基于沖突分析的工程車(chē)路面除雪裝置創(chuàng)新研究＊

劉江南，劉秋平

（湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410082）

基于沖突分析的工程車(chē)路面除雪裝置創(chuàng)新研究＊

劉江南?，劉秋平

（湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410082）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)路面除雪裝置性能不足的問(wèn)題，提出將TRIZ理論運(yùn)用到除雪裝置的進(jìn)化研究中來(lái)解決除雪裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中存在的沖突.分析了目前國(guó)內(nèi)路面除雪裝置存在的問(wèn)題，找到制約除雪裝置進(jìn)化的內(nèi)在沖突，并運(yùn)用TRIZ理論中的通用技術(shù)特性參數(shù)進(jìn)行描述.根據(jù)沖突的特點(diǎn)，將路面除雪裝置存在的沖突分為技術(shù)沖突和物理沖突.分別利用沖突矩陣和分離原理對(duì)這些沖突進(jìn)行求解，從而找到解決這些沖突的發(fā)明原理.利用找到的發(fā)明原理和結(jié)合作者的工程經(jīng)驗(yàn)，得到一種新型除雪裝置的進(jìn)化方案.分析結(jié)果表明，該新型路面除雪裝置的進(jìn)化方案在避障性能、除雪速度和適應(yīng)性方面都有較大提高.

沖突；進(jìn)化；工程車(chē)；路面除雪裝置；開(kāi)發(fā)研究；TRIZ

每年冬天，城市的路面積雪都會(huì)給交通運(yùn)輸及人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)許多不便，其主要解決方式是由城管部門(mén)利用工程車(chē)輛及時(shí)清理.目前中國(guó)研制的除雪工程車(chē)存在著除雪速度低、整機(jī)利用率低、成本高以及避讓功能不理想等缺點(diǎn)［1］.而國(guó)外進(jìn)口的除雪設(shè)備價(jià)格昂貴，在中國(guó)無(wú)法大量使用.為了滿足市場(chǎng)需求，國(guó)產(chǎn)除雪裝置急需產(chǎn)品升級(jí)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)化和創(chuàng)新.

TRIZ是俄文“發(fā)明問(wèn)題解決理論”的縮寫(xiě).Altshuller為首的專(zhuān)家，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行搜集整理、歸納提煉，提出了這個(gè)系統(tǒng)化、可操作性強(qiáng)的理論體系［2－5］.該理論既被推廣用于預(yù)測(cè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，亦被廣泛用于解決產(chǎn)品的創(chuàng)新問(wèn)題.利用TRIZ分析方法可以快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的矛盾本質(zhì)；TRIZ發(fā)明原理指出了合理解決這些矛盾與沖突的方向和方法［6］.針對(duì)目前中國(guó)路面除雪裝置的現(xiàn)狀，本文利用TRIZ理論，對(duì)其存在的沖突問(wèn)題進(jìn)行分析研究，然后求解出可行的技術(shù)進(jìn)化方案.

1 沖突問(wèn)題的類(lèi)型與發(fā)明原理

TRIZ理論運(yùn)用39個(gè)通用的技術(shù)特性參數(shù)描述工程問(wèn)題，如描述除雪裝置將用到體積、速度、作用力、適應(yīng)性、通用性、可靠性、復(fù)雜性、生產(chǎn)率、葉片剛度等等參數(shù).TRIZ理論認(rèn)為，參數(shù)的沖突（矛盾）是促進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)化發(fā)展的內(nèi)在因素，產(chǎn)品創(chuàng)新就是解決產(chǎn)品中存在的參數(shù)沖突問(wèn)題［7］.TRIZ理論將產(chǎn)品進(jìn)化中的沖突問(wèn)題分為技術(shù)沖突和物理沖突2種類(lèi)型［8］.

