1、基于 TRIZ 理论的气吸式排种器创新设计 李芮 衣淑娟 赵斌 李衣菲 武志 黑龙江八一农垦大学工程学院 黑龙江八一农垦大学信息技术学院 黑龙江北大荒农机有限公司 摘 要： 针对目前精量播种方面存在地轮链传动系统不稳定、播种株距调节方式繁琐、作业速度偏低, 以及排种器工作稳定性差等问题, 应用 TRIZ 理论对精量播种的关键部件排种器进行创新设计研究。运用 TRIZ 理论将现有排种器存在的问题转化为矛盾矩阵, 并结合 40 种发明原理对排种器进行创新设计, 设计出一种结构合理、传动方便的排种器机构, 并进行了三维建模、装配、运动仿真和关键部件的有限元分析。关键词： 排种器; TRIZ; 技术矛
2、盾; 创新设计; 作者简介：李芮 (1992-) , 女, 河北邯郸人, 硕士研究生, (E-mail) 。作者简介：衣淑娟 (1965-) , 女, 山东栖霞人, 教授, 博士生导师, (E-mail) yishujuan_。收稿日期：2017-04-24基金：“十二五”国家科技支撑计划项目 (2014BAD06B04) Innovative Design of Air-suction Seed Metering Device Based on TRIZ TheoryLi Rui Yi Shujuan Zhao Bin Li Yifei Wu Zhi College of Engineeri
3、ng, Heilongjiang Bayi Agricultural University; College of Information and Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University; Heilongjiang Beidahuang Agricultural Machinery Co., Ltd; Abstract： Aiming at the precise sowing wheel chain drive system exist complicated and unstable problems, and the s
4、eeding planting distance adjustment modes operation speed is slow, poor stablilty of metering device work problems exist.We applicate TRIZ theory of key components precise seeding metering device for innovative design research. Using TRIZ theory to the existing problems of metering device into confl
5、ict matrix, and combining the principle of 40 kinds of inventions to innovative design of metering device, we have designed a reasonable structure, transmission convenient metering device structure, and have carried on the three-dimensional modeling, assembly, motion simulation and finite element an
6、alysis of key components.Keyword： seed metering device; TRIZ; technology contradiction; creative design; Received： 2017-04-240 引言随着“中国制造 2025”观念的提出, 以及农业机械的高速发展, 传统农业机械已经不能适应现代化农业机械“高速化、精准化、自动化、高效化”的发展方向1。播种是农业生产过程中至关重要的环节, 播种质量取决于精密播种机的关键部件即排种器2。目前, 精量播种存在排种器工作阻力大、风机体积过于庞大、地轮链传动系统不稳定、播种株距调节方式繁琐、作业速
7、度偏低, 以及排种器工作稳定性差等问题。为解决上述问题, 提高机械化作业水平, 基于TRIZ 理论针对排种器结构进行创新设计, 结合 TRIZ 理论中的 40 个发明原理和48 个工程参数, 设计了一种操作方便、传动方式简单且播种合格指数高的排种结构, 并建立了相应的 UG 三维实体模型及样机, 验证了方案的可行性。1 TRIZ 理论1.1 TRIZ 理论概述1946 年, 阿奇舒勒 (G.S.Altshuller) 创立了 TRIZ 理论, 因此 Altshuller 被尊称为 TRIZ 之父。在以后的数十年中, 阿奇舒勒和他的 TRIZ 研究团队分析了世界上近 250 万份高水平的发明专利
