TRIZ创新方法在旱地高速移栽技术研究中的应用

颜 华，陈 科，王海峰，徐 盼，刘邦司

(现代农装科技股份有限公司，北京 100083)



TRIZ创新方法在旱地高速移栽技术研究中的应用

颜 华，陈 科，王海峰，徐 盼，刘邦司

(现代农装科技股份有限公司，北京 100083)

结合旱地高速移栽技术研究课题，针对改善移栽机苗盘输送准确度、提高取苗装置取苗稳定性等关键技术难点，基于发明问题解决理论(TRIZ)的思想和方法，提出苗盘精准输送方案和取、投苗装置结构优化方案，并将新方案运用于2ZBJ-4型悬挂式旱地移栽机样机试制且进行了试验。试验表明：苗盘输送准确度高，运行稳定，取、投苗可靠，取苗效率7 000株/h·单元以上，最高超过10 000株/h·单元，移栽机作业效率60～90株/min·行，平均漏栽率低于3%，栽植合格率大于92%，性能优良。通过TRIZ理论在旱地高速移栽机技术研究中的运用，验证了创新方法流程在农业科技项目中应用切实可行。

移栽机；苗盘输送；自动取苗；TRIZ；创新方法

0 引言

近年来，我国蔬菜种植面积逐年攀升，2013年种植面积2 089.9万hm2，比2012年(种植面积2 035.3万hm2)增加2.68%。蔬菜种植成为仅次于粮食的第二大产业，是实现农业增效、农民增收的重要途径。育苗移栽具有提高复种指数，解决积温不足矛盾，避免苗期干旱、冻害等自然灾害，降低缺苗率及增加产量的优势。目前，国内蔬菜种植仍属于劳动密集型产业，移栽机以半自动为主，劳动强度大，作业效率低。半自动移栽由人工取苗并放置在相应的输送装置或直接送入栽植装置，因受人工喂苗速度限制，作业速度仅为2 000～3 000株/行·h，机械化效益不明显，严重制约种植机械规模化的发展。因此，发展旱地高速移栽机，对于实现移栽自动化，提高移栽效率，解放劳动力，增加经济收益具有重要意义。

移栽机要实现高速、高效移栽种植，解决人工取、投苗效率低的问题至关重要。因此，研究自动送苗、分苗、取苗和投苗技术是开发全自动移栽机的关键。本文涉及的2ZBJ-4型悬挂式旱地自动移栽机，如图1所示。其自动取苗过程采用穴盘苗经苗盘输送装置输送至顶苗位置，钵苗从穴盘底孔成排顶出，结合取苗单元成排夹取方式。苗盘输送准确性和自动取、投苗稳定性直接影响系统后续流程的稳定，是影响移栽机作业质量的重要因素。针对上述关键技术难点，通过运用发明问题解决理论(TRIZ)，结合现代设计理论，改善苗盘输送准确度和提高取投苗稳定性。同时，验证创新方法在农机机械领域运用的可行性。

图1 2ZBJ-4悬挂式旱地自动移栽机示意图

1 TRIZ简介

1.1 TRIZ创新方法

TRIZ是俄文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch首字母的缩写，直译为“发明问题解决理论”[1-3]。TRIZ是苏联发明家Genrich S·Altshullerher和他的研究团队，通过对250万件发明专利进行分析和提炼后总结出来的一套系统化的、实用的、解决发明问题的理论和方法体系[4-6]。

1.2 TRIZ核心思想

1) 很多的方法和原理在发明过程中是在重复使用的；

2) 技术系统的进化和发展并不是随机的，而是遵循着一定的客观趋势[2]。

1.3 TRIZ发明问题解决流程

TRIZ解决发明问题的一般方法是：首先将要解决的问题进行定义、明确；然后，根据TRIZ理论提供的方法，将待解决的问题转化为类似标准问题；最后，由工程实例库对问题进行概念方案设计。TRIZ发明问题解决流程：①明确待解决问题；②构建问题模型；③利用创新工具获得问题解决方案；④获得备选方案模型；⑤对备选方案类比评价；⑥形成最终方案[2,7-10]。