技術(shù)沖突是指系統(tǒng)中某一參數(shù)A（特性、子系統(tǒng)）的改進(jìn)將導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)B（特性、子系統(tǒng)）的惡化而產(chǎn)生的矛盾.對(duì)于這類(lèi)矛盾，可以通過(guò)表1所示的沖突矩陣表找到相應(yīng)的發(fā)明原理，從而尋求技術(shù)沖突的突破方向，求得解決方案.

表1 技術(shù)沖突矩陣表Tab.1 Technical contradiction matrixes

物理沖突是指系統(tǒng)對(duì)同一個(gè)參數(shù)（特性、子系統(tǒng)）具有相互排斥（相反或不同）需求的矛盾狀態(tài).解決物理沖突的核心思想是利用分離原理實(shí)現(xiàn)矛盾的分離，其解決模式如圖1所示，最終利用創(chuàng)新原理求得解決方案.

圖1 物理沖突的解決模式Fig.1 Solutions to physical contradictions

2 除雪裝置中的技術(shù)沖突分析和進(jìn)化方案研究

2.1 除雪裝置技術(shù)沖突的描述

目前常用的除雪設(shè)備主要是犁式除雪機(jī)和拋雪式除雪機(jī)，如圖2和圖3所示.犁式除雪機(jī)是一種推鏟式除雪裝置，車(chē)輛在路面來(lái)回進(jìn)退、轉(zhuǎn)彎，利用犁板推動(dòng)積雪與路面分離、然后將積雪推轉(zhuǎn)到道路側(cè)面堆積起來(lái).這種裝置主要適用于鏟除未經(jīng)壓實(shí)的積雪，特別是密度較小的新降雪，具有價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，但除雪速度不甚理想.拋雪式除雪機(jī)是一種具有輸送、集中和吹拋功能的除雪設(shè)備，由螺旋葉片將路面積雪集中輸送到中間，通過(guò)高速風(fēng)機(jī)將積雪從風(fēng)道、拋雪筒吹拋到一定的地方.這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)路面寬、除雪速度快，但缺點(diǎn)是拋出去的氣雪混合物不便堆集，只能大面積撒落在空曠的地方，不適宜在城市道路使用.

圖2 犁式除雪機(jī)Fig.2 Blade snow plough

圖3 拋雪式除雪機(jī)Fig.3 Throw snow blower

中國(guó)冬季降雪次數(shù)相對(duì)不多，如果除雪機(jī)功能單一，只能用來(lái)除雪，那么機(jī)器一年里大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，這就大大增加了除雪作業(yè)的成本.由于交通繁忙和降雪時(shí)間不確定的原因，新降的積雪會(huì)存在不能及時(shí)清理而被過(guò)往車(chē)輛和行人壓實(shí)的現(xiàn)象，現(xiàn)有的除雪設(shè)備對(duì)這種積雪狀態(tài)的變化適應(yīng)性較差.此外，中國(guó)許多城市道路比較狹窄，當(dāng)除雪機(jī)機(jī)身過(guò)大和除雪速度過(guò)低時(shí)，會(huì)對(duì)道路交通造成很大的影響.

根據(jù)降雪情況和道路交通情況分析，除雪車(chē)的進(jìn)化設(shè)計(jì)存在著種種矛盾和沖突：為提高除雪工程車(chē)輛的利用率，需要對(duì)目前功能單一的問(wèn)題做出改進(jìn)，但是當(dāng)除雪工程車(chē)具有多項(xiàng)功能時(shí)，會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜并將增大工程車(chē)的外形體積；為了使除雪裝置不僅能清除疏松的積雪，也能清除壓實(shí)的積雪，需要提高除雪裝置對(duì)道路積雪狀態(tài)的適應(yīng)性，可是當(dāng)適應(yīng)性提高時(shí)，整個(gè)除雪裝置的結(jié)構(gòu)必然變得復(fù)雜，對(duì)單一狀態(tài)下積雪的除雪效率也會(huì)造成影響；若提高除雪工程車(chē)輛的除雪速度和減小占道體積，可以降低除雪作業(yè)對(duì)交通的影響，但車(chē)輛的除雪速度與行進(jìn)阻力成正向比例關(guān)系，除雪速度的提高會(huì)增加工程車(chē)的行駛阻力，而且也會(huì)使地面殘留積雪增多，從而降低除雪效果；而減小工程車(chē)的體積，就需要去除工程車(chē)不具有除雪功能的部分和使工程車(chē)輛小型化，這樣會(huì)減少車(chē)輛功能和降低工程車(chē)的利用率.

