基于TRIZ冲突解决原理的顶出式有序抛秧机构

引言

    有序抛秧是通过抛秧机构依次按照预定时间间隔将钵秧盘上同一行中的几穴钵苗推出或夹出盘，钵苗落入导苗管，在重力作用下成行落入田中以保证钵苗株距均匀。有序抛秧机构就是为了实现钵苗的有序、成行和株距均匀移栽的机构。现有的有序抛秧机构有机械手式、对辊式、气吸式、气流式、顶出式、排序式等几种。机械手式和对辊式有序拔秧机构采用机械夹持形式，对秧苗具有强制拔出作用，夹持可靠性较难保证，且易伤秧。气吸式和气流式有序抛秧机构利用气体作用于钵苗，对钵苗的脱盘具有强制作用。需配备风机、控制系统等装置。结构相对复杂，且风机转速高，易引起机器振动。排序式有序抛秧机构在排序过程中，易碎土钵，伤秧，无可靠的强制机构，排序的均匀性难以保证。顶出式有序抛秧机构工作原理见图1。外力推动顶杆1移动，从钵碗底部将土钵和秧苗一起推离钵秧盘3，钵苗4从导苗管5靠重力落入田中完成栽植。顶杆顶出式钵苗有序移栽方式具有脱盘可靠，株距均匀性易于保证，不伤根、秧的优点。笔者利用TRIZ(TRIZ原是俄文Teorijz Rezhenija Izobretatel，skich Zadach的缩写，其对应英文Theory of Invention Problem Solving，意为“发明问题解决理论”)理论中的冲突解决原理，以凸轮顶出式为原型，对顶出式有序抛秧机构进行了创新设计。

图1. 顶出式有序抛秧原理

1 TRIZ发明问题的技术冲突解决原理

    TRIZ理论的核心是产品进化理论，对现有产品分析、发现冲突并解决冲突。该过程不断往复循环，形成产品的进化，即产品创新设计。产品进化的动力就是设计人员不断地发现冲突并解决冲突。

    Ahshuller将有利于TRIZ理论解决发明问题的冲突分为物理冲突和技术冲突啪。物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性。但同时出现了与该特性相反的特性。技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可以指有崩作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。通过对250万项专利的分析研究，TRIZ理论提出用39个通用工程参数统一描述冲突(表1仅列出本文用到的工程参数)。

表1. 部分通用工程参数名称表

    为指导冲突的解决和产品的创新设计，Ahshuller等人在抽象层次上提出了40条发明原理(表2仅列出本文用到的发明原理)，并将描述技术冲突的39个工程参数与40条发明原理建立对应关系，其中的映射关系就是冲突矩阵，表3为冲突解决矩阵简表。矩阵的行和列分别为39个变坏和变好的工程参数，矩阵元素Xi+j，为第i个变坏的工程参数和第j个变好的工程参数所构成的技术冲突所对应的发明原理。其中Xi+j与Xj+1相同，Xi-1为空，用“-”表示。

表2. 部分发明原理名称表

表3. 冲突解决矩阵简表

2. 基于TRIZ技术冲突解决原理的顶出式有序抛秧机构的创新设计

2.1 凸轮顶出式有序抛秧机构原型

    课题组提出凸轮顶出式有序抛秧机构原型如图2所示，顶杆2固定在外滚筒5和中间滚筒6之间，三者一起绕主轴7作旋转运动，凸轮1静止固定在内滚筒8上。钵秧盘11沿水平切线方向喂入到外滚筒5上并随其一起转动送进，钵秧盘11每一钵碗4内的钵苗10正好与顶杆2对应。当钵秧盘11和顶杆2转动到凸轮1的凸起部位时，凸轮1推动顶杆2将钵苗10顶离钵秧盘11。

图2 凸轮顶出式有序抛秧机构

    该机构中主要有两个冲突。

    冲突1：凸轮固定不动，顶杆转动至凸轮处时被推动顶出钵苗，机构简单，但由于凸轮的轮廓设计和机构空间上的限制，顶杆行程和速度小；

    冲突2：机构中有52套顶杆组件，每套顶杆组件对应钵秧盘上的一列钵苗，顶杆和钵秧盘一起转动，钵苗顶出可靠性高，单个顶杆承受的冲击力比较小，但顶杆、复位弹簧及钵碗的数量太多，结构比较复杂。