2 TRIZ在旱地移栽技术研究中的应用

2ZBJ-4型悬挂式旱地自动移栽机工作时，先将穴盘苗置于输送装置，穴盘苗经过苗盘输送装置输送至顶苗位置；穴格中的幼苗被顶苗杆成排顶出并被苗爪夹住，送至导苗位置，而后投入栽植装置，完成定植。作业中，苗盘横向输送和纵向进给的准确度直接影响顶苗杆能否将穴盘苗准确成排顶出；而穴盘苗的顺利顶出又进一步影响取苗装置能否将其准确夹取及系统后续流程运行的稳定；苗盘输送效率和准确度及取苗稳定性是改善移栽机作业性能，实现高速、高效移栽的关键技术环节。

2.1 苗盘输送效率与准确度优化设计

2.1.1 苗盘输送装置初步设计方案

苗盘输送装置的初步设计方案：采用气液阻尼缸，按照穴距步进输送整盘苗，逐排取走苗后，气缸整体缩回，然后进行下一次输送循环。苗盘输送装置如图2所示。

图2 苗盘输送装置初步设计方案

2.1.2 系统问题分析

自动移栽机的最大目标速度按90株/行·min设计，设计时，为简化结构、减轻机体质量，1个取苗单元及1个导苗部装同时为2行栽植器供苗，则要求取苗单元的取苗频率为180株/min·单元。采用成排顶出并夹取穴盘苗，每行穴数越多，单次取苗数越多，则取苗效率也越高。综合考虑，按200穴(10×20)穴盘计算，单次取10株，设1个取苗循环所需时间为t，则：60/180=t/10，t≤3.33s，即达到目标取苗速度的取苗循环时间不能大于3.33s。

苗盘纵移气缸的速度不宜太快，太快会因为惯性影响输送精度，一般取80mm/s，苗盘宽取280mm，考虑余量，按300mm计算，即为纵移气缸的最大行程。在未考虑系统阻力及电控系统延时的情况下，此方案1个取苗循环中最耗时的过程为苗盘输送气缸完全伸出后至缩回，需耗时300/80=3.75s；显然，时间多于取苗循环最大目标时间，不满足设计需求。

针对苗盘输送装置，构建系统组件模型。系统组件包括驱动气缸、输送架、苗盘限位板、测量组件及控制系统，以及超系统(穴盘苗)和系统作用对象(苗盘)。在进行组件分析后，进行系统功能分析，找出每个组件之间的相互作用关系，确定每个组件之间的有害关系或对实现技术要求有干涉的功能关系，如图3所示。

图3 苗盘输送装置组件功能分析

基于系统问题分析，该装置输送效率的主要问题在于：驱动穴盘苗纵移过程中，取完整盘苗后气缸缩回时间过长，导致在设计取苗效率前提下，气液阻尼缸行程时间大于一个取苗周期的循环时间。因此，要提高穴盘苗输送效率，就要求驱动组件驱动输送组件的时间损失要小。由问题切入点，查找矛盾矩阵中对应的39个通用工程参数。穴盘苗输送装置需要改善时间损失(25.时间损失)，减少作用时间(15.运动物体的作用时间)，提高苗盘输送效率。根据矛盾矩阵表，查找可采用的创新原理编号；结合苗盘输送系统实际情况，筛选得到创新原理20：有效作用的连续性原理。

2.1.3 创新方案设计

根据创新原理，设计苗盘输送方式为机械式连续回转步进输送方式。苗盘输送原理简图如图4所示。

基于输送原理形成设计方案1：机械回转单向步进输送结合棘轮棘爪固定输送形式，如图5所示。

采用机械方式传动，具有输送稳定、可靠等特点，连续回转式或单向步进输送方式能够提高苗盘输送效率和输送精度。然而，机械式输送结构只适应一种苗盘尺寸规格，系统可控性差。

结合TRIZ创新方法，进一步对系统进行资源分析。移栽机储气罐能够为系统持续提供大于0.6～0.8MPa的气压，考虑使用气压能作为苗盘输送系统的能量源，形成苗盘输送系统方案2：采用气液阻尼缸对苗盘进行输送驱动，结合初始方案及方案1，增加机械式链传动、齿轮齿条和单向轴承实现输送系统的单向步进，设置传感测量装置保证步进输送精度，通过开发人机交互界面调整当前苗盘规格参数，提高了系统适应性。

