基于TRIZ理论的微耕机设计研究

摘 要：我国西南地区受丘陵山区地形制约，本地农业机械化水平低，引进的农机装备及技术大多存在“水土不服”问题，无法适应本地的作业需求，导致针对本地种植需求的农机产品的缺失。本文聚焦我国西南地区农民的机械化作业需求，基于TRIZ创新设计理论，结合人机工程学、仿生学等多学科理论，研究设计基于TRIZ理论的微耕机，为适合丘陵山区的微耕机设计提供可行方向。

关键词：TRIZ理论；微耕机；仿生学

一、背景及意义

微耕机指以小型柴油机或汽油机为动力、功率不大于7.5千瓦的微型耕耘机械。微耕机具有轻便灵活，易于推广普及，适用于地形崎岖、地块分散土地的优点[1]。我国西南地区为丘陵山脉地区，地形崎岖，垂直气候差异较大。受丘陵山区制约，我国西南地区农机化薄弱环节和短板十分明显，表现为“三多三少”：小马力机具多，大马力机具少；低端机具较多，高品质机具较少；单一作业环节的机具较多，集成配套的农机装备较少[2]。设计符合丘陵地区实际环境的微耕机，能促进该地区的农业机械化，提高劳动效率，解决劳动力不足问题[3]。

二、TRIZ理论研究方法

现代TRIZ理论通过问题识别、问题解决、概念验证三个步骤解决工程系统问题[4]。本研究经过线下调研，得到初步调研方向，在问题识别阶段使用功能分析模型、因果链分析和裁剪三个工具，确定待解决的问题。在问题解决阶段将使用功能导向搜索、技术矛盾两个工具，提出相应的解决方案。最后，整合多个小的解决方案，提出最终的设计方案。

三、 问题识别与解决

（一） 问题描述

经过线下调研，走访云南省马龙市的微耕机销售网点、农机合作社采访了农业局、农机推广站、微耕机销售人员、拖拉机手等专业从业人员，经整理得到以下结论：

（1）维护。旋耕刀作业时易缠绕杂草、地膜等杂物，土壤结块也容易附着在旋耕刀头上。现有微耕机每次短期作业后都需要小型维护。长期累积，清理刀头、清理空滤会产生较大的时间成本，影响农民的劳动效率。（2）安全。由于产品结构设计不合理，微耕机常出现旋耕刀伤人、人被卷入旋耕刀、灰尘石块飞溅及由于挡位设计不合理，导致挂错挡位撞倒人等安全问题。（3）离合器。离合器以按压结合的方式传输动力，松开后动力切断。现有产品多为捏合式把手，长时间使用会导致手臂疲劳，降低劳动效率。很多农民将微耕机离合器手柄缠死，使得微耕机脱手在田间行走作业，在出现意外时无法及时停止，存在极大的安全隐患。现在市场上甚至有销售私自改装的自锁微耕机离合器手柄，自带锁死功能，是违反国家相关农机使用规定的产品。（4）挡板。挡板多使用冲压金属板制成，且固定方式多为螺栓固定，外露部分较长，固定点需要承受较大载荷，使用寿命较短，而且农民在挡板损坏后不愿意承担更换费用。挡板材质多为不透明材质，不利于农民观察作业情况，且挡板妨碍更换功能套件，因此有些用户直接拆除挡板使用。在出现意外情况时，无挡板的情况下，无法阻挡旋耕刀或者飞溅的泥土石块，造成安全事故。

（二） 功能分析

功能分析是对工程系统中的系统组件与超系统组件进行分析，并区分他们的特点和功能的分析工具[5]。对系统或超系统中的组件进行分析，分析它们在系统中执行的功能，找出有问题的组件（正常、不足、过量或者是有害），从而用于下一阶段进行深入分析。

基于现有微耕机结构图（图1）进行功能分析，建立系统功能模型图（图2）。

微耕机存在离合器手柄会使人手产生疲劳、旋耕刀易缠绕杂草、人被卷入旋耕刀、旋耕刀使灰尘石块飞溅、飞溅的石块损伤旋耕刀、不透明挡板阻碍用户观察作业情况等问题（表1）。

