基于TRIZ-AD的集成式油菜气力精量排种装置设计.pdf

基于 TRIZ-AD 的集成式油菜气力精量排种装置设计郑娟1，廖宜涛1,2，廖庆喜1,2，王磊1，施彬彬1，孙迈1（1.华中农业大学工学院，武汉430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉430070）摘要：针对现有气力式播种机排种装置的传动和供气系统复杂、机械结构无法适配智能变量作业、气力供给风压消耗大且稳定性差等问题，该研究应用发明问题解决理论（theoryofinventiveproblemsolving,TRIZ）与公理化设计（axiomaticdesigntheory,AD）方法，开展油菜气力精量排种装置设计。首先使用 TRIZ 技术成熟度预测和进化定律分析，阐明了排种技术发展阶段和进化路径及潜力；其次建立基于 TRIZ 和 AD 集成的设计过程模型，求解时在功能域到结构域映射过程中引入 TRIZ 工具，采用“冲突解决原理”解决现有排种装置中涉及的传动系统、供气系统矛盾冲突，分析对改善结构参数有用的发明原理和对应的方案，最终确定电机直接驱动排种盘和风机内置气室的解决方案，构造并求解其原始设计矩阵，并通过独立公理和信息公理判断该解决方案的合理性及最优化。最后进行电机风机集成式油菜气力精量排种装置设计，确定电机风机同侧排布技术方案，集成电机驱动简化传动，集成风机取消输气管道降低风压损失。台架试验结果表明，设计的集成式排种器排种性能满足油菜单粒排种要求，吸种负压绝对值取 1.02.0kPa、作业速度小于 7km/h 时，排种合格指数均大于 90%，且合格指数达到 90%需要的风压低于现有排种装置风机和输气管道布局所需风压。本研究可为气力式排种器设计提供思路和参考。关键词：农业机械；播种机；精量排种；风机集成；TRIZ；AD；技术矛盾doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202303182中图分类号：S223.2文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-14-0049-11郑娟，廖宜涛，廖庆喜，等.基于 TRIZ-AD 的集成式油菜气力精量排种装置设计J.农业工程学报，2023，39(14)：49-59.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303182http:/www.tcsae.orgZHENGJuan,LIAOYitao,LIAOQingxi,etal.DesignoftheintegratedprecisionpneumaticseedmeteringdeviceforrapeseedusingTRIZ-ADJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(14):49-59.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303182http:/www.tcsae.org0引言播种是农业生产的关键环节，高性能播种技术与装备是现代农业生产技术的基础。排种装置作为机械化播种关键技术的载体，有机械式、气力式、机械气力组合式等，是提升播种质量的关键1-4。气力式排种利用气流差完成取种、携种等动作，相对机械式排种依靠重力取种，播种精度较高且不易伤种，被广泛应用于种子精密播种作业5。油菜种子籽粒小、质量轻、表皮薄且流动性好，采用正负气压组合的排种装置完成种子群的有序分离，可有效降低破损和堵塞现象，满足提高播种精度、节约种子的精准作业要求6。目前开发的油菜排种装置已基本满足播种要求，研究主要集中在机械结构、机理分析、性能提升和仿真模拟、播种监测等方面7-10，受其驱动结构和供气系统的限制，气力排种技术系统的机械结构与高速精准、智能变量的播种趋势间存在矛盾；同时播种机风机动力来源于拖拉机，机械驱动风机导致风量随着田间作业环境波动，稳定性差；且风泵和输气管道组合供压方式易导致能量损失。随着高性能播种和高速智能要求的发展，播种机以电机驱动替代地轮驱动成为发展趋势11。为探究气力排种系统在实际生产作业时受负载变化、地表特征等的影响，以减少气力波动，科研人员对负压特性和风机参数匹配开展了试验12；为均匀分配气流并减少空气输送过程中的风压损失，相关学者对气流分配管道进行研究，将风机出口多支线直接与排种器连接供压，或将主管道分为两部分，再由子支线重新分配给各个排种装置13，或对其分配头结构进行设计、模拟仿真等14，但都无法从根源减少风压波动及损失。