基于TRIZ的肥料供给系统优化设计

吕俊　宁德奎

（云南新天力机械制造股份有限公司，云南　安宁　650300）

基于TRIZ的肥料供给系统优化设计

吕俊宁德奎

（云南新天力机械制造股份有限公司，云南安宁650300）

针对实际农业生产中甘蔗种植机施肥不均匀的问题，基于优化设计和TRIZ理论对其肥料供给系统进行分析，构建了基于TRIZ的产品设计过程模型，并将其中的技术矛盾模型、物理矛盾模型及物-场模型等工具应用到设计中，对其肥料供给系统中的部分结构进行了优化和改进。从理论上得到了可行的方案，且改进后的装置取得了令人满意的效果。

TRIZ；肥料供给系统；平衡；干燥；均匀性

世界甘蔗生产面积大约在0.2亿hm2，种植面积最大的国家是巴西，中国位居第三，种植蔗面积160多万hm2，主要集中在广西、云南、广东、海南等省区［1］。我国蔗区生产条件差异很大，地形复杂、地块面积小、立地条件差，经营方式多样。因此，应根据不同的自然条件和经营方式，采用不同的机械化生产模式和技术路线［2］。种植作业是甘蔗生产过程中劳动强度最大也是最重要的环节之一，种植作业质量直接影响了新植和宿根蔗的产量［3］。

肥料供给系统作为甘蔗种植机上的一个重要组成部分，由于不利的生产环境会对肥料施放的均匀性造成严重影响，如何提高肥料供给系统施肥均匀性，使其稳定可靠的运行，是目前待解决的重要问题。

1　运用TRIZ理论简述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）的核心是消除矛盾及技术系统进化的原理，并建立基于知识消除矛盾的逻辑化方法，用系统化的解题流程来解决特殊问题或矛盾，图1给出了TRIZ的理论体系。

图1　TRIZ的理论体系

TRIZ大大超过了以往那些激发创造力的传统的创新方法，其有助于解决以技术矛盾和物理矛盾为特征的复杂的发明问题。通过一系列系统化解决问题的流程，帮助研发人员得到最有效的解决方案。图2给出了TRIZ的解题流程。倾斜成为此肥料供给系统待解决的问题。因此，需要对现有的肥料供给系统进行优化设计，以实现自动、均匀地施肥。

图2　TRIZ的解题流程

图3　甘蔗种植机

针对具体的工程问题，TRIZ首先是分析问题，可以采用系统分析或者三轴分析的方法对问题进行分析；正确地分析了问题之后，可以采用下面几种方法：技术矛盾、物理矛盾、How to模型、物场模型等来解决问题，找到问题的备选方案［4］。

TRIZ理论广泛应用在机械产品创新设计上，其存在的物理矛盾、技术矛盾，使得设计过程成为一个具有创新性特征的问题解决过程，而创新设计从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题并解决问题的过程，TRIZ理论的强大作用正在于其为此提供了系统的理论和方法工具［5］。

2　肥料供给系统现状

2.1工程背景

该设备为甘蔗种植机肥料供给系统，由肥料箱、肥料箱底座、肥料导槽支板、肥料挡板、肥料圆盘、涡轮减速器和肥料导槽等部件组成（见图3和图4）。施肥基本原理是：肥料箱中的肥料落入肥料圆盘，涡轮减速器带动肥料圆盘旋转，肥料挡板阻挡肥料使其堆积后流出到肥料导槽。

2.2问题描述

该设备应用涡轮减速器，通过流量调节能调整施肥量，实现自动施肥。但是，受外界环境影响，会造成甘蔗种植机倾斜、肥料结块等问题，导致肥料施放不均匀，影响甘蔗正常生长。肥料受潮结块，侵蚀系统和肥料圆盘

图4　肥料供给系统示意图

3　肥料供给系统分析

3.1系统功能分析

为了分析问题及优化技术系统，人们总是希望深入了解并研究各组成要素之间的关系，描述技术系统是一个复杂的工程，特别是对于大型技术系统而言，建立系统模型对于定性、定量地分析问题至关重要［6］。

功能是从满足需求或效用的角度对技术系统的一种理解，产品总功能的实现依赖于技术系统组件之间的相互作用。组件模型是列出技术系统中包含的组件，包括超系统组件、系统组件和子系统组件。此系统的组件模型见表1。

