趙小娟，王 強(qiáng)，王 馨，郭喜燕，董佳佳，孫文婷，王志軍，周小寶

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古烏拉特中旗農(nóng)牧機(jī)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引言

目前我國(guó)收獲牧草與農(nóng)作物秸稈的打捆機(jī)主要有圓捆機(jī)和方捆機(jī)兩種機(jī)型。方捆機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口；圓捆機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故障率低、便于維修，不足之處是圓捆機(jī)在草捆成型過程中，成捆室在物料不斷旋轉(zhuǎn)下草捆直徑不斷增大，成捆室壓力隨之增大，造成前倉和后倉閉合不緊，導(dǎo)致草捆密度降低。本文利用TRIZ理論對(duì)圓捆機(jī)的成捆室壓力控制系統(tǒng)問題進(jìn)行分析，以期通過改善前后倉閉合效果找到提高草捆密度有效方法，為圓捆機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)和解決方案。

1 圓捆機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

圓捆機(jī)是一種農(nóng)村牧區(qū)適用的牧草與秸稈收獲機(jī)具，可一次性完成物料的撿拾、喂入、切碎、卷捆、纏網(wǎng)和卸捆等作業(yè)工序，主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、撿拾器、強(qiáng)制喂入機(jī)構(gòu)、成捆室、卸草器和行走機(jī)構(gòu)等組成[1]。圓捆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.傳動(dòng)軸 2.牽引架 3.齒輪箱 4.纏網(wǎng)機(jī)構(gòu) 5.傳動(dòng)系統(tǒng)6.液壓系統(tǒng) 7.后倉室 8.卸草機(jī)構(gòu) 9.行走機(jī)構(gòu) 10.前倉室 11.強(qiáng)制喂入機(jī)構(gòu) 12.撿拾器 13.導(dǎo)向器圖1 圓捆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of round baler

圓捆機(jī)的成捆室主要由前倉、前倉側(cè)板、輥筒、倉室連接軸、傳動(dòng)系統(tǒng)和后倉組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。圓捆機(jī)在作業(yè)過程中，隨著機(jī)器的前進(jìn)，撿拾器將地面平鋪的物料撿起，經(jīng)喂入機(jī)構(gòu)送入成捆室，通過輥筒旋轉(zhuǎn)，物料形成草芯，如圖3a所示。隨著物料不斷增加，成捆室內(nèi)的草捆逐漸增大，如圖3b所示。草捆直徑不斷增大，成捆室壓力隨之增大，當(dāng)壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)即形成圓柱狀草捆，如圖3c所示。成捆室壓力值到達(dá)設(shè)定值時(shí)機(jī)器停止前進(jìn)，開始纏網(wǎng)卸捆作業(yè)，如圖4所示。合上后倉繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)圓草捆的打捆作業(yè)[3]。

1.輥筒 2.前倉 3.后倉 4.鏈輪圖2 成捆室結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of baling chamber

圖3 圓捆機(jī)作業(yè)過程Fig.3 Working process of round baler

2 TRIZ理論及問題描述

TRIZ是由蘇聯(lián)發(fā)明家ALTSHULLER G S(根里奇·阿奇舒勒)提出的一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論和方法。目前，該理論已形成一套解決發(fā)明創(chuàng)造問題的技術(shù)流程，如圖4所示[4]。

圖4 基于TRIZ理論的發(fā)明問題解決過程Fig.4 Solving process of invention problem based on TRIZ theory

按照TRIZ理論原理，產(chǎn)品之所以要進(jìn)行創(chuàng)新，是因?yàn)槠鋬?nèi)部存在矛盾，產(chǎn)品內(nèi)部矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾是指為了改善技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)，導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)的另一個(gè)參數(shù)惡化；物理矛盾是指同一參數(shù)有兩個(gè)不同的要求[5]。

3 提高草捆密度的技術(shù)方案

3.1 利用技術(shù)矛盾進(jìn)行創(chuàng)新

成捆室作為一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，其內(nèi)部存在技術(shù)矛盾，該技術(shù)矛盾描述如表1所示[6]。根據(jù)預(yù)先作用原理提出技術(shù)方案，即在前倉與后倉連接部位加裝拱形碟片，通過加裝拱形碟片的方案為后倉提供足夠的壓力，在草捆成捆過程中確保成捆室后倉有足夠的壓力補(bǔ)償。

