基于TRIZ理论的秸秆打捆机压捆室的创新设计*

韩 锰 ， 王成军 ， 朱 韬

（1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学人工智能学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

农作物秸秆是含有大量养分的生物质资源，充分利用秸秆资源有利于促进生态系统养分循环和可持续发展[1]。我国拥有丰富的秸秆资源，但人工回收存在劳动强度大、工作时间长、易散捆等问题，秸秆打捆机作为专用的秸秆回收机械能有效提高回收效率，且成捆质量更高[2]。

国内已有多位学者针对圆捆打捆机的结构设计和改进做了相关研究。雷军乐等[3]对喂入装置增加碾压对辊和双喂入辊子，提高其喂入能力，解决喂入不畅甚至堵塞的问题；高东明等[4]设计了一种对数螺线式压捆装置，由预压机构和二次压捆机构组成。但目前国内学者涉及可变室打捆机的研究较少，为解决钢辊式圆捆打捆机压捆室直径不可变的问题，课题组基于TRIZ理论设计了一种可变室圆捆打捆机。

1 TRIZ理论简介

TRIZ的英文全称是Theory of the Solution of Inventive Problems，中文翻译为“发明问题的解决理论”，由以前苏联的阿奇舒勒（G.S.Altshuler）为首的专家通过研究专利文献，发现技术系统的创新规律，并在此基础上建立的解决创造发明问题的方法。TRIZ的基本含义就是解决实际的发明问题，从而实现技术和管理上的创新。TRIZ的理论体系主要包括8大进化法则、最终理想解IFR、40个发明原理、39个工程参数、阿奇舒勒矛盾矩阵、物理矛盾和4大分离原理、物-场模型分析和发明问题的标准解法等多个方面[5]。

2 问题描述

现有的圆捆打捆机多为牵引式，且国内多数圆捆打捆机仅能形成单一直径的圆草捆，若要形成直径不同的圆草捆需更换不同型号的打捆机，这一操作会大大降低工作效率，且操作不便。若一种型号的打捆机可实现成形直径不同的圆草捆，可解决这一问题。因此，需要创新设计出一种可变室打捆机，以此解决形成的圆草捆直径单一的问题。

3 问题分析

3.1 压捆室功能分析

在TRIZ中，功能分析能将抽象问题具体化。本研究依次通过组件分析、相互作用分析、功能建模3个步骤分别识别技术系统及其超系统组件，找出组件间相互作用关系，评估组件间执行功能。

3.1.1 组件分析

通过组件模型分析当前技术系统间的相互作用关系及其主要功能，找出当前系统的超系统、子系统及子子系统等，为下一步进行各组件间相互作用分析作铺垫。压捆室组件分析模型如表1所示，其当前技术系统为压捆室，主要功能是形成圆草捆。

3.1.2 相互作用分析

当两个组件相互作用时就会产生相互作用，相应地，也会产生某种功能。根据表1的内容，绘制压捆室的相互作用矩阵，如图1所示，通过对图1进一步分析，得出各组件间的功能属性，如表2所示。

表2 压捆室组件功能分析

3.1.3 系统功能建模

根据对圆捆打捆机的组件分析及相互作用分析，分析结果如表1、图1、表2所示。在上述基础上对压捆室进行功能建模，如图2所示，由功能模型图可看出钢辊和放捆机构压迫机架，会造成机架损伤；钢辊对轴承产生过度挤压，且形成草芯时存在不足。

图2 压捆室组件功能模型图

3.2 压捆室因果轴分析

TRIZ中因果轴分析是通过寻找问题产生的原因，找出整个原因链，分析初始缺陷和底层缺陷之间的逻辑关系，进而找到解决问题的突破口。通过对压捆室功能进行分析，进一步采用因果轴分析问题产生的原因，如图3所示。

图3 压捆室的因果轴分析

通过压捆室功能分析和因果轴分析，得出压捆室直径不可变的两个问题：问题1，钢辊自身体积过大使得重量增加，导致其不易移动；问题2，安装钢辊的位置度不足和钢辊不可移动，导致形成的圆草捆直径不可变。