2.2 利用技术冲突解决冲突1

    针对冲突1，利用冲突矩阵得到解决发明原理，表4是解决顶杆行程小的技术冲突解决表，表5是解决速度低的技术冲突解决表。为提高顶杆行程和速度，分别通过改变凸轮结构、在凸轮和顶杆之间增加一个杠杆结构，得到差速凸轮式(图3)、差速回弹式(图4)、杠杆顶出式(图5)三种新的顶出式有序抛秧机构。

表4. 解决顶杆行程小的技术冲突解决表

表5. 解决速度低的技术冲突解决表

图3. 差速凸轮式有序抛秧机构

图4. 差速叫弹式有序抛秧机构简图

图5. 杠杆顶出式有序抛秧机构简图

    差速凸轮式有序抛秧机构(图3)中，虽然凸轮1推动顶杆3的速度提高，但由于空间结构限制，顶杆3的行程却不易满足要求。

    差速回弹式有序抛秧机构(图4)中，利用杠杆3和扭转弹簧5快速复位时顶出顶杆8，使得顶杆8的行程和速度都得到保证，但由于凸轮1在转动过程中绝大部分时间扭转弹簧5处于受力状态，增加能量损耗，零件的可靠性和寿命也受到影响。杠杆顶出式有序抛秧机构(图5)与差速回弹式有序抛秧机构的原理相类似，转动凸轮1带动杠杆3摆动推出顶杆5。利用弹簧6使顶杆5复位。各构件受力更为合理且结构较简单。

2.3 利用技术冲突解决冲突2

    杠杆顶出式有序抛秧机构和凸轮顶出式具有同样的冲突，顶杆与秧盘随两层滚筒同步转动，钵苗顶出可靠，但整体结构复杂，质量大，利用冲突矩阵得到解决发明原理如表6所示。得到新的鼠笼杠杆式秧盘输送装置和单套固定式顶杆组件结构如图6所示。

表6. 解决结构复杂的技术冲突解决表

2.4 生成新型顶出式有序抛秧机构

    通过解决技术冲突1，得到了较理想的凸轮杠杆顶出机构，而技术冲突2的解决，则使秧盘输送装置和顶杆组件得到改进，得到了比较简单的鼠笼结构和单套固定式顶杆组件，这两部分组合在一起，生成一种新型的鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构(见图6)。其工作原理是：钵秧盘7从输送台喂人到转笼8上并随转笼8一起转动送进，同时，主轴带动凸轮1转动，凸轮1在转动过程中接触到杠杆2的输入端。推动杠杆2绕杠杆轴3摆动，杠杆2输出端克服复位弹簧6的阻力推动顶杆5作加速直线运动，顶杆5快速地将转动到顶出位置的钵秧盘7内的钵苗顶出，凸轮1与杠杆2输入端脱离接触后，凸轮1继续转动，而顶杆5在复位弹簧6作用下回到初始位置处，等待下一个顶出动作，至此一个钵苗的顶出过程全部完成，这样循环往复地运动来完成整个抛秧动作。鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构通过杠杆2的放大作用，使顶杆5的行程和顶出速度都满足钵苗顶出要求且整体结构简单。图7是鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构样机图片，试验结果如下：顶杆行程大于16mm，顶杆平均速度大于0.5m／s，复位时间t=0.0296S，均满足机构顶出要求，表明机构顶出钵苗有序可靠。

图6. 鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构简图

图7. 鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构样机图片

3 结语

    TRIZ理论是进行产品创新设计和结构改进的一种行之有效的方法。本文利用TRIZ冲突解决原理对顶出式有序抛秧机构进行创新设计，结果表明，鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构是一种工作可靠、结构简单、成本较低的机构。

转载：感谢您对网站平台的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人站长或者朋友圈，但转载请说明文章出处。