公理设计理论（axiomaticdesigntheory,AD）将设计建立在科学基础上，通过理性的逻辑思维方式改善设计过 程15-16；发 明 问 题 解 决 理 论（theory of inventiveproblemsolving,TRIZ），是一套基于技术发展演化规律研究整个设计开发过程的科学方法和创新思维17-18，在播种、耕作、收获等机具设计中发挥了很大作用19-22。在 AD 功能需求到设计参数的映射过程中引入 TRIZ，弥补 AD 设计解的不足，而 AD 为 TRIZ 提供现成的问题分析，两者在功能结构上互补，集成使用可有效提高产品设计效率和质量23-25。收稿日期：2023-03-26修订日期：2023-07-06基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFD2000403）；国家自然科学基金项目（51975238）；国家油菜产业技术体系专项（CARS-12）；湖北省农机装备攻关项目（HBSNY202207）作者简介：郑娟，博士生，研究方向为油菜播种技术与装备。Email：通信作者：廖宜涛，教授，博士生导师，研究方向为现代农业装备设计与测控。Email:第39卷第14期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.142023年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJuly202349本文针对现有油菜气力式排种装置的传动和供气系统的不足，结合排种技术系统成熟度预测，给出顺应进化趋势的排种技术发展方向；建立 TRIZ-AD 理论集成设计模型，基于 TRIZ-AD 设计理论进行油菜气力式排种装置设计研究，明确传动复杂、机械结构无法适配智能变量播种作业和气力供给风压消耗大、可靠性差等问题的解决方案，剖析如何解决设计中的冲突问题，拟为排种装置开发提供设计理论和方法参考。1基于 TRIZ 的排种技术分析1.1排种技术成熟度预测技术成熟度是国际上广泛用于重大科技攻关和项目工程进行技术成熟程度量化评价的规范性方法，在宏观上表现为技术对产品性能的实现程度。在一定时间内，评估系统的成熟度水平及其发展趋势，可以明晰解决问题的过程，或更好地预测待解决问题的解决方案。为明确排种技术发展演变过程及其技术瓶颈，以大为全球专利数据库中 18802022 年关于“排种”主题的专利进行统计分析，绘制其专利技术生命周期图26。由图 1 可知，18802000 年排种技术相关专利数量有限，可视为技术萌芽期；随着农业机械化对排种技术需求的增长和技术开发的提升，相关专利数量快速攀升，技术研发进入发展期，期间不断对新产品改进优化，推出更高性能产品，2017 年申请人和申请量均达到峰值，排种技术迅速成长，20002017 年可视为发展期；此后申请量缓慢下降，排种技术进入成熟期，到达成熟期后排种性能参数、效率等指标提升空间较小；而衰退期研发投入重点集中在进一步提高产品性能的新技术上，对控制、传动、高速变量高性能、方法等方面专利申请增加。188019811988199120002003200620082009201020112012201320142015201620172018201920202021202203006009001 2001 5000100200300400500600申请人数Number of applicants件数Number of cases萌芽期Germination stage发展期Development stage成熟期Mature stage衰退复苏期Recession recovery stage图 1排种技术生命技术周期图Fig.1Seedingtechnologylifecyclediagram分析专利内容可知，最早的机械式排种技术专利出现在 1880 年，在机械式排种装置结构设计及技术优化进程中，气力式排种技术相关专利出现；由于气力式排种技术适应性强、易实现精量播种作业，且机械制造、风机等的产业发展为气力式排种装置结构创新提供了技术支撑，随后气力式排种技术专利申请数量增加，播种对象日趋丰富，结构持续优化至性能基本达到最优；2017年后，排种装置相关专利申请数量持续减少，此过程基本呈现了气力式排种技术系统的完整进化周期。