4 问题解决

4.1 技术矛盾分析

问题1：钢辊自身体积过大使得重量增加，导致其不易移动。

现有的钢辊设计为空心式，但钢辊强度存在不足，且圆形表面钢辊卷捆效率较低。解决方法：建立矛盾矩阵表，找出恶化参数和改善参数，如表3所示，具体解决方案描述如下。

表3 技术矛盾矩阵

分割原理1（a.将物体分成独立的部分；b.使物体成为可拆卸的；c.增加物体的分割程度）：将钢辊分为几个空心部分，加装内轴连接。

改变特征原理35（这里包括的不仅是简单的过渡，例如从固态过渡到液态，还有向“假态”和中间状态的过渡，例如采用弹性固体）：将钢辊由圆形改为方形空心状。

廉价品替代原理27（用一组廉价物体代替一个昂贵物体，放弃某些品质如持久性）：用塑料制辊子代替钢辊。

复合材料原理40（由同种材料转为混合材料）：用铝合金代替钢加工制作辊子。

由上述发明原理，可提出方案1：使用比钢密度更小的材料加工制作辊子；方案2：将钢辊由一体化改成内外嵌合式，并在钢辊中间添加辐板。

4.2 物-场模型分析

问题2：形成的圆草捆直径不可变。

解决方法：利用物-场模型解决，通过引入其他场代替现有的场或直接引入一个场以达到最终目标。由于钢辊式圆捆打捆机的钢辊是不可移动的，故导致打捆机形成圆草捆的压捆室大小不可变。通过物-场模型引入液压场，加装液压推杆，将液压推杆与钢辊末端固定连接。通过液压马达控制液压推杆的行程，进而控制钢辊移动改变压捆室大小，物-场模型如图4所示。

图4 压捆室物-场模型

通过在压捆室上加装液压推杆得到方案3、方案4和方案5。其中，方案3是在压捆室四周加装液压推杆，将其与钢辊末端配合控制钢辊移动，压捆室为一体化；方案4是在压捆室侧面加装液压推杆，由此控制钢辊移动进而控制压捆室直径，压捆室由前压捆室和后压捆室组成；方案5是在钢辊内部添加液压推杆控制钢辊直径，来改变压捆室大小。

5 方案评价与实施

5.1 方案评价

方案1和方案2对辊子结构实现了优化，方案1改变了制作辊子的材料，在降低密度的同时减轻重量，但强度问题仍未解决；方案2将辊子设计为内外嵌合的一体式，减轻辊子重量，减小对机架的压力，在内外辊子间添加辐板可保证辊子强度。

方案3~5针对打捆机变直径问题提出了不同的解决方案。方案3在压捆室四周添加变直径装置虽然可以改变压捆室直径，但精确性不足，安装不便，成本较高；方案4在压捆室侧面安装液压推杆，相较于方案3安装控制方便，精确性高；方案5在辊子内部添加变直径装置，理论上可改变压捆室直径，但各个辊子间距离过大，形成草芯较为困难。

5.2 方案实施

通过上述的问题分析、问题解决和方案评价得出压捆室最终设计方案由方案2和方案4组成。最终设计的压捆室三维图如图5所示，创新设计了可变直径压捆室。当圆草捆直径与压捆室最小直径相等时，液压推杆控制钢辊移动，使压捆室逐渐增大继续形成圆草捆，草捆达到预设密度后草捆卸载装置卸载草捆，完成一次成捆作业。

图5 可变室压捆室结构图

6 结论

针对圆捆打捆机压捆室直径不可变的问题，课题组利用TRIZ理论对压捆室进行创新设计。阐述了目前圆捆打捆机存在的问题，运用TRIZ分析工具得出圆捆机压捆室直径不可变的原因，通过TRIZ求解工具得到相应的解决方案，最终通过方案评价得出由方案2和方案4组合形成的可变室压捆室。

课题组创新设计的可变室压捆室相对于传统的压捆室，可形成不同直径的圆草捆，提高了圆捆打捆机的工作效率，为之后研究可变室圆捆打捆机提供思路。