通過(guò)分析除雪工程車(chē)進(jìn)化設(shè)計(jì)中的沖突可知：多功能化會(huì)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積增加；提高適應(yīng)性會(huì)增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和降低除雪效果；高速化和小型化會(huì)降低除雪效果和工程車(chē)?yán)寐省⒃黾有旭傋枇?利用TRIZ理論中的39個(gè)特性參數(shù)可以定義沖突參數(shù)為：適應(yīng)性、通用性與可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性、生產(chǎn)率；運(yùn)動(dòng)物體體積與系統(tǒng)復(fù)雜性、生產(chǎn)率；速度與力、可靠性.這些參數(shù)之間的關(guān)系，顯然都具有技術(shù)沖突的特點(diǎn).

2.2 除雪裝置技術(shù)沖突矩陣的建立

基于TRIZ描述工程問(wèn)題的39個(gè)通用工程特性參數(shù)，分析找出除雪裝置希望改進(jìn)的特性“適應(yīng)性、通用性”、“速度”、“運(yùn)動(dòng)物體體積”和產(chǎn)生負(fù)面影響的特性“可靠性”、“復(fù)雜性”、“力”、“生產(chǎn)率”，根據(jù)TRIZ沖突矩陣表，構(gòu)建除雪裝置的技術(shù)沖突矩陣，如表2所示.

該矩陣給出了各對(duì)技術(shù)沖突所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理編號(hào)，根據(jù)表2的指引，找到各技術(shù)沖突所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理和創(chuàng)新思維方向，列于表3.

表2 除雪裝置的技術(shù)沖突矩陣Tab.2 Technical contradiction matrixes of snow plow

表3 技術(shù)沖突的進(jìn)化解決方案Tab.3 Evolution solutions to the technical contradictions

2.3 技術(shù)沖突的進(jìn)化解決方案

沖突矩陣所提供的創(chuàng)新原理指明了技術(shù)進(jìn)化的思維方向，是普遍性的一般解，但并不能直接由此得到?jīng)_突問(wèn)題的具體解決方案.創(chuàng)新思維的應(yīng)用需要結(jié)合特定問(wèn)題、由設(shè)計(jì)者利用豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，將選定的可行方向應(yīng)用到待解決的系統(tǒng)中以求得特定解決方案［6－9］.

犁式除雪機(jī)主要利用車(chē)輛的來(lái)回變向進(jìn)退實(shí)現(xiàn)將積雪向路邊清掃，除雪速度較低.當(dāng)提高除雪速度時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)在犁板前端需要清掃的積雪會(huì)增加，從而造成工程車(chē)行駛阻力的增加.根據(jù)斜面運(yùn)動(dòng)的原理，可以通過(guò)改變犁板的傾斜角度來(lái)減小積雪對(duì)工程車(chē)的行駛阻力，但是犁板的傾斜角度增大會(huì)減小除雪的寬度.根據(jù)螺旋輸送理論［10－11］，如把犁板前端的積雪由斜面輸送改為螺旋輸送可以有效地降低積雪對(duì)工程車(chē)輛行駛阻力的影響.

