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TRIZ理论在小型行走式树木挖掘机构中的应用 |
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作者：李秀美 狄敬国 魏东 |
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摘要：本文运用解决发明问题的新型创新理论-TRIZ理论，设计了适应目前国内市场需求的移栽小型苗木的小型行走式机械，并对挖掘机构中的关键部分的设计方案进行了比较、分析和研究，最终确定了设计方案。该设计产品所挖掘树木的根球为水桶形状、根系多，弥补了现有机械所挖土球锅型、树球下半部的根系少的缺点，并且装进桶内保水容易，运输方便，树木成活率高；最后，根据设计方案制作出实物模型。试验表明，挖掘机构的设计方案达到了预期效果，挖掘速度快，工作可靠稳定。
引言
农业机械化水平是农业机械化的直接表现，其不断提高对现代农业发展具有非常重要的意义。目前，国内外有关树木移栽机械设备的报道，大都集中于采用液压驱动的大型机械，一般需要较强的动力进行带动，通过拖拉机的拖动来实现行进和工作，设备价格较高，投资较大。对于小而多的中小型苗木而言，采用这类大型设备，显然有点大材小用，造成不必要的浪费，且不够灵活，在空间相对拥挤的苗圃或者树林无法施展工作；若依靠人工，则需大量人力，在人工费用越来越高的今天，显然是不划算的。因此，通过使用新型的机械设备从而降低劳动强度，节省工作时间和成本，并保证树木的成活率则是当前人们亟待解决的问题。
为此，利用发明问题解决理论-TRIZ理论设计了适应目前国内市场需求的移栽中小型苗木的小型行走式机械。该机械所挖掘树木的根球为水桶形，根系多，弥补了现有机械所挖土球锅型、树球下半部的根系少的缺点，并且易于装进桶内保水容易，运输方便，树木成活率高；挖掘速度快、设备操作简单、工作可靠稳定，在小而多的中小型苗木均可使用。
小型行走式树木移栽机不但解决了雇佣劳动力难且费用高的问题，而且社会、经济效益高，具有良好的推广前景。
1 TRlZ理论介绍
20世纪40年代，由前苏联G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）团队创立了TRIZ理论，该理论认为发明是从对问题的分析找出矛盾而产生的。基于该思想，阿奇舒勒带领前苏联的专家们一起，通过对大量的专利文献加以搜集、整理、归纳、总结、提炼和重组，历时半个多世纪，建立了一套体系化的、实用的、解决发明问题的新理论方法体系-TRIZ。TRIZ理论系统如图1所示。
图1 TRIZ理论系统图
TRIZ理论认为，解决矛盾（或冲突）是发明问题的核心，要进行创新设计就必须要解决矛盾。在机电产品创新设计过程中，存在物理和技术两个方面的矛盾（或冲突），使得整个设计过程成为解决一个创新特征问题的过程。在设计过程中不断地发现并解决矛盾，是推动其向理想化方向进化的动力。从通俗意义上讲，创新设计的过程是创造性地发现并解决问题的过程，TRIZ理论的优势就在于它能够为此提供系统的理论、方法和工具。在机械产品创新设计过程中，TRIZ理论方法的应用主要体现在产品的概念设计过程中，其中技术矛盾（或冲突）的解决是取得创新解的关键。
2 TRlZ理论在挖掘机构中的应用
根据TRIZ理论，在产品设计过程中遇到的矛盾（或冲突），一般分为技术冲突和物理冲突两大类。针对技术矛盾冲突，TRIZ理论方法提出了40条发明原理以及冲突矩阵用来解决设计中所遇到的冲突，解决设计问题。其用39个通用工程参数来描述冲突，用40条发明创造原理来指导设计的创新设计，并将这39个通用工程参数与40条发明原理建立了对应关系，生成了冲突矩阵。笔者运用TRIZ理论方法，克服习惯性思维，力求找出解决土石挖掘、输送矛盾的方法；阐述创新设计中整体技术矛盾和传动技术矛盾，并最终应用TRIZ理论方法确定出设计方案。TRIZ解决矛盾的方式如图2所示。
