摘 要：我國西南地區(qū)受丘陵山區(qū)地形制約，本地農(nóng)業(yè)機械化水平低，引進的農(nóng)機裝備及技術(shù)大多存在“水土不服”問題，無法適應本地的作業(yè)需求，導致針對本地種植需求的農(nóng)機產(chǎn)品的缺失。本文聚焦我國西南地區(qū)農(nóng)民的機械化作業(yè)需求，基于TRIZ創(chuàng)新設計理論，結(jié)合人機工程學、仿生學等多學科理論，研究設計基于TRIZ理論的微耕機，為適合丘陵山區(qū)的微耕機設計提供可行方向。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；微耕機；仿生學

一、背景及意義

微耕機指以小型柴油機或汽油機為動力、功率不大于7.5千瓦的微型耕耘機械。微耕機具有輕便靈活，易于推廣普及，適用于地形崎嶇、地塊分散土地的優(yōu)點[1]。我國西南地區(qū)為丘陵山脈地區(qū)，地形崎嶇，垂直氣候差異較大。受丘陵山區(qū)制約，我國西南地區(qū)農(nóng)機化薄弱環(huán)節(jié)和短板十分明顯，表現(xiàn)為“三多三少”：小馬力機具多，大馬力機具少；低端機具較多，高品質(zhì)機具較少；單一作業(yè)環(huán)節(jié)的機具較多，集成配套的農(nóng)機裝備較少[2]。設計符合丘陵地區(qū)實際環(huán)境的微耕機，能促進該地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化，提高勞動效率，解決勞動力不足問題[3]。

二、TRIZ理論研究方法

現(xiàn)代TRIZ理論通過問題識別、問題解決、概念驗證三個步驟解決工程系統(tǒng)問題[4]。本研究經(jīng)過線下調(diào)研，得到初步調(diào)研方向，在問題識別階段使用功能分析模型、因果鏈分析和裁剪三個工具，確定待解決的問題。在問題解決階段將使用功能導向搜索、技術(shù)矛盾兩個工具，提出相應的解決方案。最后，整合多個小的解決方案，提出最終的設計方案。

三、 問題識別與解決

（一） 問題描述

經(jīng)過線下調(diào)研，走訪云南省馬龍市的微耕機銷售網(wǎng)點、農(nóng)機合作社采訪了農(nóng)業(yè)局、農(nóng)機推廣站、微耕機銷售人員、拖拉機手等專業(yè)從業(yè)人員，經(jīng)整理得到以下結(jié)論：

（1）維護。旋耕刀作業(yè)時易纏繞雜草、地膜等雜物，土壤結(jié)塊也容易附著在旋耕刀頭上?，F(xiàn)有微耕機每次短期作業(yè)后都需要小型維護。長期累積，清理刀頭、清理空濾會產(chǎn)生較大的時間成本，影響農(nóng)民的勞動效率。（2）安全。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計不合理，微耕機常出現(xiàn)旋耕刀傷人、人被卷入旋耕刀、灰塵石塊飛濺及由于擋位設計不合理，導致掛錯擋位撞倒人等安全問題。（3）離合器。離合器以按壓結(jié)合的方式傳輸動力，松開后動力切斷?，F(xiàn)有產(chǎn)品多為捏合式把手，長時間使用會導致手臂疲勞，降低勞動效率。很多農(nóng)民將微耕機離合器手柄纏死，使得微耕機脫手在田間行走作業(yè)，在出現(xiàn)意外時無法及時停止，存在極大的安全隱患?，F(xiàn)在市場上甚至有銷售私自改裝的自鎖微耕機離合器手柄，自帶鎖死功能，是違反國家相關(guān)農(nóng)機使用規(guī)定的產(chǎn)品。（4）擋板。擋板多使用沖壓金屬板制成，且固定方式多為螺栓固定，外露部分較長，固定點需要承受較大載荷，使用壽命較短，而且農(nóng)民在擋板損壞后不愿意承擔更換費用。擋板材質(zhì)多為不透明材質(zhì)，不利于農(nóng)民觀察作業(yè)情況，且擋板妨礙更換功能套件，因此有些用戶直接拆除擋板使用。在出現(xiàn)意外情況時，無擋板的情況下，無法阻擋旋耕刀或者飛濺的泥土石塊，造成安全事故。

（二） 功能分析

功能分析是對工程系統(tǒng)中的系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件進行分析，并區(qū)分他們的特點和功能的分析工具[5]。對系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的組件進行分析，分析它們在系統(tǒng)中執(zhí)行的功能，找出有問題的組件（正常、不足、過量或者是有害），從而用于下一階段進行深入分析。