当技术系统的进化完成 4 个阶段后，必然会出现新的技术系统，不断循环形成 S 曲线族27，判断当前排种技术系统处于衰退复苏期，产业技术在迭代中。1.2排种系统进化路径分析技术进化理论是 TRIZ 的核心理论之一，其技术系统演变的 8 个模式为：1）技术系统演变遵循萌芽、发展、成熟和衰退的生命周期；2）技术系统演变趋势是提升理想度；3）矛盾的产生是由于系统中子系统开发的不均匀性；4）首先是部件匹配，然后失配；5）技术系统首先向复杂化演进，然后通过集成向简单化发展；6）由宏观向微观转变，即向小型化和增加使用能量场演进；7）向增加动态化和可控化发展；8）向增加自动化减少人工介入演变。通过技术进化法则可发现不断提高理想化水平是产品创新的目标27。由排种技术成熟度预测结果可知，其技术系统演变符合 S 曲线进化法则，遵循模式 1）；排种技术从相对粗放的撒播、条播技术逐渐向行株距均匀分布、种植密度合理可控的精准播种发展，理想化水平不断提高，遵循模式 2）；现有气力排种器机械结构基本满足作物种植要求，气力吸种方式更适应高速播种，但传动系统、供气系统、控制装置等子系统发展不均衡，如现有排种系统地轮驱动方式在高速作业、精准变量作业发展趋势下难以满足稳定性要求，气力式播种机供气方式不适应机具田间作业工况波动，也不能实现兼用排种的气力参数调控，结合模式 3）和 4），机械结构、传动、气力和控制等子系统的不均衡发展会导致排种进化系统出现矛盾，解决快速进化的子系统与较慢进化的子系统间产生的矛盾，从而提升整个排种系统的进化阶段。结合技术系统演变规律和 TRIZ 进化法则27，排种系统向集成简单化、微观化和可控化、自动化进化路径发展。2TRIZ 与 AD 的集成设计2.1集成设计流程AD 设计从产品功能出发，寻求满足功能要求的解，理论性较强，可给出评判设计公理，但无法形成解决问题的具体方法，把 TRIZ 引入到 AD 中的功能需求到设计参数的映射过程，结合 TRIZ 工具解决冲突，能够使设计更接近实际，两者在功能与结构上互补，组合应用能最大化发挥彼此优点。总结基于 TRIZ 和 AD 的集成设计流程如图 2。2.2基于 TRIZ 的排种系统技术矛盾分析气力排种系统由气力系统、传动系统、排种装置等多功能部件组成，气力系统大多由风机和输气管道组成。在对现有排种产品设计或改进的过程中，可能会出现一个子系统或元件有相反的、矛盾的冲突，即发生物理参数优化方向的矛盾冲突，也可能会出现技术系统中某个参数或特性的改善引起另一参数或特性的变化，即多个子系统参数相互促进、相互制约的技术细节间的冲突27。50农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年TRIZ 理论的核心是解决矛盾，通过克服设计中不断产生的矛盾达到技术系统的进化，因此本文采用“冲突解决理论”对现有气力排种系统中出现的技术冲突进行化解，辅助油菜气力精量排种系统的改进设计。分析装置基本功能建立功能需求矢量建立设计参数矢量建立原始设计矩阵是否满足独立公理多种方案单一方案否是计算信息量信息量最少改进成功物理冲突TRIZ工具箱TRIZADAD设计技术冲突分离原理标准解改进后的设计矩阵技术矛盾解决法物理矛盾解决法技术实施方案评估和关键部件参数设计集成式排种器排种性能验证图 2基于发明问题解决理论（TRIZ）和公理设计理论（AD）的集成设计模型Fig.2IntegrationdesignmodelbasedonTRIZ-AD(theoryofinventiveproblemsolvingandaxiomaticdesigntheory)TRIZ 解决工程问题技术矛盾的方法步骤为聚焦问题、找出问题矛盾点、对照 TRIZ 工程参数、使用矛盾矩阵，最后提出解决方案。梳理现有气力排种系统存在的问题，主要有如下几个方面：问题一28-29：目前气力播种机大多以地轮链轮驱动，排种器依靠地轮提供动力，高速作业时滑移率升高，排种速度与机具速度不一导致排种性能大幅下降，经营主体对高速高效生产的追求与排种机械结构出现冲突。链传动效率较低，链轮传动振荡对系统稳定性不利，故障率高，且链轮体积庞大，机具质量增加。问题二30-31：现有气力式排种器动力由拖拉机后输出轴提供或汽油机提供，动力波动影响风机风压；排种过程中工作负压需求大，所需风压来自体积、质量较大的旋涡风泵，气流经管道连接传输至排种器，经弯曲管道供压后损失较大、稳定性差，且管道排布复杂，空间利用率低。