TRIZ理论在我国秸秆综合利用装备创新设计中的应用现状.pdf

2024 年 2 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart AgricultureTRIZ 理论在我国秸秆综合利用装备创新设计中的应用现状赵瑞芳1，李舒玥1，易阳1，2*，胥伟1，2（1.武汉轻工大学 食品科学与工程学院，武汉 430023；2.农产品加工与转化湖北省重点实验室，武汉 430023）秸秆是农业生产的木质纤维素废弃物，具有产量大、种类多、来源广和可持续性强等特点，每年可收集资源总量约 8.76 亿 t1。中共中央 国务院关于做好2022 年全面推进乡村振兴重点工作的意见中提出推进农业农村绿色发展要支持秸秆综合利用；农业农村部办公厅关于做好 2022 年农作物秸秆综合利用工作的通知 也明确，推进农作物秸秆的综合利用是提升耕地质量、改善农业农村生态环境、加快农业绿色低碳发展的重要举措。故综合利用的重点任务是：肥料化提升耕地质量；饲料化减少粮食消耗；能源化助力“双碳”工作；基质原料化培育富民产业。我国农业正经历由传统农业向现代农业的重要转型时期，农业装备发展水平是农业现代化程度和可持续发展水平的主要指标，而创新设计是实现农业装备现代化最有效的途径2。因此提升农机装备研发应用水平，强化现代农业基础支撑，是落实乡村振兴和农业农村现代化的工作要点之一。采用“中国知网”数据库检索名称中含“秸秆”的授权发明专利，通过主题频次发现秸秆综合利用装备创新要素主要聚焦于打捆和粉碎，对理论的创新方法却鲜有提及。而基于 TRIZ（Teoriya ResheniyaIzobreatatelskikh Zadatch）理论的创新方法对提升我国工业与农业领域的自主创新能力和知识产权保护能力起到了重要推动作用，尤其缩短了农机装备类产品的研发周期，增加了相关专利申报数量增强了企业创新能力和市场竞争力3。为此，本文通过总结 TRIZ 理论体系在我国秸秆综合利用装备创新设计方面的应用，旨为相关装备的创新升级提供有效途径。1TRIZ理论体系与应用方法由科学家 Genrikh SaulovichAltshuller 带领研究团队构建的 TRIZ 理论体系，总结了前人解决技术性难题过程中所遵循的科学原理和法则，形成一系列基于创新性思维的方法和方案，创造性解决新产品开发过程中的实际问题4。TRIZ 理论及方法广泛应用于我国工程技术领域，有效促进了农业装备的创新设计2，并逐渐基金项目：国家创新方法工作专项课题（2020IM020904）第一作者简介：赵瑞芳（1998-），女，硕士研究生。研究方向为食品营养。*通信作者：易阳（1986-），男，博士，教授。研究方向为果蔬加工与营养。摘要：秸秆综合利用是推进农业和农村绿色发展的重要举措之一，其对落实乡村振兴战略有重要意义，而配套装备的创新设计与研制是实现秸秆规模化和高值化利用的基础保障。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理论是促进自主创新能力的有效工具，该文概述 TRIZ 理论体系的应用方法及其在秸秆打捆、粉碎和成型装置与一体机研发方面的实践，梳理其存在的问题和创新关键，旨为秸秆综合利用装备的全面升级改进提供参考。关键词：TRIZ 理论；秸秆；装备；创新方法；综合利用中图分类号院S157文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤02-0010-05Abstract:Comprehensive utilization of straw is one of the important measures to promote the green development of agricultureand rural areas,which is of great significance to the implementation of Rural Revitalization