8、, 总结归纳出技术发展进化的发展规律, 还有解决各种矛盾相应的创新原理和法则, 并综合各个学科领域的特点, 建立了 TRIZ 理论体系3-6。在解决问题的过程中, 需要明确要改善的工程参数, 然而改善某一工程参数就会带来其他工程参数的恶化, 从而产生了两个工程参数之间的矛盾。阿奇舒勒矛盾矩阵表及 40 条发明原理就是为了解决这样的矛盾而提出的。阿奇舒勒矛盾矩阵表将每一个矛盾冲突的关系用矩阵的形式表示, 且有相对应解决矛盾的发明原理, 其解决问题的一般流程如图 1 所示。图 1 TRIZ 解决问题的一般流程 Fig.1 TRIZ solve the general process of the
9、problem 下载原图1.2 TRIZ 理论的应用1989 年, 国际 TRIZ 协会在彼得罗扎沃茨克建立, 阿奇舒勒担任首届主席。随着苏联解体, 西方系统地传入了 TRIZ 理论, 在美国、欧洲、日本、韩国等世界各地展开了广泛的研究与应用。至此, TRIZ 理论走向世界, 有关 TRIZ 的研究咨询机构也相继成立。20 世纪 80 年代中期, 我国个别科研人员已经了解到了 TRIZ 理论;在 1997 年前后, 我国少数学者在参与国际会议时再次接触了 TRIZ, 并自发予以研究, 在某些专业开设了 TRIZ 选修课7。目前, 很多高校都开设了 TRIZ 理论及其方法系列课程。如今 TRIZ
10、 理论已在全世界展开了广泛应用, 创造出成千上万项重大发明。经过半个多世纪的发展, TRIZ 理论及其方法现已发展成为一套解决在产品开发过程中存在的实际问题的成熟理论和方法体系, 并经过实践检验, 为众多知名企业和研发机构取得了重大的经济效益和社会效益, 如韩国的三星、美国的福特和波音、中国的中兴通讯、芬兰的诺基亚等 500 家多知名企业8-12, 不仅取得了重大的经济效益, 而且极大地提高了企业的自主研发创新能力。2 现有排种器分析国内外研发设计了不同播种原理精量播种机的排种装置, 主要分为机械式和气力式两大类13, 具体分类如图 2 所示。目前, 世界上气力式排种装置较机械式排种装置技术发
11、展良好, 成为精量播种技术的先进水平代表;但气力式排种装置也有其不足之处, 如风机过于庞大, 播种株距调节方式繁琐。图 2 排种器的分类 Fig.2Classification of seed metering device 下载原图现有的精量排种装置的传动系统结构都是地轮带动链轮、链条等传动的部件驱动排种器完成播种作业, 传动机构复杂, 工作可靠性差, 排种精度低, 且排种器的转速最多只有 7、8 个档可调, 所以无法实现在转速允许范围内的所有转速及任意值的株距。排种器上的株距调节变速箱如图 3 所示 (以指夹式排种器为例) 。3 基于 TRIZ 理论的排种器创新设计3.1 气吸式排种器的矛
12、盾根据现有排种器的不足, 利用 TRIZ 理论及其分析方法, 总结出以下 3 种矛盾。矛盾 1:排种器工作时, 种子室的种子及气吸式的吸力对排种盘的阻力很大, 以至于需要给排种转轴很大的动力。如果增大排种转轴的驱动力, 则造成能量消耗的增加。矛盾 2:气吸式排种器的气源来自风机, 风机的体积庞大, 如果改变风机的尺寸, 就会减小叶轮的尺寸, 则需要叶轮具有更大的转速, 使风机的功率消耗增加。矛盾 3:现有的精量排种器的传动系统都是地轮带动链条、链轮等传动部件驱动排种器完成播种作业, 传动机构复杂, 有时还会出现链条松掉的情况, 并且排种器的转速最多只有 7、8 个档可调, 无法实现在转速允许范
13、围内的所有转速, 无法实现任意值的株距。因此, 需要精简排种器的传动系统及提高自动化的程度。但是, 自动化程度的提高, 就很可能引起控制程度复杂性增加。图 3 排种器株距调节变速箱 Fig.3Metering spacing adjustment of gearbox 下载原图图 4 为 TRIZ 理论在气吸式排种器上的解题步骤。3.2 创新设计的矛盾解决原理创新发明设计的核心就是解决矛盾, 创新设计的过程就是不断解决产品中所存在的矛盾的过程14。气吸式排种器创新设计需要解决的矛盾属于技术矛盾, 技术矛盾对应的 48 个通用工程参数为 No.7 静止物体的体积、No.15 力、No.16能量消