问题三32-33：高速高性能排种发展趋势下，作业速度增加导致型孔充种时间缩短，种群离散度较低、流动性差，整机作业性能下降。问题四1：播种精度、播种量、播种深度等无法精确控制，智能化程度低，无法自适应控制，整机性能和可靠性较差。本文意在解决现有气力排种装置的传动系统复杂、输气管道排布和风压损失问题，即问题一、二。2.3基于 AD 的排种系统功能结构分析AD 是一种结构设计方法，其理论可归纳为 5 个主要概念：域、层次分解、Z 字形映射、设计方程和设计公理。AD 将设计空间划分为用户域、功能域、结构域和过程域，基于 AD 的设计是由用户需求驱动、域与域之间的映射关系，相邻域中特征向量间的映射关系可借助设计方程描述，功能域的功能需求与结构域的设计参数之间的关系如式（1）34。FRm1=AmnDPn1（1）FRm1DPn1Amn式中为功能需求矢量，为设计参数矢量，为设计矩阵，矩阵中的元素表明功能域和结构域中特征矢量的相关性。实际过程中可对功能需求与设计参数分层分解，如图 3。功能域Functional domain结构域Structural domainFRFR1FR11FR12FR2DPDP1DP21DP22DP2注：箭头代表映射关系示意，FR为功能需求，DP为设计参数。可按需进行域中层次分解。Note：Arrowsrepresentmappings,FRisfunctionalrequirement,DPisdesignparameter.Domainleveldecompositioncanbeperformed.图 3相邻域层次分解及 Z 字形映射Fig.3Hierarchicaldecompositionofadjacentdomainsandzigzagmapping气力式播种机的整机结构主要包括风机、传动系统、输气管道、排种装置、施肥装置和开种沟装置等，如图 4。结合 AD 理论对现有气力排种系统进行传动和供气子系统功能结构分析，田间播种作业时，传动功能结构中，拖拉机带动地轮行走，地轮通过链轮组驱动排种器主轴工作，可能对传动功能产生影响的问题有地轮打滑、链轮振荡等，且传动机械结构不适应高速变量作业；供气功能结构中，风机动力来源于拖拉机，风压经输气管道输送至气室，可能对供气功能产生影响的问题有动力不稳、风机输气管道排布复杂和风压损失。123 456789101.排种装置2.排肥装置3.输气管道4.风机5.悬挂装置6.传动系统7.旋耕装置8.开畦沟装置9.平土拖板10.开种沟装置1.Seed metering device 2.Fertilizer metering device 3.Gas pipeline 4.Fan5.Suspension mechanism 6.Transmission system 7.Rotary tillage device8.Furrowopenerdevice9.Landleveler10.Seedfurrowopener图 4油菜气力式播种机整机结构Fig.4Pneumaticseederstructureforrapeseed第14期郑娟等：基于 TRIZ-AD 的集成式油菜气力精量排种装置设计51AD 设计有两个核心评判法则，独立公理和信息公理，即实现每一个功能需求的事件相互独立，具有最小信息含量的设计为最佳设计。通过设计矩阵来判断产品设计功能的独立性，设计矩阵有 3 种类型：非耦合设计、解耦设计和耦合设计，设计为非耦合设计时代表产品功能相互独立，设计方案可行34。通过上述分析可知，现有气力式油菜排种装置的传动和供气子系统功能不具备独立性，均受拖拉机动力源的影响。因此需要对现有设计方案优化改进。2.4基于 TRIZ-AD 的设计方案求解2.4.1面向功能域的功能需求矢量为研究结构与功能间的关系，需要定义设计功能和设计参数，并通过两个设计公理对设计的合理性及最优化进行判断。现有气力式排种装置虽能满足气力排种功能要求，但存在播种机的传动复杂、气压供给不稳、地轮驱动打滑、播种量和气力参数可调整性差等问题，需要优化传动系统（FR1）和优化风压系统（FR2）。采用基于 TRIZ-AD 的产品集成设计方法优化改进现有气力式排种装置结构，将 FR1、FR2功能需求分解，建立该产品的功能需求矢量，如式（2）。