表1　组件模型

图5　功能模型

图6　根本原因分析

以组件间相互作用关系为主要内容的功能模型，是技术系统总功能实现原理层面的结构化表达，这种表达可以反映出产品的功能实现原理，是一种原理解的表达形式。应用北京亿维讯公司的CAI软件（PRO/Innovator），逐一分析肥料供给系统各组件之间的作用关系，建立如图5所示的系统功能模型，其描述了系统各组件之间的功能关系。

3.2根本原因分析

为了找到导致现有问题的原因，基于刚刚建立的功能模型，进行了根本原因分析（见图6），从而得到了更多的解决问题的突破口。由图6可以看出，导致肥料施放不均的原因如下。

①潮湿的空气会增加肥料湿度，使肥料结块，而系统又没有破碎机构，因此对肥料均匀流出造成影响。解决方案1：在肥料箱内增加干燥层，减速空气对肥料的侵蚀。

②作业耕地不平，而系统没有平衡装置，导致施肥圆盘倾斜，高的一侧肥料流出慢，低的一侧肥料流出快。解决方案2：增加平衡装置使肥料圆盘能保持平衡，从而确保甘蔗种植机施肥均匀。

③肥料会腐蚀肥料导槽，不光滑的肥料导槽会对肥料的均匀流出造成影响。解决方案3：对肥料导槽进行表面喷漆处理，阻止肥料腐蚀。

4　应用解题工具体系求解

4.1采用技术矛盾、创新原理解决

根据根本原因分析中的因果链，定义出技术矛盾，并利用矛盾矩阵和创新原理解决。

针对问题“空气侵蚀肥料使其结块造成施肥不均”的技术矛盾分析：为解决空气侵蚀肥料使其结块造成施肥不均的问题，现有解决方案是肥料箱内部增加干燥装置，但会导致设备复杂程度及成本的增加。改善的通用工程参数为No.30“作用于物体的有害因素”，恶化的通用工程参数为No.36“系统的复杂性”。查询矛盾矩阵，推荐的发明原理为No.22“变害为利原理”。

运用变害为利原理得到解决方案4：超系统的动力系统中，发动机运行会产生热量，可以在肥料箱内设计散热片，散热片另一端连接发动机排气管，此散热片可以防止肥料受潮结块，同时还能为发动机散热，实现变害为利原理（见图7）。

图7　方案4变害为利原理

针对问题“肥料圆盘倾斜造成施肥不均”的技术矛盾分析：为解决肥料圆盘倾斜造成施肥不均的问题，现有解决方案是增加平衡装置，但会导致设备复杂程度及成本的增加。改善的通用工程参数为No.13“稳定性”，恶化的通用工程参数为No.36“系统的复杂性”。查询矛盾矩阵，推荐的发明原理为No.2“抽取原理”。

运用抽取原理得到解决方案5，将涡轮减速器和肥料圆盘从机架上抽取出来，采用重力自平衡悬挂连接方式，利用涡轮减速器和肥料圆盘的自重达到平衡，使有害作用源不对此区域作用（见图8）。

图8　方案5抽取原理

4.2采用物理矛盾、分类方法解决

Step1：定义物理矛盾

参数：肥料箱体积

要求1：大

要求2：小

Step2：如果想实现技术系统的理想状态，这个参数的不同要求应该在什么时间得以实现？

时间1：施肥时

时间2：不施肥时

Step3：以上两个时间段是否交叉？

否 应用时间分离

是 尝试其他分离方法

采用时间分离方法，可应用的创新原理：No.15动态特性原理，No.34抛弃或再生原理，No.10预先作用原理。方案6：应用No.15“动态特性原理”，在肥料箱上加一个可折叠的部分，施肥时可增加肥料箱体积（见图9）。

方案7：应用No.10“预先作用原理”中的‘预先安置物体，使其在最方便的位置开始发挥作用而不浪费运送时间’，在超系统甘蔗储存车上预先储存适量的肥料，可以方便快捷地补充肥料箱。

4.3采用物场模型分析方法解决

针对问题“空气侵蚀肥料使其结块造成施肥不均”进行物场分析可知，肥料圆盘为S2（工具），肥料为S1（作用对象），肥料圆盘对肥料的分散作用是F（机械场），构建物场模型如图10（a）所示。此物场模型可控性不足，应用2.2标准解“加强物场模型”，通过引入物质S3来增强肥料圆盘对肥料的分散作用如图10（b）所示。

