俞金金 王君 尹彬?yàn)?/p>

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，但目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，仍受到不可抗拒的洪澇災(zāi)害影響，導(dǎo)致作物基本產(chǎn)量不穩(wěn)定，給農(nóng)戶家庭收入造成了不利的影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，因洪澇災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積和受災(zāi)面積比均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。中國農(nóng)作物的受災(zāi)面積比在近60年里達(dá)到了6.6%［1］。

為解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)戶溫室大棚易受洪澇災(zāi)害影響造成巨大損失的問題，本設(shè)計(jì)基于物‐場(chǎng)分析理論，重點(diǎn)解決裝置優(yōu)化過程的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有阻水裝置的改進(jìn)。通過對(duì)現(xiàn)有阻水裝置技術(shù)缺陷的分析，裝置可以根據(jù)不同區(qū)域的阻水需求進(jìn)行自由組裝，在有效、便捷地保證擋水效果的同時(shí)，減少了經(jīng)濟(jì)損失。

1 物-場(chǎng)分析基本概述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論的含義是發(fā)明問題解決理論，作為一套成熟的創(chuàng)新方法體系，該理論囊括了技術(shù)創(chuàng)新、發(fā)明制造和求解工具等內(nèi)容。TRIZ理論基于各學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，為解決現(xiàn)實(shí)問題提供了一種通用的數(shù)學(xué)模型，該模型指明了其潛在發(fā)展的方向。目前在各個(gè)領(lǐng)域中，物‐場(chǎng)分析模型被廣泛地運(yùn)用［2］。

在發(fā)明問題中，存在物體和外部環(huán)境之間的相互作用，即發(fā)明出的系統(tǒng)功能都具有兩種物體和一個(gè)場(chǎng)。由此，研究者通常將待解決的問題轉(zhuǎn)化為物‐場(chǎng)模型，轉(zhuǎn)化后的裝置系統(tǒng)模型包含3個(gè)基本元素［3］：2個(gè)場(chǎng)元素（S1和S2）和場(chǎng)元素之間的作用力效應(yīng)（F）。模型總共可分為4種情況：（1）模型中的3個(gè)元素齊全，2個(gè)場(chǎng)元素之間產(chǎn)生有效的作用效果，該情況為理想模型；（2）模型中缺少場(chǎng)元素，模型不完整；（3）模型中的3個(gè)元素齊全，但是2個(gè)場(chǎng)元素之間缺少有效的相互作用力；（4）模型中的3個(gè)元素齊全，2個(gè)場(chǎng)元素之間存在相互作用力，但是該作用力產(chǎn)生負(fù)面的作用效果，妨礙了系統(tǒng)的正常運(yùn)行［4］。再根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況確定模型的類型，并由此查找對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法，針對(duì)模型解決實(shí)際問題［5］。物‐場(chǎng)分析理論一共提供了76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，詳細(xì)分為5級(jí)：（1）建立或拆除物‐場(chǎng)模型；（2）增強(qiáng)物‐場(chǎng)模型；（3）向超系統(tǒng)或微觀級(jí)轉(zhuǎn)化；（4）檢測(cè)和測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)解；（5）對(duì)簡化系統(tǒng)的方法進(jìn)行改善。

根據(jù)建模的物‐場(chǎng)模型類型，研究者對(duì)應(yīng)確定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解級(jí)別，由此進(jìn)一步找到具體的子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)解［6‐7］。

2 阻水裝置優(yōu)化過程中技術(shù)沖突分析

2.1 擋水裝置問題分析

為實(shí)現(xiàn)理想的優(yōu)化效果，對(duì)現(xiàn)有的擋水裝置進(jìn)行分析，具體存在以下問題：（1）裝置到位時(shí)間長，自動(dòng)化程度低，需要人力安放和拆除，耗費(fèi)人力物力，面對(duì)突發(fā)的洪澇災(zāi)害，時(shí)間要求往往占據(jù)首要位置；（2）阻水效果差，傳統(tǒng)的阻水裝置往往采用沙袋、隔板等元素，此類裝置的安放費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且與周圍固定物之間存在縫隙，而洪水一旦沖開某條縫隙，巨大的水壓會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置從某一點(diǎn)到整體的崩潰；（3）裝置無法及時(shí)告知使用者當(dāng)前水況，導(dǎo)致錯(cuò)過實(shí)施最佳阻水措施的時(shí)機(jī)。