FR11FR12FR13FR21FR22FR23=降低传动复杂度，降低故障率提高传动稳定性机械结构适合高速变量排种趋势减少管道排布，降低风压损失稳定供给气压气力参数可调（2）2.4.2面向结构域的设计参数矢量为将抽象的设计目标变成具体的设计内容，针对功能域中的功能需求矢量，在物理域中确定实现各功能需求的设计参数矢量，即由设计参数实现功能需求，对实现传动、风压功能 FR1、FR2的设计参数 DP1、DP2求解。基于“冲突解决原理”进行传动和风压部件设计。1）求解设计参数 DP1播种机作业源为拖拉机或高速电机，通过皮带、齿轮和链条等将动力传送至排种器主轴，现有国内市场上气力播种机传动问题如前文所述问题一。运用 TRIZ 理论中 39 个通用工程参数27描述传动系统存在的技术冲突，将问题一矛盾冲突归纳为：13 结构的稳定性（传动结构简单且平稳）、27 可靠性（提高排种可靠性）、30 物体外部有害因素作用的敏感性（田间作业环境和机械系统对播种性能的有害作用减小）、38自动化程度（改善排种株距的调节方式）与 26 物质的量（链轮结构等的数量改变）、36 设备复杂性（排种器自身结构复杂度提高）、37 控制复杂度（排种转速控制不易）之间的矛盾，在阿奇舒勒矛盾矩阵中定位改善和恶化通用工程参数交叉单元后，确定符合条件的发明原理，结合面临的具体问题，参考发明原理找到解决方案。列出矛盾冲突矩阵表中适合于本冲突的子矩阵，如表 1。表1传动系统矛盾冲突矩阵Table1Conflictmatrixfordrivesystem改善的通用工程参数Improvedgeneralengineeringparameters恶化的通用工程参数Deterioratedgeneralengineeringparameters26 物质的量26Quantityofmatter36 设备复杂性36Devicecomplexity37 控制复杂度37Controlcomplexity13 结构的稳定性13Structuralstability#35、#22、#39、#2327 可靠性27Reliability#21、#28、#40、#3#13、#35、#130 物体外部有害因素作用的敏感性30Sensitivitytotheactionofexternalharmfulfactors#35、#33、#29、#31#22、#19、#29、#4038 自动化程度38Degreeofautomation#34、#27、#25注：各序号代表的发明原理为：#1.分割#3.局部质量#13.反向作用#19.周期性作用#21.紧急行动#22.变害为利#23.反馈#25.自服务#27.廉价替代品#28.机械系统的替代#29.气动与液压结构#31.多孔材料#33.同质性#34.抛弃或再生#35.参数变化#39.惰性环境#40.复合材料。下同。空白部分表示不存在矛盾。Note:Eachnumberrepresentstheprincipleofinventionasfollows:#1.Segmentation#3.Localquality#13.Reverseaction#19.Periodicaction#21.Emergencyaction#22.Turnharmintogood#23.Feedback#25.Self-service#27.Cheapalternatives#28.Mechanicalsystemreplacement#29.Pneumaticandhydraulicstructure#31.Porousmaterials#33.Homogeneity#34.Discardorregenerate#35.Parameterchange#39.Inertenvironment#40.Compositematerials.Thesamebelow.Theblankpartindicatesthatthereisnocontradiction.对表 1 中的所有发明原理进行分析，了解各发明原理的具体描述，根据面临的具体问题筛选有价值的发明原理，对结构的稳定性工程参数有价值的发明原理有#23（反馈：引入反馈以改善过程或动作）、#35（参数变化：几何、化学和物理参数的变化）；对可靠性工程参数有价值的发明原理有#21（紧急行动：快速执行某一行动，以消除有害的副作用）、#28（机械系统的替代）；对物体外部有害因素作用的敏感性有价值的发明原理有#29（气动与液压结构）；对自动化程度工程参数有价值的发明原理有#25（自服务）、#34（抛弃或再生）。改善问题一结构参数对应的方案如表 2。