基于現(xiàn)有微耕機結(jié)構(gòu)圖（圖1）進行功能分析，建立系統(tǒng)功能模型圖（圖2）。

微耕機存在離合器手柄會使人手產(chǎn)生疲勞、旋耕刀易纏繞雜草、人被卷入旋耕刀、旋耕刀使灰塵石塊飛濺、飛濺的石塊損傷旋耕刀、不透明擋板阻礙用戶觀察作業(yè)情況等問題（表1）。

（三） 因果鏈分析

通過因果鏈分析，層層分析找到隱藏于問題背后的根本原因，從而全面徹底解決問題。對于微耕機維護成本高的問題，利用因果鏈分析得到因果鏈分析圖（圖3）。

通過因果鏈分析確定微耕機維護成本高的關(guān)鍵問題及相應的解決方案（表2）。

對于微耕機傷人的問題，利用因果鏈分析得到因果鏈分析圖（圖4）。

通過因果鏈分析確定微耕機傷人的關(guān)鍵問題及相應的解決方案（表3）。

（四） 裁剪

剪裁將系統(tǒng)中一個或者多個組件去除掉，但被去除的組件原有的功能可以用系統(tǒng)本身或者是引入超系統(tǒng)組件來替代，或者能將原本功能轉(zhuǎn)移到其他組件的方法。

（1）裁剪倒擋。對于體量較小的微耕機，基于裁剪規(guī)則B，使用掉頭代替倒擋（圖5）。

（2）裁剪離合器手柄?；诓眉粢?guī)則C，引入超系統(tǒng)組件替代離合器手柄原有的功能，如引入雙層扶手（圖6）。在符合人機功效的前提下，同時解決了閉合器手柄長時間握持容易產(chǎn)生疲勞的問題。

（五） 功能導向搜索

功能導向搜索是類似于關(guān)鍵詞搜索的搜索工具，在使用TRIZ理論尋找載體時，真正需要的是功能，而不是載體功能。導向搜索通過將關(guān)鍵詞限定在我們需要搜索的領(lǐng)域，從而提高尋找解決方案的效率。使用功能導向搜索解決因果鏈分析中得到的關(guān)鍵問題，分析如下。

使用功能導向搜索解決工程系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題1：

（1）旋耕刀工作時將人與旋耕刀阻隔開，在更換功能套件時擋板不會阻擋人的動作。（2）在航空航天中，為避免宇航員被宇宙射線輻射所傷，航天飛船配備輻射防護裝備。在日常訓練時防護措施呈收納狀態(tài)；在工作狀態(tài)執(zhí)行任務時，防護罩會展開覆蓋住需要保護的部件和人員。（3）借鑒航空航天中防輻射保護罩的折疊收納方式，考慮微耕機擋板在折疊狀態(tài)時如何收納、在展開時處于何種形態(tài)。

使用功能導向搜索解決工程系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題2：

（1）如何讓離合器手柄長時間握持不容易感到疲勞。（2）嬰兒車把手具有自鎖功能，在使用者松開后會鎖死輪胎避免滑移。嬰兒車把手為雙層把手設計，可單雙手握持。雙層把手相結(jié)合時，制動器松開，嬰兒車可以活動；當兩層把手相分離時，制動器相結(jié)合，嬰兒車自動鎖死。（3）借鑒嬰兒車把手所控制的制動器，對微耕機的離合器進行再設計，雙層把手分開時離合器斷開動力切斷。

使用功能導向搜索解決工程系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題3：

（1）將旋轉(zhuǎn)的旋耕刀刀頭和操作者分隔。（2）利用仿生學，參考甲蟲的鞘翅結(jié)構(gòu)在展開時能與內(nèi)部的膜翅不相干涉，在收納時能保護內(nèi)部柔軟的軀體。（3）將擋板設計為類似鞘翅的可活動結(jié)構(gòu)。

（六） 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾是在解決技術(shù)問題時為了達到某個目的需要改變某一個參數(shù)，但是隨著該參數(shù)的改變會帶來其他問題的情況。技術(shù)矛盾1：如果增加擋板的面積，那么提高擋板的防護性，但是微耕機的可維護性會降低。技術(shù)矛盾2：如果擋板不可移動，那么系統(tǒng)的復雜程度會降低，但是微耕機的維護性會變差。將技術(shù)矛盾中改善和惡化的參數(shù)轉(zhuǎn)化為39個通用技術(shù)參數(shù)（表4）。查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到如下創(chuàng)新原理（表5）。從阿奇舒勒發(fā)明原理列表中確定發(fā)明原理，應用發(fā)明原理的提示確定最適合解決技術(shù)矛盾的具體解決方案（表6）。

四、仿生長頸象鼻蟲的模塊化微耕機設計

利用TRIZ方法得出多個解決方案，對方案進行整理和評價，綜合成本、可靠性、可維護性、創(chuàng)新性等因素，提出仿生長頸象鼻蟲的模塊化微耕機設計，設計說明如下：

