裁剪法的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略范文

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《工程設(shè)計學(xué)報》2014年第四期

1基于理想解－裁剪法的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略

1．1系統(tǒng)裁剪法在明確了系統(tǒng)問題存在的部位和改進方向之后，利用系統(tǒng)裁剪法對產(chǎn)品進行裁剪、修整，使其更加簡潔、方便或者高功效，或者說使其更加理想化．在TRIZ理論中，對系統(tǒng)裁剪法是這樣定義的：通過裁剪系統(tǒng)的某個組件，然后把該組件提供的有用功能重新分配到其他剩余的組件上，來改善技術(shù)系統(tǒng)［9］．通常在實施系統(tǒng)裁剪法工作前，要分析系統(tǒng)組件間的關(guān)系，包括有用功能、有害功能和不足功能等，建立該系統(tǒng)的功能模型；緊接著以組件功能對系統(tǒng)的重要程度為依據(jù)，把組件功能劃分為輔助、基本和主要三個功能等級；最后在綜合考慮功能類型、功能等級和組件成本的基礎(chǔ)之上判斷組件是否存在問題．要始終做到分析的時候從功能入手，裁剪的時候從組件入手．在對系統(tǒng)進行功能分析以后，依據(jù)由理想解確定的系統(tǒng)問題存在的部位和改進方向，利用如下4種系統(tǒng)裁剪法的具體實施方法：1）若沒有動作接收者，則動作接收者也就不需要動作提供者的作用，那么動作提供者可以裁剪掉；2）動作接收者能自我完成動作提供者的功能，動作提供者可被裁剪掉；3）技術(shù)系統(tǒng)或者超系統(tǒng)中其他的組件可以完成動作提供者的功能，動作提供者可被裁剪掉；4）技術(shù)系統(tǒng)的新添組件可以完成動作提供者的功能［10－11］．對系統(tǒng)問題進行消除，提高系統(tǒng)的理想度，從本質(zhì)上使系統(tǒng)更加接近其理想解．

1．2產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略流程綜上所述，首先借助理想解找到系統(tǒng)問題存在的部位和改進的方向，其次對系統(tǒng)進行功能分析找出造成系統(tǒng)問題的問題組件，最后利用系統(tǒng)裁剪法把有問題的組件裁剪掉，達到消除系統(tǒng)問題的目標(biāo)．基于理想解－裁剪法的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略流程圖如圖1所示．

2水面油污清潔器的需求分析

現(xiàn)有水面油污清潔器主要由泄漏原油收集裝置、油水混合液儲存裝置和油水混合液分離裝置組成．由于水面油污清潔器的質(zhì)量和體積較大，通常只能安裝在載重噸位較大的船只上或者安放在岸邊．處于工作狀態(tài)的水面油污清潔器，首先利用清油船上的回收裝置把泄漏原油收集儲存起來，然后再通過油水分離器對油水混合液進行分離，最終實現(xiàn)回收泄漏到水里的原油的目標(biāo)．但是，當(dāng)水面上發(fā)生原油泄漏事故時，需要救援人員在最短的時間內(nèi)把原油泄漏事故造成的損失降到最低，這就要求水面油污清潔器要方便運輸，對正常工作時的海況要求低且工作效率高．現(xiàn)有水面污清潔器比較笨重，明顯達不到這樣的要求，不能很好地滿足市場的需求．

3現(xiàn)有水面油污清潔器的理想解確定

對水面油污清潔器進行需求分析之后，可以從增加水面油污清潔器的有用功能總依據(jù)提高水面油污清潔器理想度公式（2），進行以下3個方面的實施：1）降低成本，充分利用內(nèi)部或外部已存在的、可利用的資源；2）減少有害功能的數(shù)量，盡量剔除那些無效、低效、產(chǎn)生副作用的功能；3）降低有害功能的級別，預(yù)防和抑制有害功能產(chǎn)生，或?qū)⒂泻δ苻D(zhuǎn)化為中性功能．確定水面油污清潔器的理想解為：改進后的水面油污清潔器要達到工作效率高、工作安全性好、制造成本低、自身質(zhì)量小、工作環(huán)境適應(yīng)性強和攜帶運輸方便等．以水面油污清潔器的理想解為衡量的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的水面油污清潔器由于系統(tǒng)冗余問題導(dǎo)致工作流程復(fù)雜、工作安全性低、對工作環(huán)境要求高、自身質(zhì)量大和搬運困難等問題．