表2改善结构参数对应的方案（问题一）Table2Improvetheschemecorrespondingtostructuralparameters(problem1)改善工程参数Improvedengineeringparameters原理Principle方案Scheme结构的稳定性Structuralstability#23A1：引入排种监测系统，根据排种情况实时调节传动比#35B1：将庞大的地轮链轮传动系统简化为电机带动排种器一侧小链轮组驱动种盘主轴或取消链轮结构可靠性Reliability#21C1：缩短传动布局，以最快的速度完成传动操作#28D1：用电场、磁场、电磁场完成与物体的相互作用，如电机带动种盘主轴物体外部有害因素作用的敏感性Sensitivitytotheactionofexternalharmfulfactors#29E1：采用气动或液压传动自动化程度Degreeofautomation#25G1：排种器本身自带传动系统#34H1：抛弃庞大的链轮组由表 2 可知，为使传动结构稳定、减少因机手或田间作业环境等对均匀排种造成的有害作用、提高可靠性52农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年和自动化程度，对表 2 中的方案进行可行性分析，综合方案 B1、D1、G1、H1，抛弃庞大的链轮组，采用电驱动方式作为排种动力源，代替原有地轮链轮驱动，市场上现有电驱动播种方式主要有电机驱动传动机构进而驱动排种器主轴；种盘结构自带啮合齿，电机主轴驱动齿轮进而驱动种盘转动；或者直接驱动排种器主轴等形式35，上述 3 种电驱动方式对播种作业速度的控制来源于对电机转速的调节，避免了庞大的地轮链轮传动机构，转速调节受田间作业环境影响较小，适应高速高效发展趋势。为简化结构，采用电机配合法兰盘直接驱动种盘方式，对驱动电机进行选型，结合排种盘的稳定工作扭矩，选择行星减速步进电机，型号为 42HS40-020，减速比为 1:20，保持力矩 3.96Nm，质量为 780g，允许轴向和径向负载为 420、460N。2）求解设计参数 DP2气力式播种机风机及其配套部件失效时易导致无法顺利播种，因此顺利建立稳定的正压、负压环境尤为重要。运用 TRIZ 理论中 39 个通用工程参数描述风压系统存在的技术冲突，问题二矛盾冲突问题可归纳为 8 静止物体的体积（改善风机大小）、22 能量损失（改善风压损失）、30 物体外部有害因素作用的敏感性（气力播种机受到田间环境影响易出现转速波动，风机转速变化导致稳定性差）和 12 形状（物体形状变化）、26 物质或事务的数量（风机管道减少）、36 装置的复杂性（排种器自身结构复杂度）、37 控制复杂性（风压控制）之间的矛盾。列出矛盾冲突矩阵表中适合于本问题的子矩阵，如表 3。表3风压系统矛盾冲突矩阵Table3Conflictmatrixforpneumaticsystem改善的通用工程参数Improvedgeneralengineeringparameters恶化的通用工程参数Deterioratedgeneralengineeringparameters12 形状12Shape26 物质的量26Quantityofmatter36 设备复杂性36Devicecomplexity37 控制复杂度37Controlcomplexity8 静止物体的体积8Thevolumeofastationaryobject#7、#2、#3522 能源浪费22Energywaste#7、#18、#25#7、#2330 物体外部有害因素作用的敏感性30Sensitivitytotheactionofharmfulfactors#22、#19、#29、#40注：各序号代表的发明原理为：#2.分离#7.嵌套#18.振动#19.周期性作用#22.变害为利#23.反馈#25.自服务#29.气动与液压结构#35.参数变化#40.复合材料。下同。空白部分表示不存在矛盾。Note:Eachnumberrepresentstheprincipleofinventionasfollows:#2.Separation#7.Nesting#18.Vibration#19.Periodicaction#22.Turnharmintogood#23.Feedback#25.Self-service#29.Pneumaticandhydraulicstructure#35.Parameterchange#40.Compositematerials.Thesamebelow.Theblankpartindicatesthatthereisnocontradiction.