作品《"毫厘精工"自动化智能大蒜低损高效采掘器》是山东工程职业技术大学智能制造学院徐宇帆同学在指导教师王建强指导下，为2025年度山东省青少年教育科学规划项目大学生学术课题所完成的研究成果。该研究直面我国大蒜收获环节机械化水平低、劳动强度大、现有机械伤蒜率高、适应性差等核心问题，创造性地将创新理论（Disruptive Innovation, DI）与TRIZ发明问题解决理论相结合，设计了一款小型自走式大蒜联合收获机，旨在实现大蒜挖掘、清土、夹持输送、切秧、集果等工序的一次性自动化完成，具有体积小巧、结构简单、操作便捷、成本低廉、可靠性高等显著特点。
一、 研究背景与意义
大蒜作为重要的经济作物，在我国种植面积广阔，但其收获环节高度依赖人工，劳动强度大、效率低、成本高昂，严重制约了产业健康发展。国内现有大蒜收获机普遍存在功能单一、自动化程度低、伤损率高等问题；而国外大型联合收获机虽效率高，但价格昂贵、结构庞大，不适应我国以小农户为主的种植模式。因此，研发一款符合我国国情的高效低损大蒜收获机械迫在眉睫。本研究依托山东省农机装备研发创新计划项目，联合山东省农业机械科学研究院与枣庄新中兴装备制造有限公司，将创新理论系统应用于农业机械设计领域，不仅为解决大蒜收获难题提供了创新方案，也为农业机械的快速创新研发提供了新的方法论借鉴。
二、 核心研究内容与创新设计
本研究的主要内容包括整机结构布局设计、关键部件（挖掘装置、夹持输送装置）的创新设计与优化、以及通过有限元分析和试验对设计进行验证。
基于创新理论的整机设计：
首先，通过分析大蒜收获机现状，确定了其功能系统问题，并运用创新理论选择了“简化结构”、“体积小巧”、“功能合并”、“强化原有辅助功能”等创新策略。进而，运用TRIZ理论中的矛盾矩阵和发明原理（如分割原理、预操作原理、动态化原理等）进行冲突解决，完成了整机结构布局设计。设计出的收获机主要包括挖掘装置、夹持输送装置、对齐切秧装置、筛土装置和集果装置，结构紧凑，布局合理。整机尺寸为2800mm×1100mm×1400mm（长×宽×高），重量约1000kg，配套动力22.1kW，可同时收获三行大蒜，目标价格定位在3-5万元，相较于市场上相似产品，在体积、重量、价格和多功能性上具有明显优势。
挖掘装置的创新设计与优化：
针对传统固定式挖掘铲存在的入土阻力大、伤蒜率高问题，运用创新理论对挖掘装置进行了重新设计。通过参数优化原则，确定了挖掘铲的关键参数：铲刃张角90°、铲面倾角30°、入土长度200mm、入土深度100mm，并计算出单个铲的挖掘工作阻力约为1240.67N。基于创新策略和发明原理，对挖掘装置进行了结构优化，包括将铲与铲臂分割便于更换、设计凸面曲面铲以降低阻力、增加侧翼增强碎土能力、采用液压杆实现挖掘深度和角度的调节及仿形功能。优化后的三维模型显示其结构更合理。
夹持输送装置的创新设计与优化：
针对蒜秧粗细不均导致夹持力不稳定、易脱落的问题，对夹持输送装置进行了创新设计。采用了双排不对称安装的皮带轮以增强夹持稳定性，并创新性地设计了自动张紧装置，通过压簧的动态调节确保在不同直径蒜秧夹持时皮带始终张紧，夹持力稳定（计算拔起时夹持力约80N）。通过参数优化，确定了夹持输送带的传送速度为1.4m/s，倾角为30°，并选定了合适的自动张紧弹簧型号（YB 32090 GB/T 2089-94）。
三、 验证与成果
有限元分析验证：
运用Ansys软件对优化后的挖掘机构和挖掘铲进行静强度有限元分析。结果表明，挖掘机构的最大位移量仅为0.388×10⁻³mm，最大应力为29.2MPa；挖掘铲的最大位移量为0.358×10⁻³mm，最大应力为111MPa。这些值远低于材料的屈服极限（235MPa），且与优化前（位移达18.45mm，应力212MPa）相比，变形和应力集中问题得到极大改善，证明了创新设计的有效性和可靠性。
试验验证：
搭建了夹持输送装置试验平台进行性能测试。试验结果显示，优化后的夹持输送装置在大蒜植株直径差异较大的情况下，脱秧率降至4%，夹断率和伤蒜率均为2%，较优化前（脱秧率8%）性能有明显提升，证明了其夹持输送的稳定性和可靠性。
最终成果：
研究最终形成了完整的“毫厘精工”自动化智能大蒜低损高效采掘器的设计方案和部分样机，并绘制了整机效果图，展示了其现代化的外观。
四、 结论与价值
本作品成功地将创新理论应用于大蒜收获机的设计实践中，不仅开发出了一款符合我国农业生产需求的高性价比、高性能大蒜联合收获机方案，更验证了创新理论在农业机械领域应用的可行性和有效性。该研究缩短了产品研发周期，为农业机械装备的快速创新提供了新的思路和方法。作品在实现低损、高效、自动化收获目标的同时，兼顾了成本控制和小型化设计，对提升我国大蒜生产机械化水平、促进农民增收具有重要意义，并为其他农业机械的创新设计提供了有价值的参考
