基于TRIZ理论的沙柳植苗机创新设计

彭文凯，孙亮波，刘正成，陈越，秦鸿程，刘婷婷

基于TRIZ理论的沙柳植苗机创新设计

彭文凯，孙亮波*，刘正成，陈越，秦鸿程，刘婷婷

（武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048）

针对现有沙漠植苗设备功能相对单一、易受环境限制、全流程机械化程度不高等问题，基于TRIZ矛盾冲突理论和物－场模型分析，创新设计了一款沙柳植苗机。根据冲突解决原理分析，解决系统中矛盾冲突，对分苗模块进行创新设计，并研究让位钻孔和插苗过程的“物－场模型”，确定了集电机横向让位、纵向钻孔和磁吸变位的具体设计方式，使沙柳植苗机实现全流程机械化、效率与成本兼顾。该沙柳植苗机整体结构紧凑小巧、功能全面、可适应性强、机械化程度较高，具有有很好的市场推广价值。

TRIZ；沙柳植苗机；矛盾矩阵；物－场模型

近年来，随着国家对防沙治沙的投入持续加大，生态文明建设不断深入，对荒漠化治理科技创新提出更高的要求，传统的沙漠治理向机械化、智能化、集成化方向发展[1]。目前固沙造林环节的机械化水平还很低，因近年来劳动力成本的不断提高，在无形之中增加了防风治沙的成本，造成单位资金投入的可治理面积在不断减少。机械化固沙不仅能保证良好的治沙效果，还能提高防治效率，加速荒漠化治理的进程。因此，着力提高固沙造林的机械化水平成为当下防沙治沙的迫切需要[2-6]。

沙柳生长迅速，枝叶茂密，根系繁大，涵养沙地水分，固沙保土力强。沙柳作为北方防风沙的主力，是“三北防护林”的首选之一，是中国沙荒地区造林面积最大的树种之一。同时沙柳可造纸、可做牲畜饲料，利用价值高。沙柳具有优良的燃烧性能，可发展成每三至六年砍一次的绿色沙煤田。因此，沙柳种植前景非常好，其引发的沙产业成为如今新一轮的经济增长点。固沙苗木的种植是防风固沙过程的重要组成部分，沙柳植苗机是进行固沙植物沙柳分苗和种植的重要设备。

目前现有的沙漠植苗方式主要有常压水枪种植、螺旋钻孔种植、沙漠植树机器人，如图1所示，存在功能相对单一、易受到环境限制、全流程机械化程度不高等问题。针对目前防风治沙机械化存在的问题，徐先英等[7]通过省去开坑工序，解决流沙地灌木栽植过程中苗木窝根严重的问题；魏林源等[8]发明的沙地植物扦插栽植装置，让使用者更加省力地进行操作，同时延长钻头的使用寿命；上述两种研究一定程度上提高了机械化程度，但并未解决全环节的机械化工作。刘晋浩等[9]发明的多功能立体固沙车，能实现全流程的固沙工作，但体积大，难以适应复杂多变的沙漠微地形，昂贵的价格也限制其推广应用。

图1 现有沙漠植苗方式

针对以上问题，为提高林业机械化水平，以沙柳植苗机为主要研究对象，以TRIZ理论中的矛盾分析法和物质－场分析法为基础，对沙柳植苗机进行创新设计，增加机器的功能多样性、提高机器的效率与实用性，使防风固沙过程更加高效快速。

1 TRIZ理论

TRIZ理论是由根里奇·阿奇舒勒（Genrich S. Altshuller）和他的研究团队通过分析大量专利和创新案例于1946年开始创立。TRIZ的主要内容包括：冲突矩阵、ARIZ（发明问题解决算法）、技术系统演变的8个模式、40条发明原理、39个技术参数、76个发明性问题的标准解决方案和工程知识库等。TRIZ问题求解的一般模式，如图2所示[10-12]。根据所需要解决的问题的特点，选择合适的TRIZ理论进行分析。常用的分析工具包括冲突矩阵和物质－场分析模型等[13-14]。