Strategy.The innovative design anddevelopment of supporting equipment is the basic guarantee to realize the large-scale and high-value utilization of straw.TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch)theory is an effective tool to promote independent innovation ability.This papersummarizes the application method of TRIZ theory system and its practice in the research and development of straw bundling,crushing and molding devices and all-in-one machines,and analyzes its existing problems and innovation keys,aiming to providereference for the comprehensive upgrading and improvement of straw comprehensive utilization equipment.Keywords:TRIZ theory;straw;equipment;innovative methods;comprehensive utilizationDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.02.00310-2024 年 2 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业延伸至服务创新、知识创新等非工程技术领域5。TRIZ 理论的应用通常包括 4 个步骤（图 1）：淤问题描述，即阐明对象系统的功能、组成及主要技术参数，提出存在的问题与解决目标；于问题分析，即通过因果链分析、系统功能分析、理想解 IFR（Ideal FinalResult）、九屏图法和资源分析等对问题进行定义；盂问题求解，基于矛盾分析、物-场分析、创造性方法（STC算子、小人法和金鱼法）、科学效应库和技术系统进化法则等提出解决问题的概念方案；榆方案评价与验证，即从经济性、可实施性和先进性等多方面评价所提方案，确定适宜方案及其组合2，6。2基于TRIZ理论的秸秆打捆装备创新研发目前在秸秆回收的典型方法中，打捆收获法因劳动生产率高、损失率小且投入成本低等特点更易推广应用7。其中，圆捆打捆机价格适中，可与包膜机配套使用，在小型农场秸秆收割中广泛使用；而方捆打捆机的秸秆捆密度高，可连续作业，用于大中型农场收割8。打捆机研发主要集中在捡拾装置、喂入系统、打捆室和捆绳缠网机构等方面的改进与应用7。而基于 TRIZ 理论的秸秆打捆装备研发主要涉及喂入系统、打结器、卷捆机构、压捆室和一体机等的创新设计（表 1）。针对秸秆喂入稀松导致方捆形状不规则的问题，可构建方捆机工作的功能模型。罗金海等9基于三轴分析法挖掘秸秆喂入不足的根本原因，采用技术进化理论、物-场模型、时间分离原理和功能剪裁形成 4 种解题方案，经分析评价后获得最优方案，即在输送腔中增加挡爪机构产生秸秆预压缩区域。此外，预压缩区的设计也可提高圆捆机的工作效率。圆捆机完成卷捆后需要停车来继续捆网和吐捆动作，间断作业导致燃油消耗增加和工作效率降低。以结合系统功能分析和因果分析明确解决问题为着力点，孙文婷等10基于物理矛盾理论提出在喂入机构后方增设带式预压缩区的解决方案。而预压缩区亦可衍变成预捆室，基于物-场理论构建双捆室机构。双捆室的设计有效解决了圆捆机连续作业过程中捆绳与物料缠绕的问题，不仅提升了圆捆效率和规则率，还避免了家畜误食捆绳的危险10-11。