（三） 因果链分析

通过因果链分析，层层分析找到隐藏于问题背后的根本原因，从而全面彻底解决问题。对于微耕机维护成本高的问题，利用因果链分析得到因果链分析图（图3）。

通过因果链分析确定微耕机维护成本高的关键问题及相应的解决方案（表2）。

对于微耕机伤人的问题，利用因果链分析得到因果链分析图（图4）。

通过因果链分析确定微耕机伤人的关键问题及相应的解决方案（表3）。

（四） 裁剪

剪裁将系统中一个或者多个组件去除掉，但被去除的组件原有的功能可以用系统本身或者是引入超系统组件来替代，或者能将原本功能转移到其他组件的方法。

（1）裁剪倒挡。对于体量较小的微耕机，基于裁剪规则B，使用掉头代替倒挡（图5）。

（2）裁剪离合器手柄。基于裁剪规则C，引入超系统组件替代离合器手柄原有的功能，如引入双层扶手（图6）。在符合人机功效的前提下，同时解决了闭合器手柄长时间握持容易产生疲劳的问题。

（五） 功能导向搜索

功能导向搜索是类似于关键词搜索的搜索工具，在使用TRIZ理论寻找载体时，真正需要的是功能，而不是载体功能。导向搜索通过将关键词限定在我们需要搜索的领域，从而提高寻找解决方案的效率。使用功能导向搜索解决因果链分析中得到的关键问题，分析如下。

使用功能导向搜索解决工程系统中的关键问题1：

（1）旋耕刀工作时将人与旋耕刀阻隔开，在更换功能套件时挡板不会阻挡人的动作。（2）在航空航天中，为避免宇航员被宇宙射线辐射所伤，航天飞船配备辐射防护装备。在日常训练时防护措施呈收纳状态；在工作状态执行任务时，防护罩会展开覆盖住需要保护的部件和人员。（3）借鉴航空航天中防辐射保护罩的折叠收纳方式，考虑微耕机挡板在折叠状态时如何收纳、在展开时处于何种形态。

使用功能导向搜索解决工程系统中的关键问题2：

（1）如何让离合器手柄长时间握持不容易感到疲劳。（2）婴儿车把手具有自锁功能，在使用者松开后会锁死轮胎避免滑移。婴儿车把手为双层把手设计，可单双手握持。双层把手相结合时，制动器松开，婴儿车可以活动；当两层把手相分离时，制动器相结合，婴儿车自动锁死。（3）借鉴婴儿车把手所控制的制动器，对微耕机的离合器进行再设计，双层把手分开时离合器断开动力切断。

使用功能导向搜索解决工程系统中的关键问题3：

（1）将旋转的旋耕刀刀头和操作者分隔。（2）利用仿生学，参考甲虫的鞘翅结构在展开时能与内部的膜翅不相干涉，在收纳时能保护内部柔软的躯体。（3）将挡板设计为类似鞘翅的可活动结构。

（六） 技术矛盾

技术矛盾是在解决技术问题时为了达到某个目的需要改变某一个参数，但是随着该参数的改变会带来其他问题的情况。技术矛盾1：如果增加挡板的面积，那么提高挡板的防护性，但是微耕机的可维护性会降低。技术矛盾2：如果挡板不可移动，那么系统的复杂程度会降低，但是微耕机的维护性会变差。将技术矛盾中改善和恶化的参数转化为39个通用技术参数（表4）。查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到如下创新原理（表5）。从阿奇舒勒发明原理列表中确定发明原理，应用发明原理的提示确定最适合解决技术矛盾的具体解决方案（表6）。