图2 TRIZ问题求解模式

2 依据TRIZ理论的方案设计

2.1 分苗模块设计

沙柳在种植过程中，为保证沙柳苗的存活率，需要同时将两根苗木一起插入钻好的孔洞中。由于苗木在分苗箱中堆积，在分苗工作中，需要保证一次分取两根苗木，采用单次抓取一根苗木或正向拨轮等方法，会导致分苗速率降低，同时无法保证分苗的准确性。为解决这一矛盾，采用TRIZ矛盾冲突理论，改善的是分苗数目的准确性，恶化的是能量损失。将改善因素和恶化因素转变成TRIZ矛盾矩阵中的通用参数，得到改善参数为适应性、通用性，恶化参数为能量损失。查询TRIZ矛盾矩阵，得到三种发明原理：18（机械振动）、15（动态特性）、1（分割）。通过分析三种发明原理，选取发明原理15（动态特性），根据原理说明“使不动的物体可动或可适应”得到解决方案为：利用拨苗轮在拨苗轮驱动机构的作用下相对于苗木重力落下方向逆向转动，利用拨苗轮的转动即可将分苗箱中的待植苗木分为单列，推出后通过出苗口依次输出，无需人工作业参与分苗，可快速高效的完成分苗工作。

2.2 让位钻孔模块设计

沙柳植苗机底部设有一个钻头口，由钻孔装置控制钻头进行苗木种植孔的钻孔作业。传统钻孔装置需要用丝杆带动钻头电机移动，但丝杆驱动的钻头电机只能进行单方向移动，由于种植苗木长度在1.20 m左右，为使得苗木能够竖直插入苗木种植孔，需要在插苗时使钻头避开苗木种植孔正上方区域，如果采用传统的单方向避让，会导致丝杆所需长度超过2.4 m，且需为丝杆等驱动结构留足大量无遮挡空间，会浪费额外空间，促使沙柳植苗机整体体积扩大。依据TRIZ物－场模型分析方法，建立钻头让位的物－场模型，如图3（a）所示，该物－场模型为非有效完整模型。

根据物－场模型分析的76种标准解，分析选择第二类标准解中的“2.2.4使系统更具柔性和适应性”来改善该物场模型。将丝杠对钻头电机的移动机械控制改为S5“让位钻孔机构”及F4“力场”控制，使钻头电机有更好的避让位置、占用更少的空间，如图3（b）所示，该物场模型为有效完整模型。

图3 让位钻孔模块物－场分析模型

2.3 插苗模块设计

插苗作业过程中，插苗模块需要与钻孔模块进行相互的避让，保证钻孔和插苗的落点在空间处于同位置。由于让位钻孔模块的驱动部分在空间上占用一定空间，插苗模块将分苗结构分出的沙柳苗由水平转为竖直后，并不能直接使其位于所钻孔洞正上方。依据TRIZ物－场模型分析方法，建立沙柳苗在插苗模块转移的物－场模型，如图4（a）所示，该物－场模型为不完整模型。

根据物场模型分析的76种标准解，分析选择第一类标准解中的“1.1.1补全不完整物场”，在沙柳苗与种植孔之间增加S8“磁吸变位结构”作为连接，使沙柳苗能顺利地移动到种植孔正上方，随后落入种植孔中。如图4（b）所示，该物场模型为有效完整模型。

图4 插苗模块物场分析模型

3 沙柳植苗机具体方案设计

3.1 分苗模块的设计

分苗模块实现从苗箱中一个周期运动分出两根沙柳苗的功能。分苗模块主要由电机、传动轴、同步带轮、同步带、导轨滑块等组成，如图5所示。

具体功能实现描述如下：苗箱中的苗在重力作用下向下滚动至第一通道板和第二通道板形成的竖直方向的落苗通道中，该通道仅能存储单列沙柳苗，苗继续下落至落苗板上时，苗箱底部推动钣金会向前推动单根苗沿落苗板滚落至下一模块。电机通过与其连接的联轴器带动第一传动轴同步转动，使轴上拨苗轮转动，防止苗在进入落苗通道时卡死。同时，同步带轮与第一传动轴同步转动，同步带轮3、8、14、20及同步带4、21组成一组二级减速装置，最终动力由同步带轮8经二级减速传递至第三传动轴，第三传动轴另一端与曲柄同步转动，曲柄、连杆、滑块模组共同组成曲柄滑块机构，曲柄滑块机构将曲柄的旋转运动转化成滑块模组的水平往复运动，推动钣金固接在滑块模组上，推动钣金做水平往复运动，两次向前推动单根沙柳苗为一个周期，从而实现将两根苗推至下一模块的功能。