马赛等11在功能分析、因果分析、资源分析和最终理想解描述的基础之上，基于物理矛盾解决的分离原则（空间分离）和物-场理论的发明问题标准解法（消除有害作用），提出构建双成捆室的最优方案，表明实现不同直径的圆捆作业也是成捆室创新设计的重要方向。韩锰等12通过功能分析和因果轴分析明确了成捆室直径不可变的 2 个原因，并分别通过技术矛盾分析和物-场模型分析获得解决方案，创新设计可变室成捆室。秸秆在成捆过程中，捆料直径不断增加，仓室压力随之增大易导致仓室闭合不紧，捆料密度降低，成捆效果差。为此赵小娟等13结合技术矛盾分析（预先作用）和物理矛盾分析（时间分离），选择设计加装单向电磁阀，通过液压压力的单向调节保证仓室完整闭合，使捆料图 1TRIZ 理论工具的应用步骤技术系统进化法则方案评价与验证40个发明原理分离原理39个通用工程参数及矛盾矩阵76个发明问题标准解法形成解决概念方案物理矛盾技术矛盾ARIZ算法问题描述问题分析功能分析及剪裁因果链分析九屏图法资源分析理想解IFR问题求解物-场分析创造性工具科学效应库矛盾分析11-2024 年 2 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture密度提高了 35%。稻秆形成圆捆主要依靠成捆室的钢锟旋转，若无法及时成卷，易发生堵塞（缠辊），主要原因是：草芯与卷捆室侧壁间摩擦阻力较大，但钢辊对草芯的摩擦动力不足。基于物-场模型理论，李叶龙14提出针对性解决方案，其一是改变原有物质去除有害效应，即采用旋转圆盘代替单侧卷捆室侧壁，以消减草芯两端与卷捆室两侧的摩擦力；其二是强化原场提高效应，即改进钢辊以增加其对草芯的摩擦力。打结器架体作为捡拾压捆机的核心部件，其易损坏且维修更换难度大。马赛等15通过因果分析和功能分析，基于物-场分析和技术矛盾分析形成解决方案，在打结器架体的各轴孔内均镶嵌一个具有较高抗压性、散热性、抗蠕变力和摩擦性能的工程塑料自润滑轴套，弥补原有系统润滑作用不足的缺点，降低打结器的损坏频率至平均 11.5万捆/个。除单一构件和系统外，TRIZ 创新理论还能有效指导整机的设计优化。阿斯嘎等16利用 TRIZ 理论的分离方法原理和组合方法原理设计圆捆缠膜一体机，其采用独立的液压系统和电子控制系统，使圆捆成形和缠膜实现组合和分离作业。同时，采用“预先作用法”设计捡拾喂入器的反转棘轮，解决秸秆喂入堵塞的问题。基于九屏图法分析，应用重力传感器提升捆料密度监测的准确度16。王建强17通过矛盾分析，利用 4 个发明原理创新了青贮装备整机布局的生态设计，并改进了打捆装置关键部件，显著提升了作业性能和效率。研究对象 功能分析 及剪裁 因果链 分析 九屏 图法 资源 分析 理想解 IFR 技术 矛盾 物理 矛盾 物-场 分析 创造性 工具 科学效 应库 技术系统 进化法则 方捆机预压缩机构9 圆捆机预压缩机构10 圆捆机双成捆室11 圆捆机可变压捆室12 圆捆机成捆系统13 辊盘式卷捆机构14 D 型打结器15 圆捆缠膜一体机16 青贮一体机17 自走式青饲机喂入液压反转机构18 同步进给斩切装置19 微粉碎机6 粉碎成型一体机20 压块成型机21 压块成型机22 生物质成型机23 燃料成型机24 皮穰分离机25 3基于TRIZ理论的秸秆粉碎与成型装备创新研发粉碎是秸秆综合利用过程中不可或缺的关键环节，我国秸秆粉碎设备在能耗、成本、工作稳定性、操作适宜性和使用寿命等方面还有待改进26，尤其是缺少规模化和超细化的粉碎设备27。秸秆收获过程可能因切割不畅导致喂入堵塞以及收获效率低的问题，传统的切碎滚筒通过机械结构反转解决堵塞，但其操作繁琐、耗时且安全性差。华荣江等18采用 IFR、九屏图、技术矛盾和物-场模型等分析上述问题的解决方案，创新改进了滚筒的切碎工艺以及主动盘的结构与控制系统。祝志芳等19通过技术矛盾分析，将稻秆粉碎机分为 2 个模块，分别创新设计“曲轴同步进给机构”和“弹性斩切机构”，解决了“缠轴铰刀”的问题。