后的花生联合收获机摘果装置物质—场模型见图10。

图9 原有花生联合收获机摘果装置的物—场模型 图10 改进后的花生联合收获机摘果装置的物—场模型

创新设计后的摘果装置包括3个摘果滚筒副、传动装置和监测系统。摘果副中包含摘果滚筒和凹板筛，摘果滚筒上有弹性摘果齿；凹板筛上有调节机构、固定齿和固定齿角度调整轴。花生秧蔓切向进入摘果滚筒，经过摘果元件和底部凹板筛的固定齿的刷拉，使得荚果从秧蔓上分离。底部凹板筛的固定轴调整机构可以调节摘果强度，防止荚果破碎严重。第1个摘果滚筒转速最快，摘果强度最高，后续摘果滚筒的转速逐渐降低，花生荚果、碎秧和土块经凹板筛落入振动筛进行清选。在摘果滚筒内部安装监测设备，保证摘果速度满足摘果性能的要求，效果有待以后验证。

5 结论与讨论

通过利用TRIZ对摘果装置进行了创新设计，采用了技术矛盾方法和物-场模型方法，对现有摘果装置所存在的问题进行分析，得到了解决问题的方案，为了提高荚果摘净率高的问题，通过矛盾矩阵方法得出3个滚筒副组合和利用物—场模型的第6种解法增加1个调节机构的创新设计；为了降低荚果破碎率高这一难题，通过物—场模型的第6种解法增加1个监测设备的创新设计。本次进行的创新设计其效果有待今后实践检验。