对表 3 中的所有发明原理进行分析，筛选对风压系统面临的具体问题有价值的发明原理，对风机体积工程参数有价值的发明原理有#2（分离：将一个物体中的“干扰”或关键部分分离出去）、#7（嵌套：将一个物体放在第二个物体中或穿过其空腔）；对风压消耗工程参数有价值的发明原理有#7、#25（自服务：物体通过自补充或自恢复功能而服务于自身）；对物体外部有害因素作用的敏感性有价值的发明原理有#29（气动与液压结构）。改善问题二结构参数对应的方案如表 4。表4改善结构参数对应的方案（问题二）Table4Improvetheschemecorrespondingtostructuralparameters(problem2)改善工程参数Improvedengineeringparameters原理Principle方案Scheme静止物体的体积Thevolumeofastationaryobject#2A2：将引起能量损失的输气管道分离#7B2：将风机放置在排种器内部能源浪费Energywaste#7B2：将风机放置在排种器内部#25C2：排种器本身可产生气流压差物体外部有害因素作用的敏感性Sensitivitytotheactionofharmfulfactors#29D2：使用电场驱动风机叶片转动替代机械系统驱动综合表 4 方案，可采用直流风机，依靠调节供电电压的大小控制风机转速，通过更改输入电压即可控制风量的大小，为气力参数调控提供技术支撑。取消输气管道并将风机内置集成在排种器中，由此降低风压因输气管道错综排布导致的能量损失，防止因田间环境影响导致风机转速波动从而使排种不稳定。此方案的实施需要保证直流风机的体积较小，同时能提供足够的压差。对市面上的风机产品进行测定选型，确定使用直流无刷风机，型号为 C80-1 系列，外形尺寸 85.3mm82.6mm61.2mm，额定风压 13kPa，功率 180W，质量 300340g，工作温度2050，满足集成风机要求。上述设计参数矢量表达式为DP11DP12DP13DP21DP22DP23=取消链轮组电机驱动排种盘编码器调速风机内置集成直流风机供压改变供电电压（3）2.4.3基于独立公理的方案评价由功能域到结构域的映射可知，将设计矩阵 A 中的元素设置为 X，优化后的传动系统与风压系统特征向量相关性为 0，设计参数 DP1和 DP2相互独立。功能需求、设计参数和设计矩阵元素间的关系如式（4）：优化传动系统优化风压系统=(1001)取消链轮组，电机驱动排种盘转动，转速可调直流风机供压，风机集成内置，风压可调（4）式中 1 表示功能需求与设计参数之间有关联，0 表示无关。该矩阵是对角阵，即非耦合设计，满足独立设计公理，具有最小信息含量。3电机风机集成式油菜气力排种装置设计3.1设计方案基于 TRIZ-AD 集成设计流程，将上述方案进行设计解的结构工程化实施，结构实体上有风机内置气室内、电机分侧安装在种仓处和同侧布置在气室内部两种（图 5）。第14期郑娟等：基于 TRIZ-AD 的集成式油菜气力精量排种装置设计53图 5a 方案，电机与种仓形成组件、风机与气室形成组件，排种盘与电机种仓组件装配后与风机气室组件对合固定，此拆装方式对精度要求较高，无法充分保障气密性，且对合固定紧密时，排种盘转动易卡顿；图 5b 方案，电机、风机集成在气室内，排种盘与集成件固定后和气室端面贴合密封，可保证气密性。112233445566788991010a.电机与风机分侧排布a.Motor and fan side configurationb.电机与风机同侧排布b.Motor and fan arranged on the same side1.种仓2.油菜籽3.电机4.法兰5.排种盘6.气室7.电机套8.调压板9.风机10.隔压板1.Seedstorage2.Rapeseed3.Motor4.Flange5.Seeddisk6.Airchamber7.Motorsleeve8.Pressurereliefplate9.Fan10.Partitionboard图 5设计方案结构实体Fig.5Structureentityfordesignscheme对两种方案试制加工后进行预试验，试验表明电机与种仓形成组件时，拆装方式、气密性和排种盘的转动流畅度均弱于同侧布置方案，另外因操作空间有限，不易卸种和更换种盘，因此采用电机风机同侧排布，考虑风机出口朝向正压区且兼顾美观性和空间利用率，将风机置于气室底部。