2.2 裝置優(yōu)化方案的描述

將物‐場(chǎng)分析理論應(yīng)用到現(xiàn)有的阻水裝置中，優(yōu)化流程由實(shí)際需求引出需要解決的問題開始，通過對(duì)裝置功能和組件的分析，確定建模物‐場(chǎng)模型主要的3個(gè)元素，并分析模型所屬的類型，由此找出對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解，解決實(shí)際問題，具體流程如圖1所示。通過對(duì)阻水裝置、洪水和機(jī)械場(chǎng)之間的作用力效應(yīng)分析，得到第3類模型：效應(yīng)不足的完整模型，如圖2所示。由此，運(yùn)用TRIZ物‐場(chǎng)分析理論提供的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，根據(jù)所建立模型的種類與問題，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法，進(jìn)行擋水裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)［8‐9］。

圖1 基于物-場(chǎng)分析的基于物-場(chǎng)分析的擋水裝置優(yōu)化流程

圖2 阻水裝置-洪水的機(jī)械場(chǎng)

3 智能化阻水裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

通過傳統(tǒng)阻水裝置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 阻水裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的裝置采用拼接式結(jié)構(gòu)，通過擋水板及底座制成固定寬度的模塊，實(shí)現(xiàn)不同模塊間的榫卯連接。轉(zhuǎn)軸部分，利用鉸鏈原理，通過多個(gè)套筒與軸連接，兩端安裝有電腦控制的伺服電機(jī)。水位上升時(shí)，控制板控制減速電機(jī)正轉(zhuǎn)，豎起擋板并自鎖，同時(shí)發(fā)出預(yù)警信息給相關(guān)人員，水位回落后，減速電機(jī)反轉(zhuǎn)，擋板落下置于基座上，它集自動(dòng)排水、智能阻水、智能預(yù)警功能于一體，能輔助地下車庫原有的排水裝置工作。

3.2 物-場(chǎng)分析模型的應(yīng)用

針對(duì)傳統(tǒng)裝置自動(dòng)化程度低，使用不便的問題，建立第2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解（一）改變到復(fù)雜的物質(zhì)‐場(chǎng)模型，增加單片機(jī)、迷你電腦板等，如圖4。擋水板兩端安裝由電腦控制的伺服電機(jī)?；O(shè)液位傳感器，向電腦板傳輸信號(hào)，當(dāng)水位到達(dá)預(yù)設(shè)高度時(shí)，電腦板向綁定的終端設(shè)備發(fā)出預(yù)警信息，及時(shí)通知相關(guān)人員，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)擋水板立起并自鎖；當(dāng)水位回落，電腦板接收傳感器信號(hào)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使擋水板放置于基座上。

圖4 電子控制設(shè)備

針對(duì)傳統(tǒng)阻水裝置阻水效果差的問題，建立第3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解（一）向超系統(tǒng)或微觀級(jí)轉(zhuǎn)化，通過計(jì)算擋水板高度和積水深度參數(shù)，分析并確定實(shí)際所需擋水板的高度和所用電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)不同區(qū)域?qū)跛b置能力的需求，有效、便捷地保證擋水效果，其中模型兩側(cè)側(cè)板螺釘設(shè)計(jì)方面，如圖5，作用在側(cè)面擋水板的力的總和為

可知，力的作用點(diǎn)與底板形心點(diǎn)的距離為

將力移至底板側(cè)面形心處，如圖5，得

圖5 底板螺釘設(shè)計(jì)

在力的作用下，螺釘受到的軸向工作拉力為

在傾覆力矩作用下，螺釘1（或3）受力較大（結(jié)合軸向力考慮），

查表選用性能等級(jí)合級(jí)的螺釘，查得屈服極限σs=240 MPa，查得安全系數(shù)S=5，故螺釘?shù)脑S用應(yīng)力為，因此，螺釘?shù)闹睆皆O(shè)計(jì)為式（6），

按粗牙螺紋設(shè)計(jì)查表，選用公稱直徑螺釘d=3mm，滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)校核，滿足要求。

4 結(jié)論

基于TRIZ理論中物‐場(chǎng)分析理論，建立物‐場(chǎng)分析模型，根據(jù)物‐場(chǎng)分析模型的標(biāo)準(zhǔn)解實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有阻水裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，篩選出適用于實(shí)際情況的方案。通過標(biāo)準(zhǔn)解優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)戶溫室大棚易遭受洪澇災(zāi)害被水淹的問題，有效地保證阻水效果。