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
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1、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
2、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
3、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
4、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 Iz
5、obreatatelskikh 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 devel
6、opment 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 Izobrea
7、tatelskikh 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
8、 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
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