图4 苗盘输送改进方案原理图

图5 棘轮棘爪单向步进送盘机构

考虑初步设计方案中，穴盘采用的是刚性较好的硬质泡沫盘，依靠两侧压板压紧的方式进行限位。而目前国内广泛采用聚苯乙烯材料制成的塑料穴盘，此类穴盘刚性差，易形变，在苗盘输送和顶苗作业过程中，形变将影响输送精度。如图3的组件功能分析中，苗盘限位板对苗盘限位存在不足，为保证进给过程平稳、准确，在原有限位方案的基础上，增加横向、纵向限位杆对苗盘底部进行限位；同时，在苗盘正面，增加压盘装置。根据最终设计方案研制的苗盘输送装置如图6所示。通过进行苗盘输送试验，表明苗盘输送准确，输送效率高，苗盘限位稳定。

图6 苗盘输送装置最终设计设计方案

2.2 取苗装置取苗稳定性优化设计

2ZBJ-4型悬挂式旱地移栽机自动取苗过程是：幼苗先从穴盘中被顶出，取苗爪成排夹取幼苗并一起摆动至投苗位置后张开，幼苗自由落至导苗筒。取苗过程中，苗爪要能及时闭合紧紧夹住幼苗基质；落苗过程中，苗爪应当适度张开，保证幼苗及时、顺利脱离苗爪。因此，提高取、投苗稳定性是优化取苗装置的主要任务。

2.2.1 取苗装置初步设计方案

取苗装置的初步设计方案如图7所示。取苗爪固定于接苗板两侧，进气口进气时，在苗爪气腔活塞驱动下绕固定转轴转动实现苗爪下端闭合，夹取幼苗。切断进气时，苗爪在复位弹簧作用下呈张开状态，幼苗脱落。

1.苗爪气腔(内置活塞) 2.进气口 3.固定转轴 4.复位弹簧 5.苗爪 6.接苗板 7.苗爪固定板

2.2.2 系统问题分析

基于初步设计方案，对其进行样机试制与试验，发现取苗效果不理想，主要存在如下问题：

1) 苗爪气腔中活塞密封圈气密性好时，活塞回位困难，导致苗爪投苗动作滞后；

2) 苗爪选择气腔活塞密封圈气密性较差时，因漏气，苗爪夹取基质块不稳定。

对取苗装置进行组件分析，明确各组件之间的关系。取苗装置的超系统：气阀，机架；子系统：苗爪固定板，接苗板，苗爪气腔活塞，苗爪，复位弹簧；作用对象：穴盘苗。对系统进行组件功能分析(见图8)，确定问题的切入点。

图8 取苗装置组件功能分析

2.2.3 TRIZ理论方法解决问题

通过系统问题分析知：苗爪气腔气密性在取苗爪开合过程中存在相反的作用。气密性好，气缸活塞回位缓慢，将滞后苗爪张开，影响幼苗顺利脱落。若以加粗弹簧钢丝直径增大作用力的方式改善苗爪复位能力，苗爪闭合时因克服更大的弹簧阻力需要增大气腔进气量。气密性差，气路漏气，苗爪夹取幼苗易脱落，影响取苗稳定性。因此，问题的关键在于，既要保证苗爪闭合时苗爪气腔好的气密性，提高苗爪夹取幼苗的稳定性，又要降低苗爪气腔的气密性，使气腔中的压缩气体迅速排出，保证苗爪及时回位。系统中的工程参数“气密性”具有相反需求，是一对物理矛盾，依据TRIZ理论解决系统矛盾问题方法，选用空间分离的方法解决苗爪气腔气密性问题，优化取苗装置结构。

2.2.4 创新方案形成

根据空间分离原理，将初始设计方案中的苗爪气腔替换为进气口与出气口独立的气缸；同时，结构上改用气缸活塞连接凸块驱动苗爪末端的方式实现其开合，如图9所示。苗爪张开时，有独立的排气口，弹簧回位阻力减小，可改用较软的弹簧；苗爪闭合时，有独立的进气口，因弹簧作用力减弱，用气量随之减小，改善取、投苗稳定性。