14、耗、No.18 功率、No.43 自动化程度、No.45 装置的复杂性、No.46 控制的复杂性。阿奇舒勒将各个工程参数之间的矛盾与发明原理之间建立了对应的关系, 整理成了一个 4848 的矩阵阿奇舒勒矛盾矩阵, 以便使用者在解决矛盾时查找。矛盾矩阵表将 48 个工程参数之间的矛盾和 40 个发明原理有机地联系起来, 将创新的规律性形象地表现出来15-16。本创新设计基于总结的 3 个技术矛盾, 对阿奇舒勒矛盾矩阵表的应用如表 1 所示, 相对应用的 40 个发明原理如表 2 所示。图 4 TRIZ 理论的解题步骤 Fig.4 Solution of TRIZ theory 下载原图表 1 阿
15、奇舒勒矛盾矩阵 Table 1 Archie Schuler contradiction matrix 下载原表 表 2 应用的发明原理 Table 2 Application of the principle of invention 下载原表 3.3 发明原理的应用根据阿奇舒勒矛盾矩阵表所确定应用的 5 条发明原理, 对气吸式排种器进行以解决传动系统复杂、播种精度偏低及自动化程度低为目的的创新设计分析。应用 No.3 局部质量原理, 使排种器排种盘外圆与一个驱动齿轮啮合, 径向传动方式极大地降低了驱动排种盘所需要的扭矩。排种盘既是排种工作的主要部件又是传递力的工作部件。应用 No.24 中
16、介物原理和 No.28 机械系统的替代原理, 利用驱动电机将拖拉机发动机输出的电能转换成驱动排种器所需要的机械能, 使用电机作为中介物传递能量, 用电场代替了机械场。用吸尘风机代替传统的机械风机, 尺寸显著缩小, 且功率不及之前的 50%, 吸力满足作业要求。应用 No.35 参数变化原理, 用直流减速电机代替复杂的链传动系统, 直接根据要求, 在排种器控制面板上进行设置, 使电机调节转速, 自动调整排种器的转速, 实现无级调速, 方便快捷, 达到改变播种株距的目的。应用 No.10 预操作原理, 增加了编码器测速装置, 实时测量机车的前进速度, 然后传递给驱动电机以校正排种的速度, 提高播种
17、的合格率。同时, 还增加了种子重播、漏播监控, 通过报警提醒使用者。4 排种器三维模型设计及分析4.1 排种器三维模型设计根据 TRIZ 理论的分析结果, 对排种器的结构进行了创新设计, 改进后的排种器三维模型如图 5 所示。图 5 创新后的排种器 Fig.5After the innovation of seed metering device 下载原图1.气吸风机 2.波纹管 3.驱动电机 4.测速编码器 5.导种管 6.排种器 7.种箱创新后的排种器主要由排种器壳体、齿形排种盘、排种器转轴、直流减速电机、驱动齿轮及排种控制系统等组成, 其左侧为储种室, 右侧为真空室。排种器工作时, 风机
18、内的双叶轮高速旋转产生的吸力通过吸风管传递到排种器一侧的真空室, 使真空室产生负的压强, 齿形排种盘的两侧就会产生压力差, 在减速电机的驱动下, 齿形排种盘根据之前的株距要求设定稳定转动;当齿形排种盘上的吸种孔转到吸种区时, 储种室内的种子依靠压力差产生的吸力被吸附在齿形排种盘的吸种孔上;排种器壳体上有清种刷, 会将多余的种子刷掉;投种区与大气相通, 没有压力差, 种子便会自由下落, 顺着导种管滑落到种沟内;导种管内侧中部装有重播、漏播检测装置, 通过报警提醒使用者17。4.2 仿真及有限元分析利用三维建模软件 UG 对创新的气吸式排种器进行零部件的建模、自底向上装配和运动仿真。结果表明:排种
19、器结构设计合理, 各零件之间没有干涉现象, 运动平稳, 未出现运动失真的情况。对排种器的主要部件排种盘进行了有限元分析18, 如图 6 所示。分析结果表明:排种盘的最大应力远远小于材料的许用应力, 满足强度和刚度的要求。图 6 最大应力图 Fig.6 The biggest stress diagram 下载原图5 结论运用 TRIZ 理论对气吸式排种器进行创新设计, 以排种器实际情况为基础进行分析, 建立矛盾矩阵, 确定相对应的发明原理。根据阿奇舒勒对每一个发明原理, 对现有气吸式排种器所存在的问题进行分析, 得到了解决问题的方案, 并对设计的排种器进行了三维建模、装配、运动仿真和关键部件的
20、有限元分析。事实证明:TRIZ 理论不仅提高了创新的效率, 而且缩短了创新的周期, 加快了农业机械的创新设计。参考文献1高焕文, 李问盈, 李洪文.中国特色保护性耕作技术J.农业工程学报, 2003 (3) :1-4. 2许剑平, 谢宇峰, 徐涛.国内外播种机械的技术现状及发展趋势J.农机化研究, 2011, 33 (2) :234-237. 3张灿影, 刘德洪.基于 TRIZ 的开放式创新技术路线图研究J.情报杂志, 2012 (9) :68-72. 4胡家秀, 陈峰.机械创新设计概论M.北京:机械工业出版社, 2005. 5刘训涛, 曹贺, 陈国晶.TRIZ 理论及应用M.北京:北京大学出
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