传动系统为二级减速带轮传动，第一阶段带轮减速的传动比为1＝2:1，第二阶段带轮传动比为2＝3:1，则总传动比为总＝1×2＝6。

3.2 让位钻孔模块的设计

让位钻孔模块由钻杆、钻杆旋转驱动机构和钻杆让位升降驱动机构组成，如图6所示。

1.丝杆滑台电机；2.丝杆；3.丝杆滑块；4.承轨钣金；5.滑轨；6.滑块；7.电机变位钣金；8.限位滚动轮；9.变位导轨；10.钻头电机；11.钻头。

钻杆的让位由钻杆让位升降驱动机构实现，钻杆旋转驱动机构安装在滑动安装座上。丝杆滑台电机转动带动丝杆转动，从而驱动丝杆滑块向下运动，丝杆滑块与承轨钣金固定连接同步运动。电机变位钣金通过限位滚动轮与变位导轨连接，丝杆滑台通过滑轨、滑块对电机变位钣金产生向下方向作用力，同时由于限位滚动轮（图7）与变位导轨的作用，使得对电机变位钣金产生横向作用力，从而驱使滑块、电机变位钣金、限位滚动轮、钻头电机整体沿变位导轨进行变位。当限位滚动轮在变位导轨弧形轨道部分时，实现横向变位以及部分纵向变位，当限位滚动轮在变位导轨的直型轨道部分时实现纵向变位，即实现钻孔所需的竖直向下作用力。限位滚动轮运行至变位导轨的直型轨道部分时，钻头电机驱动钻头转动，同时钻头由承轨钣金和钻头电机带动沿竖直方向运动，实现钻孔功能。钻孔结束后，电机转动带动丝杆转动，从而驱动丝杆滑块向上运动，从而实现钻孔模块回到初始位置。

1.销轴；2.销轴座盖；3.销轴座；4.固定滚动轮；5.摆动滚动轮。

由于钻孔模块采用倒L型变位导轨进行变位，相比于传统钻孔装置丝杆竖直方向上进行让位，有效地缩短了丝杆运行长度以及缩小空间占用率。

根据对沙柳苗尺寸的调查，大部分种植的沙柳苗长度在1000～1300 mm范围内，直径在15～35 mm范围内，为保证存活率，需要将两根沙柳苗插入同一种植孔。

设计让位钻孔模块尺寸为：底盘距地面高度＝200 mm，沙柳苗长度1＝1200 mm、直径1＝30 mm，所需钻孔深度＝1000 mm、直为2＝60～80 mm，故所用钻头的长度2＝1200 mm、直径3＝70 mm。倒L型变位导轨竖直部分长度＝1300 mm，弯曲部分为椭圆轨道的1/4，其长轴＝700 mm、短轴＝200 mm。

传统竖直方向进行让位时，为避免插苗机构竖直插入与钻头干涉，预留＝100 mm的间隔，求得所需丝杆长度为：

而采用倒L型变位导轨，丝杆所需长度为：

则可计算相对于倒L型变位导轨设计钻孔模块的减小高度以及对沙柳植苗机整体体积的缩小率，为：

3.3 插苗模块的设计

插苗模块由落苗机构、接苗架驱动机构、磁吸变位机构组成，其中接苗架驱动机构包括接苗架、接苗架转动机构和接苗架平动机构，如图8所示。

1.电动推杆支架；2.接苗底板；3.接苗架；4.沙柳苗；5.电磁铁一；6.电磁铁吸片；7.落苗架；8.电磁铁三；9.落苗板；10.字母螺栓；11.丝杠滑台模组；12.电磁铁二；16.电动推杆.

