郭建永，李海源，朱梓瑩

（1 肇慶學(xué)院 肇慶經(jīng)濟(jì)社會(huì)與歷史文化研究院，526061，廣東肇慶；2 肇慶學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，526061，廣東肇慶；3 廣寧縣木格農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，526348，廣東肇慶）

目前，我國山區(qū)林地的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平普遍較低。隨著近年來國家對(duì)山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展政策的不斷完善，國家大力扶持和發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，調(diào)整農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，大力發(fā)展生產(chǎn)力[1]。

微耕機(jī)一般使用在茶園管理、旱田與水田耕作、梯田與林地開墾等場(chǎng)合，具有動(dòng)力旋轉(zhuǎn)部件，帶或不帶主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常用于碎土作業(yè)，一般的操作方式是由使用者在后面掌控著扶手進(jìn)行作業(yè)[2]。由于山區(qū)林地的地形環(huán)境復(fù)雜多變，常常會(huì)出現(xiàn)小山坡及碎石臺(tái)階等路況，加上微耕機(jī)工作環(huán)境惡劣，動(dòng)力系統(tǒng)工作震動(dòng)幅度較大，一旦出現(xiàn)故障，維修運(yùn)輸過程十分不便，因此研究出一款動(dòng)力系統(tǒng)與機(jī)架可分離的微耕機(jī)，對(duì)提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平有著重要的意義。

1 TRIZ 理論應(yīng)用

用戶需求是產(chǎn)品創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)品創(chuàng)新的本質(zhì)是根據(jù)一定用戶的需求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，具備某些指定功能的解決方案是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品則是以載體的形式呈現(xiàn)出來[3]。

1.1 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾是指一個(gè)作用同時(shí)產(chǎn)生有用及有害兩種效應(yīng)，也可指有用效應(yīng)的引入或有害效應(yīng)的消除導(dǎo)致一個(gè)或幾個(gè)子系統(tǒng)變壞。技術(shù)矛盾常表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)子系統(tǒng)之間的矛盾，而且總是涉及到兩個(gè)基本參數(shù)：當(dāng)其中一個(gè)得到改進(jìn)時(shí)，另一個(gè)變得更差[4]。

任何一臺(tái)機(jī)器的發(fā)展，都會(huì)以功能的增加為目標(biāo)，但功能的增加也意味著產(chǎn)品會(huì)發(fā)展得越來越復(fù)雜，所以需要改善的技術(shù)參數(shù)為“裝置復(fù)雜程度（編號(hào)36）”，但裝置復(fù)雜程度的改善會(huì)造成產(chǎn)品的物質(zhì)數(shù)量增加，造成制造成本的增加。在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的貧困山區(qū)，制造一臺(tái)機(jī)器的成本要盡可能的低，才可以進(jìn)行推廣，此時(shí)對(duì)應(yīng)惡化的技術(shù)參數(shù)為 “物質(zhì)或事物的數(shù)量（編號(hào)26）”。由于系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，在機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)品的可維修性就會(huì)降低，需要花費(fèi)較多的時(shí)間與精力進(jìn)行故障排查，此時(shí)對(duì)應(yīng)惡化的技術(shù)參數(shù)為“可維修性（編號(hào)34）”。通過查閱TRIZ 理論中的技術(shù)沖突矩陣表，節(jié)選出有關(guān)內(nèi)容，如表1 所示。

表1 TRIZ 理論技術(shù)沖突矩陣（節(jié)選）

通過查閱技術(shù)沖突矩陣表，可以得出本案例可能用到的發(fā)明原理分別為1 分割、3 局部質(zhì)量、10 預(yù)先作用、13 反向作用、27 廉價(jià)替代品。通過分析得出，微耕機(jī)主要工作部分由動(dòng)力系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成，應(yīng)用發(fā)明原理“1 分割”“3 局部質(zhì)量”“27 廉價(jià)替代品”可以得到方案1：將動(dòng)力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)分割；提高動(dòng)力系統(tǒng)的制造精度；為了控制機(jī)器的制造成本，執(zhí)行系統(tǒng)的刀具材料可以由造價(jià)不是很高的材料替代。

1.2 物理矛盾

當(dāng)一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的工程參數(shù)具有相反的需求時(shí)，就出現(xiàn)了物理矛盾。比如說，要求系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)既要出現(xiàn)又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等。相對(duì)于技術(shù)矛盾，物理矛盾是一種更尖銳的矛盾，創(chuàng)新中需要加以解決[4]。

微耕機(jī)形狀的大小直接影響著工作效率，微耕機(jī)越大，工作效率越高；但由于山區(qū)道路的不平整，為了方便運(yùn)輸，尤其是在機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，微耕機(jī)形狀的增大將大大增加運(yùn)輸時(shí)的難度。通過思考，應(yīng)用TRIZ 理論中的條件分離原理，解決了該問題。由于微耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障一般發(fā)生在動(dòng)力系統(tǒng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)部分。假如通過某種機(jī)械連接，使微耕機(jī)在發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)可以輕松拆除，農(nóng)民可以直接將動(dòng)力系統(tǒng)帶到指定單位進(jìn)行維修或更換，可以大大降低運(yùn)輸難度，此方案為方案2。