4現(xiàn)有水面油污清潔器的功能分析

水面油污清潔器的主要功能是回收水面上泄漏的原油，有害的功能是使用的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，容易摻雜進來空氣，操作過程中的穩(wěn)定性降低．為了消除現(xiàn)有水面油污清潔器存在的問題，通過對現(xiàn)有的水面油污清潔器進行組件功能分析，依據(jù)其各個組件的功能，建立水面油污清潔器的組件功能模型，如圖2所示。在對現(xiàn)有水面油污清潔器的組件功能分析之后，可以匯總出包含圖2中關(guān)鍵組件的功能、功能對象、功能類型、功能等級系數(shù)和組件成本等級系數(shù)的列表（見表1）．其中，功能等級系數(shù)和組件成本等級系數(shù)都分為1～10十個等級，等級系數(shù)越大，代表該組件的功能越重要，成本越大．依據(jù)表1中的信息，利用組件價值工程計算方法進一步確定影響提高水面油污清潔器理想度的問題組件。

5基于裁剪法的水面油污清潔器的改進

根據(jù)組件價值工程的計算方法，組件價值系數(shù)為組件的功能系數(shù)與成本系數(shù)的比值，其數(shù)學(xué)表達式為由表2確定現(xiàn)有水面油污清潔器的渦輪組件和混合液貯存器組件的價值系數(shù)小于1，存在比較明顯的問題，是需要重點改進的系統(tǒng)組件，其余系統(tǒng)組件的價值系數(shù)均大于1，可以暫時不作為改進的對象．接下來，將選擇這2個組件作為主要的裁剪研究對象．

5．1渦輪的裁剪渦輪作為輔助油、水混合液進入收集口的組件，它雖然加快了油、水混合液進入收集口的速度，但同時也造成大量的空氣摻雜進被渦輪攪動的油、水混合液中，最終使得水面油污清除裝置內(nèi)部組件的腐蝕速度加快，縮短了水面油污清潔器使用壽命．利用系統(tǒng)裁剪法的第3條：“技術(shù)系統(tǒng)或者超系統(tǒng)中其他的組件可以完成動作提供者的功能”，把渦輪裁剪掉．實施原理如圖3所示．渦輪被裁剪掉后，工作時的水面油污清潔器就會出現(xiàn)油、水混合液進入收集口速度緩慢的現(xiàn)象，也就是收集口對油、水混合液收集的有用作用不足．利用物－場模型分析法對該問題進行分析．物－場模型分析法是TRIZ理論中一種重要的發(fā)明問題分析工具，它將所有的功能分解為3個基本要素：2種物質(zhì)和1種場，3種基本要素相互作用，可以簡潔描述和分析問題，并且可以采用76個標(biāo)準(zhǔn)解進行求解．經(jīng)過分析之后，可以構(gòu)建由收集口、機械場1和油、水混合液組成的該問題的物－場模型，如圖4所示。從圖4問題物－場模型中可以看出，物－場模型中的3種基本要素都存在，這是一個完整的模型；但是收集口對油、水混合液的作用不足，不能快速有效地讓油、水混合液進入油、水分離腔，因此，這是一個非有效完整的物－場模型．針對效應(yīng)不足的物－場模型，76個標(biāo)準(zhǔn)解當(dāng)中的第2級標(biāo)準(zhǔn)解可以對其直接進行改善，能夠提升油、水混合液進入收集口的速率并且不增加（或較小增加）水面油污清潔器的復(fù)雜性．通過對76個標(biāo)準(zhǔn)解的查找，發(fā)現(xiàn)如下的標(biāo)準(zhǔn)解：S2．1．1如果必須強化物－場模型，可以通過將物－場模型中的一個元素轉(zhuǎn)化為一個獨立控制的完整模型，形成鏈?zhǔn)轿铮瓐瞿Ｐ停迷摌?biāo)準(zhǔn)解就可以解決物－場模型存在的效應(yīng)不足問題，如圖5所示．在鏈?zhǔn)轿铮瓐瞿Ｐ偷囊龑?dǎo)思考下，發(fā)現(xiàn)每當(dāng)海面上發(fā)生石油泄漏事故，救助人員首先要利用傳統(tǒng)的圍欄對泄漏原油進行合圍處理，防止其進一步擴散，然后才開展其他相應(yīng)的救助工作．改進后的水面油污清潔器采用了可自動收緊的新型圍欄裝置代替不能自動收緊的傳統(tǒng)圍欄．工作時，改進后的水面油污清潔器通過可以自動收緊的特殊結(jié)構(gòu)的新型圍欄來驅(qū)使油、水混合液加速進入油水分離器的入口即收集口，利用新型圍欄的自動收緊力替代渦輪旋轉(zhuǎn)的有用功能，這樣就很好地避免了由于渦輪旋轉(zhuǎn)而造成油、水混合液中夾雜氣泡的不安全因素出現(xiàn)．