当沙柳苗从分苗模块出来时，沙柳苗会先落到接苗架上。当接苗架上由分苗模块分出两根沙柳苗后插苗模块开始工作。通过接苗底板上通电的电磁铁一，接苗架固定在接苗底板上。进行插苗作业时，电动推杆推动接苗底板由水平状态变位直立状态，接苗架随之一起到达直立状态。同时，接苗架末端的电磁铁吸片与落苗架上的电磁铁二吸住。之后，落苗架上的电磁铁二通电，接苗架被吸住。再之后，接苗底板上的电磁铁失电。由此完成接苗架与接苗架底板的脱离，与落苗架的对接，此时接苗底板一直保持直立状态。之后，落苗架底部的丝杠滑台模组驱动落苗架向前移动，到插苗位置后停止。接着，落苗架末端的电磁铁三失电松开，落苗架底部的落苗板分开，沙柳苗落下。沙柳苗落下后，电磁铁三得电，落苗板闭合。丝杠滑台模组驱动落苗架向后移动，当接苗架与接苗底板的电磁铁一接触之后，电磁铁一通电，接苗底板与接苗架衔接，再之后，落苗架上的电磁铁二失电断开。最后，电动推杆带动夹苗底板由直立状态回到水平状态，为下一次的接苗作业做准备。

4 总体方案设计

依据上述设计方案，利用SolidWorks建立沙柳植苗机的三维模型如图9所示，利用模型试验设计方法，依据初步设计制成小尺寸样机，经实验对各方面特性进行检验，根据实验结果进一步完善设计，最终各方面均达到预期效果。沙柳植苗机三维模型实物图，如图10所示。

沙柳植苗机通过分苗模块、让位钻孔模块和插苗模块实现机械化连续植苗作业。分苗作业时，只需将待植苗木预先放置在分苗箱中，启动拨苗轮驱动机构，即可将分苗箱中的待植苗木通过出苗口依次水平输出至插苗模块，无需人工作业参与分苗，可快速高效的完成分苗工作；钻孔作业时，通过让位钻孔模块实现钻头的横向让位和纵向钻孔，将旋转运动和升降运动的叠加，有效的缩小整机空间，同时方便快速地完成钻孔作业；插苗作业时，插苗模块将水平苗木转为竖直并移动至种植孔正上方，之后进行落苗，从而完成插苗作业。

图9 沙柳植苗机三维模型渲染图

图10 沙柳植苗机三维模型实物图

5 结论

以TRIZ理论为基础，研究了沙柳植苗机机的功能模式并对其进行创新设计：

（1）利用矛盾冲突矩阵，分析现有沙柳植苗机分苗模块中所存在的问题，并利用发明原理解决主要矛盾，对机器进行创新设计；

（2）采用物－场分析模型进行设计方案具体化，对让位钻孔模块、插苗模块进行详细分析，解决了沙柳植苗机在植苗过程中钻头的让位和沙柳苗种植的问题；

（3）创新设计一款整体结构紧凑小巧、功能全面、可适应性强、机械化程度较高的沙柳植苗机，具有很好的实用价值和市场推广价值。

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A TRIZ Based Innovative Design of Salix Seedling Planter

PENG Wenkai，SUN Liangbo，LIU Zhengcheng，CHEN Yue，QIN Hongcheng，LIU Tingting

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

Aiming at solving the problems of the existing desert seedling planter, such as relatively simple function, vulnerable to environmental constraints, and low mechanization of the whole process, a Salix seedling planter was innovatively designed based on TRIZ conflict theory and matter-field model analysis. According to the analysis of conflict resolution principle, the conflict in the system was solved, the seedling separation module was innovatively designed, and the matter-field model of abdicating drilling and seedling transplanting process was studied. The specific design mode of motor horizontal abdicating, vertical drilling and magnetic displacement was determined, which made the Salix seedling planter realize mechanization of the whole process and the powerful function considering both efficiency and cost. The Salix seedling planter has the advantages of compact structure, comprehensive functions, high degree of mechanization and strong expansibility. It shows good market value of the planter.

TRIZ；salix seedling planter；contradiction matrix；matter-field model；innovative design

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.008

1006-0316 (2022) 10-0051-07

2022-02-23

国家自然科学基金（51875418）

彭文凯（2001－），男，湖北天门人，主要研究方向为机械设计制造及其自动化，E-mail：482917590@qq.com。

孙亮波（1979－），男，湖北天门人，博士，教授，主要研究方向为机械设计及理论、机械创新设计、机构学，E-mail：4117449@qq.com。