1.3 九屏圖分析

TRIZ 理論的核心思想之一是任何技術(shù)系統(tǒng)都是按照一定的客觀規(guī)律前進(jìn)的，在九屏圖分析工具中也得到了體現(xiàn)?；诩夹g(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的九屏圖是把當(dāng)前系統(tǒng)、當(dāng)前系統(tǒng)的子系統(tǒng)、當(dāng)前系統(tǒng)的超系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)的現(xiàn)在、過去和未來，通過一定的邏輯關(guān)系聯(lián)系起來的分析工具，主要用于系統(tǒng)宏觀層面的分析，尋找資源解決問題和開展產(chǎn)品技術(shù)預(yù)測(cè)。

九屏圖的目的是尋找資源，分析清楚系統(tǒng)的構(gòu)成與環(huán)境。首先，從技術(shù)系統(tǒng)本身出發(fā)，考慮可用資源；其次，考慮技術(shù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)、超系統(tǒng)中的資源；再次，考慮系統(tǒng)的過去和未來，從中尋找可利用的資源；最后，考慮超系統(tǒng)和子系統(tǒng)的過去和未來。

本案例九屏圖分析如圖1 所示。當(dāng)前系統(tǒng)為微耕機(jī)；當(dāng)前系統(tǒng)的過去為犁，主要是由牛、馬等牲畜進(jìn)行牽引；當(dāng)前系統(tǒng)的將來可能會(huì)發(fā)展出多功能機(jī)型，此為方案3；當(dāng)前系統(tǒng)的子系統(tǒng)為刀具，刀具直接與土壤接觸，達(dá)到破土、平土的效果，子系統(tǒng)的將來，可能會(huì)發(fā)展成通過沖擊場(chǎng)、振動(dòng)波等方式來整地，此為方案4；當(dāng)前系統(tǒng)的超系統(tǒng)為燃料，主要為汽油或柴油，汽油和柴油都是通過石油加工而來，所以超系統(tǒng)的過去為石油，為了響應(yīng)國家碳達(dá)峰碳中和的號(hào)召，將來的微耕機(jī)燃料可能會(huì)使用無污染的新能源燃料，此為方案5。經(jīng)在網(wǎng)上查閱，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張超博士曾開展了相關(guān)研究，以太陽能為能源給微耕機(jī)提供動(dòng)力[5]。

圖1 微耕機(jī)系統(tǒng)九屏圖分析

1.4 物場(chǎng)分析

物場(chǎng)分析是原蘇聯(lián)學(xué)者阿奇舒勒（Genrich S.Altshuler）首創(chuàng)的一種創(chuàng)造方法，是通過分析技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成要素之間的相關(guān)關(guān)系、相關(guān)作用而導(dǎo)致技術(shù)創(chuàng)造的一種方法。所謂物場(chǎng)，是指物質(zhì)和物質(zhì)之間相互作用與相互影響的一種聯(lián)系，就科學(xué)領(lǐng)域來說，溫度場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)、聲場(chǎng)、引力場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等，都是物場(chǎng)的具體存在形式。

微耕機(jī)與土壤之間是通過刀具的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致土壤的破碎，從而達(dá)到整地的效果。但實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，土壤易黏附在刀具上，進(jìn)而增加微耕機(jī)工作時(shí)的阻力，造成無用能耗的增加。如果在土壤與刀具之間增加一個(gè)場(chǎng)，既不破壞原來存在的場(chǎng)，又能解決土壤黏附的問題，則為一個(gè)可行的方案。物場(chǎng)分析原理圖如圖2 所示。

圖2 物場(chǎng)分析原理圖

通過分析，場(chǎng)2 可以選用機(jī)械場(chǎng)，通過震動(dòng)的方式將刀具上的泥土甩掉，此為方案6。

2 方案對(duì)比與分析

在應(yīng)用TRIZ 理論分析和思考過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的方案，但并不是所有的方案都能在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，所以，在應(yīng)用TRIZ 理論思考問題后，需要對(duì)所有方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。通過應(yīng)用TRIZ 理論，共得到6種初步方案，如表2 所示。

表2 方案整理

方案3、方案4 與方案5 是采用了九屏圖分析工具，分別對(duì)應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)、超系統(tǒng)與子系統(tǒng)的未來發(fā)展可能，適用于長(zhǎng)期的研發(fā)攻堅(jiān)，不適用于解決需要緊迫解決的問題；方案1 雖然可以在一定程度上降低生產(chǎn)成本，但控制幅度有限，此方案意義不大；方案6 同樣可以在一定程度上降低能耗，但節(jié)省的能耗不大，此方案同樣意義不大；方案2 可以切實(shí)解決山區(qū)運(yùn)輸不方便的問題，可將微耕機(jī)改造后進(jìn)行生產(chǎn)。

通過肇慶學(xué)院與廣寧縣木格農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司的合作，廣寧縣木格農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的動(dòng)力系統(tǒng)可拆卸微耕機(jī)已投入生產(chǎn)，該產(chǎn)品受到廣大農(nóng)民朋友的一致好評(píng)。

3 結(jié)語

本文通過應(yīng)用TRIZ 理論中的技術(shù)矛盾、物理矛盾、九屏圖分析及物場(chǎng)分析，共分析出6 種微耕機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過對(duì)6 種方案的對(duì)比分析，由物理矛盾工具及條件分離原理得出的方案切實(shí)可行。此方案經(jīng)過與廣寧縣木格農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司合作，動(dòng)力系統(tǒng)可拆卸式微耕機(jī)已投入生產(chǎn)并進(jìn)行推廣，受到廣大農(nóng)民的一致好評(píng)。