（1）產(chǎn)品整體造型仿生長頸象鼻蟲的簡潔有機形態(tài)。仿生甲蟲鞘翅采用連貫有機曲面對發(fā)動機外殼進行造型設計。整體配色依舊延續(xù)農(nóng)機產(chǎn)品的黑紅配色同時也與仿生對象相呼應。

（2）可活動折疊擋板設計。折疊方式仿生象鼻蟲鞘翅展開及折疊的形態(tài)和功能，同時借鑒空間站宇宙飛船太陽能板的折疊方式。在工作狀態(tài)時，兩片導軌產(chǎn)生向內(nèi)壓力，利用摩擦力將擋板相對位置進行固定，完全覆蓋旋耕刀頭以確保操作者安全。在更換套件時，張開較大的角度，不會阻擋操作者更換相應的功能套件。擋板通過平行四邊形結(jié)構(gòu)的槽口導軌以及手擰螺絲的固定效果，將橫向距離較長的擋板縮小折疊，整體橫向尺寸與行走輪的橫向尺寸相同或更小，便于放置與運輸。擋板能沿槽口活動，選擇合適的防護尺寸，防止剮蹭鄉(xiāng)間小道兩側(cè)的硬物，并且能夠阻擋灰塵和飛濺的石塊。

（3）離合器手柄設計借鑒嬰兒車把手的雙層設計，使用者將上層手柄與下層手柄相捏合，離合器接通動力傳輸。當出現(xiàn)意外或正常松開時，上層離合器手柄彈起，動力切斷。在突發(fā)意外時具有更高的安全性和操控性。即使是老年人，也能輕松分辨離合器手柄，不需要繁雜的記憶。該設計同時借鑒了長途騎行的公路車蝴蝶手把，提供更多的握持方式。這樣保證長時間握持的舒適性，解決因疲勞而引發(fā)的危險操作（如將離合器手柄纏死的情況）。在發(fā)生危險，離合器手柄不能停止或反應不及時情況下，可以按下急停按鈕停止發(fā)動機。

（4）發(fā)動機保護罩仿生了長頸象鼻蟲骨骼的曲面造型，將具有高溫、高速旋轉(zhuǎn)部件的發(fā)動機以及變速箱離合器等動力組件和使用者分隔開來，避免檢查或不經(jīng)意觸碰到滾燙的內(nèi)部器件，皮帶等活動部件也得到保護。保護罩將發(fā)動機和具有噪聲的排氣管與使用者隔離，具有消音器的排氣管讓長期工作的使用者不必再忍受發(fā)動機的噪聲。在維護時，將紅色保護蓋向上掀起，即可對內(nèi)部構(gòu)件進行維護保養(yǎng)以及檢查。基于模塊化設計理念，擋板與發(fā)動機保護罩整體分為兩個部分，中間使用轉(zhuǎn)軸固定，部件損壞后能夠進行方便的更換。

（5）在收納運輸方面，扶手仿生長頸象鼻蟲頸部的活動方式，可實現(xiàn)較大范圍的無級調(diào)節(jié)。收納時將扶手向前折疊，把手保持水平面不變，可折疊于發(fā)動機保護蓋之上。前端保險杠可作為搬運的后端扶手，方便提取。以農(nóng)村使用率最高的五菱宏光為例，整體尺寸能在后座放倒后裝入貨艙，也能裝入農(nóng)用車貨斗。

（6）簡化倒擋功能。為保證安全性，將倒擋裁剪掉，既提高系統(tǒng)的簡潔性，又避免掛錯倒擋將人撞倒卷入旋耕刀的安全事故?？紤]到在實際使用中倒擋的使用頻率較低，以及微耕機體量較小，使用微耕機掉頭以及折疊擋板縮小整體尺寸以減少轉(zhuǎn)彎半徑。

（7）空氣濾芯設計。將空氣濾芯的位置遠離塵土較多的底部，調(diào)整在扶手中，使用軟管與發(fā)動機相連接，既遠離了旋耕刀工作區(qū)域造成的揚塵，又在揚塵到達使用者之前將少部分揚塵吸收過濾，減少灰塵對操作者的影響。這樣既降低了發(fā)動機因為空氣含沙而拉缸的概率，延長其使用壽命，也提高了用戶的使用體驗。

五、總結(jié)

本研究基于TRIZ創(chuàng)新設計理論并結(jié)合仿生學設計理論，設計出適合個體農(nóng)戶且適用于山區(qū)小田塊作業(yè)的微耕機產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有更優(yōu)的安全性、使用效率、維護效率等特點。

參考文獻

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責編 / 馬銘陽