5．2混合液貯存器的裁剪混合液貯存器在水面油污清潔器這個技術(shù)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)把經(jīng)過收集口收集來的油、水混合液和少量的氣體進行短暫的貯存之后，傳送給清油船上或岸邊的油水分離器部分．在貯存的過程中可以排出油、水混合液中摻雜的少量空氣，減少水面油污清潔器工作過程中的不安全因素．雖然混合液貯存器在該技術(shù)系統(tǒng)中起積極、有益的作用，但是它的防泄漏要求較高，造成整個技術(shù)系統(tǒng)的成本增加，不方便大批量的制造和利用．利用系統(tǒng)裁剪法的第2條：“動作接受者能自我完成動作提供者的功能，動作提供者可被裁剪掉”，可以有效降低現(xiàn)行的水面油污清潔器的成本．實施原理如圖6所示．改進后的水面油污清潔器裁剪掉了混合液貯存器，油、水混合液經(jīng)收集口直接進入油水分離器的分離腔，由于油水分離器的收集口在油、水混合液的液面以下，可以有效地避免空氣的摻雜．這樣在降低水面油污清潔器成本和質(zhì)量的同時也提高了該技術(shù)系統(tǒng)工作時的安全性．

6新型水面油污清潔器

通過利用理想解和系統(tǒng)裁剪法對水面油污清潔器進行改進設(shè)計之后，減小了水面油污清潔器體積和質(zhì)量，將水面油污清潔器與船體“一對一”的工作方式轉(zhuǎn)換成了“一對多”，間接地降低了船體的成本等級系數(shù)．對比改進前后水面油污清潔器的理想度：改進前的理想度為。改進后的水面油污清潔器主要由新型圍欄，電動回收裝置，收集口，離心式油、水分離裝置和儲油桶六個部分組成．整個技術(shù)系統(tǒng)中只有儲油桶部分是安放在儲油船上的，其他部分全都漂浮在有油污的海面上．由于油、水分離器的收集口位于水面下方，油、水混合液依靠自重和電動圍欄收緊帶來的擠壓力進入分離室，利用離心作用來加快油、水的分離．最后通過分離室底部的波輪上升來依次排出油液和海水．水面油污清潔器的外觀簡圖如圖8所示．

7結(jié)束語

本文在“發(fā)明問題解決理論”的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于理想解－裁剪法的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略，并應(yīng)用該策略對現(xiàn)有水面油污清潔器依次進行需求分析、功能分析與匯總之后，成功地裁剪掉了存在問題的水面油污清潔器組件，提升了水面油污清潔器的理想化水平．此外，對新型水面油污清潔器的具體結(jié)構(gòu)進行了簡單設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，自動化程度更高，可以更加高效地處理海上石油泄漏事故，減少環(huán)境污染帶來的危害．

作者：王偉李文強李彥陳喜辛越峰單位：四川杰士裕豐農(nóng)業(yè)科技有限公司