方案8：在肥料圆盘上方增加一震动滤网，从肥料箱落下的肥料在此进行震动破碎、过滤。经此处理后的肥料能均匀地从肥料圆盘流出。

图9　方案6动态特性原理

图10　加强物场模型

针对问题“肥料会腐蚀肥料导槽”进行物场分析可知，肥料为S2（工具），肥料导槽为S1（作用对象），肥料对肥料导槽的腐蚀作用是F（化学场），构建物场模型如图11（a）所示。此物场模型完整，有害和有用作用同时存在，应用1.2标准解“物场模型的破坏”，通过引入物质S3来消除肥料对肥料导槽的腐蚀作用如图11（b）所示。方案9：肥料导槽使用表面镀镁（锌）材料，表面形成隔离层，阻止肥料腐蚀。

5　基于TRIZ的肥料供给系统优化设计方案

5.1选择最终解决方案

针对解决“提高肥料供给系统施肥均匀性”这一工程问题，分别应用TRIZ理论技术矛盾、物理矛盾和物场模型的分析方法进行分析，应用创新原理、分离方法和标准解等工具寻求解决方案，得到9种初步解决方案，如表2所示。

图11　物场模型的破坏

表2　初步解决方案汇总

通过技术系统进化法则对方案进行评价，并结合经济评价和社会评价，得出最终解决方案：由方案4、5、6、9组合，即在肥料箱内装散热片，肥料箱、肥料圆盘和肥料导槽材料表面镀镁（锌），肥料圆盘和涡轮减速器采用重力自平衡装置，肥料箱增加折叠箱。

5.2最终解决方案的应用情况

最终解决方案应用到试制产品中，测试结果表现性能良好，施肥均匀性得到提高。

6　结论

“自主创新，方法先行。创新方法是自主创新的根本之源。”创新方法决定创新效率。TRIZ理论是一种在前人创新成果和创新方法基础上的提升和集成，其成功地揭示了发明创新背后所遵循的内在规律和原理。其利用创新的规律，使创新走出了盲目的高成本的试错和灵光一现式的偶然。

通过对工程中的实际案例的分析和实施，应用TRIZ理论中的创新问题解决流程，从技术系统中的技术矛盾、物理矛盾、物场模型分析等几方面对案例进行分析，得到了解决方案，也进一步验证了TRIZ理论在技术创新中的可操作性和指导性。

实践证明，应用TRIZ理论可以大大地加快人们创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品，研究和应用TRIZ理论对我国机械产品的创新设计具有重要的理论和现实意义。

［1］吴亦鹏.甘蔗生产机械化，从种植起步［J］.农机市场，2013（3）：1.

［2］中华人民共和国农业部.农业部办公厅关于印发甘蔗生产机械化技术指导意见的通知农办机［2011］38号［EB/OL］.（2011-07-04）［2016-05-08］.http://www.moa.gov.cn/govpublic/ NYJXHGLS/201107/t20110722_2067175.htm.

［3］侯露，邹展曦，何胜创，等.甘蔗种植机切种控制系统设计［J］.甘蔗糖业，2015（3）：1.

［4］史晓凌，许东双，范岩峰.TRIZ简明教程［M］.北京：北京亿维讯科技有限公司，2008：6-8.

［5］檀润华，张瑞红，汪屏，等.产品设计中的冲突确定方法及解决过程［J］.机械设计，2003（10）：4-7.

［6］高常青，杨波，吕杰，等.基于组件单元模型的冲突消除方法［J］.机械设计，2014（7）：2.

Optimization Design of Fertilizer Supply System Based on TRIZ

Lv JunNing Dekui
（Yunnan Xintianli Machinery Manufacturing Co.Ltd.，Anning Yunnan 650300）

In view of the problem of uneven fertilizer application on sugarcane planting machine in the actual agricultural production，based on the optimization design and TRIZ theory，its fertilizer supply system was analyzed，the product design process model based on TRIZ was constructed，and the technical contradiction model，the physical conflict model and the model of the material field and so on were applied to the design，on the part of fertilizer supply system structure has been optimized and improved.The feasible scheme was obtained in theory，and the improved device had achieved satisfactory results.

TRIZ；fertilizer supply system；balance；dry；evenness

S223.9；TP273

A

1003-5168（2016）06-0067-05

2016-05-10

吕俊（1990-），男，本科，助理工程师，研究方向：农机产品研发；宁德奎（1983-），男，本科，助理工程师，研究方向：农用机械产品研发。