基于TRIZ理论的打捆机捡拾喂入系统改善
2022-05-27郭喜燕王振华赵小娟鲍志亮王俊跃
郭喜燕，王振华，王 馨，赵小娟，王 强，鲍志亮，高 磊，王俊跃
(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 010010；2.内蒙古华德牧草机械有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；3.乌拉特中旗农牧机服务中心，内蒙古 巴彦淖尔 015000)
0 引言
打捆机是一种牧草收获作业机具，打捆机通过捡拾喂入、螺旋输送、压缩成型、自动捆扎等工序将散状牧草压缩成为草捆，成捆后的牧草便于运输，方便存贮[1]。
打捆机的捡拾喂入系统在工作时，由于牧草喂入量不均匀，导致螺旋输送器和捡拾器架体之间及喂入口周围易堆积牧草，造成捡拾喂入系统堵塞，影响机具正常工作。
本文应用TRIZ创新原理对打捆机的捡拾喂入系统发生堵塞问题寻找解决方案，以改善捡拾喂入效果，提升作业效率。
1 工作原理及问题描述
打捆机捡拾喂入系统主要由捡拾器、螺旋输送器、拨草叉、喂入口、架体等组成(图1)。该系统主要功能是将铺放在地面上的散状牧草通过捡拾器捡拾输送到螺旋输送器，并推送至中间的喂入口，拨草叉将牧草拨入到压缩室内。
捡拾喂入系统工作时，由于牧草喂入量不均匀，导致螺旋输送器和捡拾器架体之间易缠绕和堆积牧草，堵塞喂入口，导致机器无法正常打捆作业。
1.捡拾器 2.螺旋输送器 3.拨草叉 4.喂入口 5.架体图1 打捆机捡拾喂入系统模型Fig.1 Model of pickup feeding system of baler
2 TRIZ理论介绍
TRIZ理论是一个对创新设计、发明创造和难题解决非常有用的理论，具有较强的操作性、通用性，以及高效率、高创新率等特点[2]。TRIZ理论的主要组成部分如图2所示。TRIZ理论超越了以往一些激发创造力的传统创新方法，通过一系列系统化的分析问题、解决问题的流程，帮助各行业创新设计人员得到最有效的解决方案[3]。
图2 TRIZ理论主要组成部分Fig.2 Main components of TRIZ theory
3 改善捡拾喂入系统技术方案
为改善打捆机捡拾喂入系统，利用TRIZ理论进行分析，制定解决方案。
3.1 利用裁剪原理提出方案
利用裁剪原理提出方案，即采用空心螺旋输送器结构。该方案是将易缠绕牧草的用于固定螺旋叶片的基轴裁剪掉一部分，形成空心螺旋输送器，其结构如图3所示。该结构减少了牧草与螺旋输送器缠绕的接触面积，增大了牧草输送空间，防止产生因牧草与螺旋输送器缠绕导致捡拾喂入系统堵塞的现象。
1.螺旋输送轴 2.螺旋叶片图3 空心螺旋输送器示意Fig.3 Schematic diagram of hollow screw conveyor
3.2 利用技术矛盾提出方案
为防止牧草堆积造成堵塞，可采用提高喂入速度的方法。但是，喂入速度的提高会造成机具可靠性下降。因此捡拾喂入系统存在着一对技术矛盾：改善速度的同时，恶化可靠性。根据这对技术矛盾，通过查询矛盾矩阵，可利用事先防范原理改善打捆机捡拾喂入系统的堵塞问题[4-5]。
根据事先防范原理提出改善方案，即自动开合喂入口。将喂入口改为可自动开合结构，若牧草堆积，则对喂入口产生压力，喂入口随着逐渐增加的压力自动打开，将堆积牧草排出。自动开合喂入口，消除了牧草堆积对机器堵塞的有害作用，有效防止牧草堆积导致捡拾喂入系统堵塞。
4 改善方案对比
通过理论分析研究，以上两种改善方案均可以有效防止牧草缠绕及堆积，进而避免捡拾喂入系统堵塞。空心螺旋输送器方案，机械结构改动简单，改造成本低，防止牧草缠绕效果明显，可行性高。自动开合喂入口方案，机械结构复杂，实施成本高，增大牧草收获损失，降低收获效率。
综合以上改善方案对比分析，将空心螺旋输送器(图4)方案作为最优方案，有效防止牧草缠绕、堆积造成堵塞，改善打捆机捡拾喂入效果。对最优方案试制打捆机样机，并进行试验验证[6-7]。
图4 空心螺旋输送器Fig.4 Hollow screw conveyor
5 样机验证试验
2021年8月15—20日，样机在内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗白泥井镇进行为期6 d的田间试验，如图5所示。
图5 打捆机田间试验Fig.5 Field experiment of square baler
试验期间，每日在机器连续作业2、4、6和8 h时分别记录打捆机作业捆数及观察捡拾喂入系统是否堆积牧草发生堵塞，试验结果如表1所示。
表1 试验记录Tab.1 Test record
试验结果表明，采用空心螺旋输送器方案，打捆机的捡拾喂入系统无故障作业捆数超过13 000捆，符合GB/T 25423—2010《方草捆打捆机》中的MTTFF≥4 000捆要求[8]。因此，空心螺旋输送器方案可以消除因牧草堆积、缠绕造成捡拾喂入系统堵塞机器无法正常作业的有害作用，有效改善了打捆机捡拾喂入系统。
6 结论
(1)为有效防止牧草缠绕、堆积堵塞机器，保证打捆机正常作业，利用TRIZ理论的裁剪原理和技术矛盾分析，提出了空心螺旋输送器方案和自动开合喂入口方案共两种改善方案。经过理论对比分析，将空心螺旋输送器方案作为最优方案。
(2)通过对空心螺旋输送器方案进行田间试验，结果表明捡拾喂入系统无牧草堆积、缠绕现象，捡拾喂入系统堵塞效果明显改善。
通过利用TRIZ理论解决打捆机捡拾喂入系统牧草缠绕、堆积堵塞问题，表明了TRIZ理论是一种科学的创新方法，降低了研发成本、提升了研发效率，为以后改善及设计畜牧机械提供了一个全新的创新理论和工具。