1.气缸 2.凸块 3.苗爪固定座 4.接苗板 5.苗爪 6.复位弹簧 7.固定转轴 8.出气口 9.进气口

考虑到取苗装置对不同规格苗盘的适应性，设计时，苗爪单元之间采用调整螺栓连接，通过调节相邻取苗单元连接螺栓的长度调整取苗单元间开合时的距离。将最终形成的取苗装置方案进行样机试制并进行了试验，表明该装置作业稳定。

3 田间试验

课题于2015年8月在河北省保定市涞水县对试制的2ZBJ-4型悬挂式旱地移栽机进行了田间试验，试验现场如图10所示。

图10 2ZBJ-4型旱地移栽机田间试验

试验表明：移栽机能够按照预期流程稳定完成苗盘自动输送及自动取、投苗动作，育苗质量高时，取苗效率7 000株/h·单元以上，最高超过10 000株/h·单元；幼苗移栽定植后，效果良好，其平均漏栽率低于3%，栽植合格率大于92%，移栽作业效率60～90株/min·行。依据《旱地栽植机械JB/T10291-2013》行业标准，经国家农机具质量监督检验中心检测，性能优良。

4 结论

1) 针对苗盘输送效率与准确度问题，运用TRIZ理论方法有效作用的连续性原理提出采用气液阻尼缸驱动，结合机械式链传动、齿轮齿条、单向轴承和信号反馈实现输送系统高效、精准单向步进，同时通过对苗盘输送过程中增加限位装置，进一步保证了苗盘输送准确度。

2) 针对取苗装置取苗稳定性问题，运用TRIZ理论解决技术系统物理矛盾问题方法—空间分离原理，提出将苗爪气腔替换为进气口、出气口为独立的气缸，解决了原有方案中既要求“气密性”好，又要求“气密性”差的物理矛盾，改善了装置取苗稳定性。

3) 完成了2ZBJ-4型悬挂式旱地移栽机田间试验。试验表明：苗盘输送精准、高效，取、投苗稳定，育苗质量高时，取苗效率达7 000株/h·单元以上，最高超过10 000株/h·单元，幼苗平均漏栽率低于3%，栽植合格率大于92%，移栽作业效率60～90株/min·行。

4) TRIZ创新方法在旱地高速移栽技术研究中的成功运用，验证了创新方法流程在农业科技项目中应用切实可行。

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TRIZ Application in Research of Dry-land High-speed Transplanter

Yan Hua, Chen Ke, Wang Haifeng, Xu Pan, Liu Bangsi

(Modern Agricultural Equipment Co.Ltd, Beijing 100083, China)

Basing on the research of dry-land high-speed transplanter, the paper aimed to solve the key technical difficulties, which includes improving the accuracy of seedling tray transmission and increasing the stability of fetching seedlings. The optimized scheme, including accurate transmission of seedling tray and the structure of fetching seedling device, has been proposed with the theory of invention problem solving (TRIZ). Applied the new ideas on the prototype of 2ZBJ-4 suspended dry-land transplanter and the trail was carried out. It showed that the transmission accuracy of seedling tray is higher, and the performance of fetching seedling is stable, working efficiency is about 60-90 plant/ (min·row), the mean leakage rate of plant is below 3%, and the planting percent of pass is greater than 92%, while the efficiency of fetching seedling is more than 7000 plant/ (hour·unit), even more than 10000 plant/ (hour·unit) as the quality of seedlings is good .The process of innovation applied in agricultural technology plan is practical and feasible, which has been verified by the TRIZ in the application of dry-land high-speed transplanting research.

transplanter; transportation device; fetching seedlings device; TRIZ； innovative methods

2015-12-04

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA 10A50 1)；国家科技基础性工作专项(创新方法工作)项目(2013IM030700)

颜 华(1973-)，女，贵州清镇人，研究员，硕士生导师，(E-mail)yanhua@caams.org.cn。

S223.9

A

1003-188X(2017)01-0197-05