图2 TRIZ解决矛盾的方式
2.1 整体设计方案的确定
2.1.1 整体设计技术矛盾
对于土石挖掘与输送矛盾，可以描述成如下内容：若要使挖掘机构能够顺利到达所需深度，则需要挖掘机构随刀架整体下移，输送土石的传送装置也要下移；而如果设备连同行走机构整体都下移，当到达一定深度时，由于质量原因整机很难从深沟道中取出，并且若整机下移，所传送土石无法排出坑道以外。得出整体结构技术矛盾为挖掘机构与行走机构之间的矛盾。
2.1.2 解决技术矛盾，整体设计方案
在整体机构设计上，笔者所设计产品若只保证挖掘机构的顺利上下运动，则水平运动的行走机构运动困难。因此，根据概念理解，该产品的TRIZ问题应属于技术冲突。针对技术矛盾，充分利用TRIZ理论的设计思路并借助于机械创新设计方法对小型树木移栽机械进行总体方案设计，确定其动力、结构、控制、运动设计方案，最后整体设计采用分体式设计方案。整个结构由挖土传送装置和操作行走装置两部分组成，两部分由导轨和动力软轴相连。其具体结构包括操作机构、行走机构、发动机、传动机构、离合器、变速箱、刀具、向坑外导土装置和防护罩等部分。通过操作面板控制设备工作，动力由发动机传出，通过软轴将动力传送给变速箱，并依靠链传动，带动整机前进，到达指定位置开始工作；刀具以及向坑外导土装置在发动机带动下开始工作，将所挖土石传送到坑外，从而解决了挖掘机构与行走机构的矛盾。整体设计结构示意图，如图3所示。
图3 整体结构示意图
2.2 起苗方案的传动设计
2.2.1 传动方式技术矛盾
传动方式技术矛盾描述如下：该设计采用柴油机（或汽油机）提供挖掘和前行的动力，刀具正面为弧形曲面，并自左向右有小角度倾斜。工作时，向侧后方抛土，将土石导入向坑外导土装置的传送带，从而将其带出深坑道以外。刀具运动方向和传送带运动方向相反，无论靠链传动还是皮带传动，直接由发动机输出一个方向的运动无法满足前两者运动的需要。
2.2.2 传动方式设计方案
根据TRIZ理论方法提供的解决问题冲突的思路，确定了设计方案，采用链传动将输出动力靠链轮进行分解，使动力变成两个相反的方向，保证了挖掘和输送的良好配合。通过合理的传动比，设备工作振动小，可靠稳定。
本设计动力传动系如图4所示。
图4 传动系统图
3 主要性能指标
其主要技术参数如下：
挖掘的土球直径/m：1～2
抛土高度/cm：>60
环状沟深度/cm：>60
开沟宽度/mm：25～35
刀具正面倾斜角度／(°)：15～20
刀具正面弧度为R/mm：70～80
配套动力/kW：7
刀轴转速／r·min：240
4 试验对比
依据确定的设计方案，设计制作实物如图5所示。
图5 样机照片
以在公园空地挖掘1棵直径20cm多的树木为对象，样机试验结果，如表1所示。表1 样机试验结果
 5 结束语
实践证明，TRIZ创新理论与方法（是科学的、完善的且具有很强的可操作性的理论方法），在解决实际问题的过程中发挥着很重要的作用。根据创新理论，解决矛盾冲突，确定设计方案，设计产品结构合理，工作可靠稳定，达到了预期效果。通过实际应用，该设计产品能够以待起苗木为中心，以需要的土球半径为半径，从圆周上的一点进行挖掘，在挖掘的同时让挖掘点在圆周上以一定的速度行走，最终在圆周上开挖一道30～50cm环状沟。当沟的深度达到要求时（一般为0.6～1.5m），斩断根须底部与土壤的联系，环状沟能下人进行土球缠绳操作，并将土球完整保留，挖掘速度快，具有很高的推广价值。(end)
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(9/3/2013) |
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