四、仿生长颈象鼻虫的模块化微耕机设计

利用TRIZ方法得出多个解决方案，对方案进行整理和评价，综合成本、可靠性、可维护性、创新性等因素，提出仿生长颈象鼻虫的模块化微耕机设计，设计说明如下：

（1）产品整体造型仿生长颈象鼻虫的简洁有机形态。仿生甲虫鞘翅采用连贯有机曲面对发动机外壳进行造型设计。整体配色依旧延续农机产品的黑红配色同时也与仿生对象相呼应。

（2）可活动折叠挡板设计。折叠方式仿生象鼻虫鞘翅展开及折叠的形态和功能，同时借鉴空间站宇宙飞船太阳能板的折叠方式。在工作状态时，两片导轨产生向内压力，利用摩擦力将挡板相对位置进行固定，完全覆盖旋耕刀头以确保操作者安全。在更换套件时，张开较大的角度，不会阻挡操作者更换相应的功能套件。挡板通过平行四边形结构的槽口导轨以及手拧螺丝的固定效果，将横向距离较长的挡板缩小折叠，整体横向尺寸与行走轮的横向尺寸相同或更小，便于放置与运输。挡板能沿槽口活动，选择合适的防护尺寸，防止剐蹭乡间小道两侧的硬物，并且能够阻挡灰尘和飞溅的石块。

（3）离合器手柄设计借鉴婴儿车把手的双层设计，使用者将上层手柄与下层手柄相捏合，离合器接通动力传输。当出现意外或正常松开时，上层离合器手柄弹起，动力切断。在突发意外时具有更高的安全性和操控性。即使是老年人，也能轻松分辨离合器手柄，不需要繁杂的记忆。该设计同时借鉴了长途骑行的公路车蝴蝶手把，提供更多的握持方式。这样保证长时间握持的舒适性，解决因疲劳而引发的危险操作（如将离合器手柄缠死的情况）。在发生危险，离合器手柄不能停止或反应不及时情况下，可以按下急停按钮停止发动机。

（4）发动机保护罩仿生了长颈象鼻虫骨骼的曲面造型，将具有高温、高速旋转部件的发动机以及变速箱离合器等动力组件和使用者分隔开来，避免检查或不经意触碰到滚烫的内部器件，皮带等活动部件也得到保护。保护罩将发动机和具有噪声的排气管与使用者隔离，具有消音器的排气管让长期工作的使用者不必再忍受发动机的噪声。在维护时，将红色保护盖向上掀起，即可对内部构件进行维护保养以及检查。基于模块化设计理念，挡板与发动机保护罩整体分为两个部分，中间使用转轴固定，部件损坏后能够进行方便的更换。

（5）在收纳运输方面，扶手仿生长颈象鼻虫颈部的活动方式，可实现较大范围的无级调节。收纳时将扶手向前折叠，把手保持水平面不变，可折叠于发动机保护盖之上。前端保险杠可作为搬运的后端扶手，方便提取。以农村使用率最高的五菱宏光为例，整体尺寸能在后座放倒后装入货舱，也能装入农用车货斗。

（6）简化倒挡功能。为保证安全性，将倒挡裁剪掉，既提高系统的简洁性，又避免挂错倒挡将人撞倒卷入旋耕刀的安全事故。考虑到在实际使用中倒挡的使用频率较低，以及微耕机体量较小，使用微耕机掉头以及折叠挡板缩小整体尺寸以减少转弯半径。

（7）空气滤芯设计。将空气滤芯的位置远离尘土较多的底部，调整在扶手中，使用软管与发动机相连接，既远离了旋耕刀工作区域造成的扬尘，又在扬尘到达使用者之前将少部分扬尘吸收过滤，减少灰尘对操作者的影响。这样既降低了发动机因为空气含沙而拉缸的概率，延长其使用寿命，也提高了用户的使用体验。

五、总结

本研究基于TRIZ创新设计理论并结合仿生学设计理论，设计出适合个体农户且适用于山区小田块作业的微耕机产品。该产品具有更优的安全性、使用效率、维护效率等特点。

参考文献

[1] 王飙. 微耕机机架振动特性仿真及试验研究[D]. 重庆：西南大学， 2014.

[2] 刘旭. 构建科学标准推动农机化事业长足发展[J]. 农机质量与监督， 2018， 158（2）： 8-10.

[3] 王志成. 我国微耕机现状及发展趋势[J]. 农机市场， 2015， 323（4）： 29-30.

[4] 蒋欢. 小型多功能微耕机发展研究[J]. 农业科技与装备， 2016， 260（02）： 54-55.

[5] 赵炬锋. 基于TRIZ的草捆干燥装置的设计与优化[D].呼和浩特：内蒙古工业大学， 2018.

责编 / 马铭阳