3.2结构与工作原理完成结构细节设计后，电机风机集成式油菜气力排种装置结构如图 6，主要由种仓、气室、风机、隔压板、减速步进电机、电机套、排种盘和调压板等零部件组成，气室、风机和电机构成气室装配件。1234567891011121.种箱盖2.种仓3.法兰4.隔压板5.卸料板6.落种管7.排种盘8.风机9.调压板10.减速步进电机11.电机套12.气室1.Seedboxcover2.Seedstorage3.Flange4.Partitionboard5.Stripper6.Droptube 7.Seed disk 8.Fan 9.Pressure relief plate 10.Deceleration stepper motor11.Motorsleeve12.Airchamber图 6电机风机集成式气力排种装置示意图Fig.6Schematicdiagramofmotorandfanintegratedpneumaticseedmeteringdevice风机可提供排种装置需要的吸力和吹力，气室与隔压板环绕风机出口，通过卡扣连接，形成两个封闭腔室，分别为正、负压区。负压值由配套旋钮控制，正压值按需调节调压板。打开风机控制旋钮，风机叶轮高速旋转，空气由排种盘上均布的型孔不断补充，型孔两端形成吸力压差，进入风机壳的空气产生离心力被甩离，经出风口形成吹力。排种装置工作时，排种盘在减速步进电机驱动下做旋转运动，在拖曳和型孔扰动作用下，种仓中堆积的密集种子扰动离散，型孔周边种子在吸力作用下囊入孔内，随型孔做圆周运动，脱离种群后被携带至正压区，受吹力作用投种至落种管，落入种沟中。3.3关键部件参数设计3.3.1排种盘排种盘结构参数：排种盘直接接触种子与气流，均布其上的型孔是完成扰动、吸附和携带油菜颗粒的直接执行单元。现有气吸式排种器直径一般为 0.080.26m，结合集成式排种装置动力和气力源的安装要求和整体设计，兼顾油菜种子小籽粒特征，确定排种盘直径 dp为0.18m；厚度为 2103m。型孔数量和直径：本文在前期研究基础上，采用锥形孔结构36。油菜种子可近似为球体，其平均粒径 B 为(1.62.0)103m33，型孔直径为(0.640.66)B，考虑加工便利性，确定型孔直径为 1.0103m，型孔距离排种盘边缘径向距离 re=1.5102m。排种频率为f=vpS=vmL（5）其中NS=2(dp2re)vp=np30(dp2re)式中 f 是排种频率，粒/s；vp是排种盘线速度，m/s；S是相邻吸孔间距，m；vm是机组前进速度，m/s，根据油菜大田精量直播田间作业要求，vm18km/h=5m/s；L是播种株距，m，精量直播油菜合理株距为 0.060.10m；N 是排种盘径向吸孔数，个；np是排种盘转速，r/min；减速步进电机转速直接驱动排种盘，其减速比为1:20，np60r/min。代入式（5）计算可得，50N83.33。综合考虑提高充种时间和确保加工精度，相邻型孔中心角取整为 6，设计型孔数目为 60 个。3.3.2气室装配件电机、风机同侧排布在气室内部，同一风机提供正负气压，装配时先安装风机，风机安装步骤（位置 1、2、3）和装配件配合关系如图 7，气室结构参数和风机安装位置关系应满足式（6）：H2h1+(d1d2)2H1H2h1+d32L2l2L1L2+d1d22（6）54农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年负压室Negative pressure chamberd3d2d1D1L142L2l1h1l2H1H2正压室Positive pressure chamber位置1Position 1位置2Position 2位置3Position 3 c.安装位置3c.Intallation location 3 a.气室装配件a.Air chamber assemblyb.安装位置1和2b.Intallation location 1 and 2注：d1、d2是气室外圈、内圈直径，m；d3是电机套外圈直径，m；l1、h1、l2是风机长度、厚度、固定安装面至风机进气口距离，m；H1、H2是电机和风机安装孔中心至气室外圈最低处距离，m；L1是气室内腔厚度；L2是风机安装偏室厚度，m；是正压室转角；()；D1是风机入口距离气室端面的距离；m。Note：d1,d2aretheouterandinnerringofgaschamberdiameter,m;d