表1 技術(shù)矛盾Tab.1 Technical contradiction

3.2 利用物理矛盾進(jìn)行創(chuàng)新

隨著圓捆機(jī)成捆室物料增多，草捆直徑增大逐步擠壓后倉，擠壓力增大造成前后倉之間不能完全閉合，因此這對(duì)物理矛盾中則存在對(duì)其具有相反要求的一個(gè)“壓力”參數(shù)[7]。根據(jù)對(duì)物理矛盾的分析，這對(duì)矛盾的要求在不同時(shí)間段提出，因此可以運(yùn)用時(shí)間分離原理解決。綜合運(yùn)用TRIZ理論中的分離原理與發(fā)明原理，最終采用周期性原理生成解決方案，即利用周期性原理在成捆室的后倉液壓控制系統(tǒng)加裝單向電磁閥。加裝單向電磁閥后，草捆在成捆過程中，成捆室后倉壓力始終保持周期性恒定，從而緩解草捆直徑增大過程中成捆室閉合性差的問題[8]。

3.3 方案對(duì)比

以上兩種方案均可以在增加物料喂入量的情況下，使成捆室前后倉始終保持較好的閉合效果，進(jìn)而提高草捆成捆密度。加裝拱形碟片方案增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，且后倉壓力不可精準(zhǔn)調(diào)控，在設(shè)備運(yùn)行過程中后倉不斷開合易造成拱形碟片損壞。加裝單向電磁閥方案不用更改機(jī)械結(jié)構(gòu)，針對(duì)物料的不同可以精準(zhǔn)調(diào)控后倉壓力。

綜合對(duì)比分析，最終采用加裝單向電磁閥方案，改善前后倉閉合效果，達(dá)到有效提高草捆密度的目的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照GB/T 14290—2021《圓草捆打捆機(jī)》中第5章的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[9]。主要試驗(yàn)指標(biāo)是草捆密度，試驗(yàn)作業(yè)如圖5所示。

圖5 圓捆機(jī)作業(yè)試驗(yàn)Fig.5 Operation test of round baler

通過試驗(yàn)，對(duì)草捆密度進(jìn)行測(cè)定、計(jì)算和結(jié)果分析。根據(jù)草捆密度公式

式中ρ——草捆密度，kg/m3

mk——草捆質(zhì)量，kg

D——草捆直徑，m

W——草捆寬度，m

對(duì)未加裝單向電磁閥的圓捆機(jī)進(jìn)行了5次打捆測(cè)定，求草捆密度平均值，測(cè)定結(jié)果如表2所示。在同等試驗(yàn)條件下，對(duì)加裝單向電磁閥之后的圓捆機(jī)進(jìn)行了5次打捆測(cè)定，求草捆密度平均值，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表2 打捆機(jī)未加裝單向電磁閥草捆密度Tab.2 Bale density of baler without one-way solenoid valve

表3 打捆機(jī)加裝單向電磁閥后草捆密度Tab.3 Bale density of baler equipped with one-way solenoid valve

試驗(yàn)結(jié)果表明，打捆機(jī)成捆室改進(jìn)前的草捆密度平均值為117.6 kg/m3，成捆室優(yōu)化后的草捆密度平均值為159.0 kg/m3，草捆成捆質(zhì)量有了明顯提升。

5 結(jié)論

TRIZ理論是一種標(biāo)準(zhǔn)化的創(chuàng)新方法，利用該理論可以科學(xué)快速地找到解決技術(shù)問題的思路和方法。將該理論運(yùn)用于農(nóng)牧業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，進(jìn)而加快產(chǎn)品升級(jí)換代[10]。

(1)利用TRIZ理論的技術(shù)矛盾和物理矛盾原理，提出加裝拱形碟片和單向電磁閥兩種技術(shù)方案。經(jīng)過對(duì)比分析，最終選擇加裝單向電磁閥，通過液壓壓力的單向調(diào)節(jié)，保證打捆機(jī)成捆室前后倉完整閉合。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用加裝單向電磁閥方案，草捆密度由改進(jìn)前117.6 kg/m3提高到159.0 kg/m3，草捆密度提高35%，改善效果明顯。