为了提高秸秆微粉碎效率、降低粉碎粒度，付敏等6应用 TRIZ 理论指导秸秆微粉碎机的概率设计：基于功能分析和科学效应确定微粉碎方法（冲击式），通过因果链分析、九屏图法、理想解 IFR、系统功能分析、矛盾分析、功能裁剪和资源分表 1TRIZ 理论工具在秸秆综合利用装备创新研发中的应用12-2024 年 2 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业析等 TRIZ 工具对粉碎机构、分级机构和入料机构进行创新设计。李锐20采用创新设计模型，针对粉碎部件和成型部件开展一体机的改进设计。利用系统外资源，采用立式粉碎结构，省去传统粉碎机中的吸风装置，节省了能耗并简化了装备。通过矛盾分析和物-场模型分析系统改造了分级粉碎室结构与内部构件，一级粉碎室采用 360毅环齿板增加摩擦撕裂效果，二级粉碎室配备异形环筛网、刮刀和改进型 L 锤片等提高粉碎和过筛效率。而对于成型部件，在辊轮的外圆上设计同步齿形带式梯形齿改善成型效果，利用碟形弹簧实现压轮轴与旋转主轴的柔性连接，采用耐磨材料制造辊轮外圆与轮芯的模孔套以降低平模的磨损。秸秆经过不同程度粉碎后，通过机械加压可以制成颗粒饲料、成型燃料和人造板等产品以提高经济效益。张妍等21针对立式环模成型设备生产率低和能耗高的问题开展创新设计，通过 IFR 和资源分析确定设备的系统矛盾和需解决的工程参数，根据资源和冲突现状选择和组合发明原理：将成型室中的模块设计成独立、可拆卸的分体式；对模块和压辊表面进行混合粉末喷涂以提高耐磨强度；将模块改进为非对称形式，定位孔中心线与环模孔中心线偏差 4.3毅；用双层模块替代单层模块以提高生产效率；将三相异步电动机配备变频调频器，以便调节转速且节省能耗。张水22通过功能导向搜索和科学效应库分析发现，代表性秸秆压块成型设备中环模压辊成型机生产效率高、产量大且压块密度均匀，故而选择该类设备作为新产品设计的原型系统。结合功能分析、物-场模型和矛盾分析，采用扩展-裁剪、特性转移、结构属性改变和参数属性改变，共获得 23 个概念解，经评价与综合形成双层辊模咬合式挤压的新型秸秆压块成型机概念设计方案，并验证了模型的有效性。此外，由于环模压辊式成型机还存在可靠性差、辊模磨损严重、原料适应能力差等问题，刘威23采用技术矛盾的 39 个通用工程参数及矛盾矩阵，将压辊和环模盘改为行星轮式的具有咬合功能的辊模，同时采用耐磨材料制造压辊表层，可减小与秸秆散粒的摩擦面积并增大挤压压强。基于此，进一步通过技术系统进化法则，增加智能化（可调节式远程指令操作）、柔性化（适应环境状况）和功能化（静电场）的设计元素，付敏等24基于技术系统进化及物场变换构建了流程化的功能裁剪设计模型，将该模型应用于秸秆燃料成型机改进，创新性地设计了一种立式双孔辊模咬合式成型机，验证了设计模型的可行性和有效性。4结束语秸秆处理装备的研发、生产与应用是促进秸秆资源综合利用的重要驱动，目前尚存在诸多难题。例如，通用设备的作业效果差，改进或专业的加工机械应用范围小、效益低、推广难，自动化和智能化程度亦相对不足。一些零部件和先进技术依赖进口，导致制造成本较高，尤其是规模化装备的售价往往超出了农户或合作社的购买力。TRIZ 理论是快速提升自主创新能力的有效工具，其在多个行业领域得到长期的应用实践和检验。然而，该理论在我国农业装备创新设计领域的应用尚处于初级阶段，存在的问题包括2：创新设计理论和方法的融合有所欠缺；支撑创新设计的基础数据库尚未建立；产品创新概念设计成果不易推广和应用；对TRIZ 基础理论及工具运用的教育培训相对不足。当前，TRIZ 理论在我国秸秆综合利用装备创新领域的应用局限于“打捆”“粉碎”和“成型”3 个方面，涉及的装备种类、人员队伍和方法模型都有待于进一步扩充。且在相关技术领域，尤其应聚焦：智能化监控技术的融合；不停机连续作业技术的设计；较高适应性、柔性和精准性技术的突破，以期为秸秆综合利用装备的全面升级改进提供理论与方法支撑。参考文献院1 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