通過(guò)分析表3，首先采用分割原理，把除雪機(jī)中實(shí)現(xiàn)除雪功能的裝置分割出來(lái)，建立除雪裝置與其他工程車(chē)輛的通用性接口，使除雪車(chē)易于實(shí)現(xiàn)多功能化；結(jié)合犁式除雪機(jī)和拋雪式除雪機(jī)的特點(diǎn)，將除雪裝置分割為3部分：鏟雪裝置（見(jiàn)圖4）、拋雪裝置（見(jiàn)圖5）、攪雪輸送裝置（見(jiàn)圖6）.鏟雪裝置的主要作用是利用除雪裝置前端的犁板隨著車(chē)輛的前進(jìn)把積雪從路面鏟起并使其沿著犁板弧面和傾斜角度向上堆積，攪雪輸送裝置的作用是通過(guò)推雪鏟和螺旋鉸刀的共同作用將積雪水平輸送到指定位置，然后通過(guò)拋雪裝置拋落到遠(yuǎn)處.

圖4 鏟雪裝置Fig.4 Snowshoveling device

圖5 拋雪裝置Fig.5 Snowblowing device

城市道路交通繁忙且路邊基礎(chǔ)設(shè)施比較多，不適合進(jìn)行拋雪處理.在分割原理的基礎(chǔ)上，利用抽取原理抽取出鏟雪裝置、攪雪輸送裝置這2個(gè)有利部分，去除不利的拋雪裝置部分構(gòu)成一種創(chuàng)新的除雪結(jié)構(gòu)形式，攪雪輸送裝置直接將積雪輸送至道路側(cè)面，如圖7所示.

圖6 攪雪裝置Fig.6 Snowstiring device

圖7 一種創(chuàng)新除雪結(jié)構(gòu)形式Fig.7 A new structure for snowplow

由于市內(nèi)的車(chē)流量和行人比較多，許多路段的積雪還來(lái)不及及時(shí)清掃就已經(jīng)被行駛車(chē)輛和行人壓實(shí).根據(jù)對(duì)路面積雪狀態(tài)特性的研究［12］，壓實(shí)積雪比新降積雪的密度大許多，且積雪一般凝結(jié)成塊.為便于利用上述除雪裝置實(shí)現(xiàn)清掃，利用預(yù)先作用原理和周期作用原理，加載周期性作用力，將積雪預(yù)先打碎.再根據(jù)多功能原理，設(shè)計(jì)改進(jìn)攪雪輸送裝置，使其具有擊碎功能：將螺旋葉片做成鋸齒狀，使其對(duì)壓實(shí)的積雪具有切削作用；在螺旋葉片曲面和螺旋軸上焊接尖錐狀結(jié)構(gòu)，以便把進(jìn)入攪雪輸送裝置內(nèi)的塊狀積雪打碎，如圖8所示.

圖8 鋸齒狀螺旋葉片F(xiàn)ig.8 Sawtooth helical blade

這種解決方案使車(chē)輛在工作時(shí)只需一直往前行走，鏟雪、攪雪和送雪同時(shí)連續(xù)工作，所以大大提高除雪速度，同時(shí)保障除雪效果.

3 除雪裝置中的物理沖突分析和進(jìn)化方案研究

3.1 除雪裝置物理沖突的描述

為了實(shí)現(xiàn)積雪與路面的分離，必需保證鏟雪裝置與路面之間緊密接觸.但是，城市道路常有減速路障，有時(shí)存在其他障礙物或凹凸不平等現(xiàn)象，鏟雪裝置在除雪過(guò)程中需要避開(kāi)這些障礙.將鏟雪裝置的越障過(guò)程設(shè)計(jì)為：當(dāng)遇到障礙時(shí)，鏟雪裝置在障礙物的作用下與路面分離、向上抬起；通過(guò)障礙后，鏟雪裝置下降恢復(fù)與路面的接觸.為了保證除雪效果，希望鏟雪裝置快速回復(fù)；但是，如果鏟雪裝置在回復(fù)過(guò)程中速度過(guò)快，將會(huì)與路面產(chǎn)生很大的沖擊.通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，與地面接觸時(shí)發(fā)生碰撞的是鏟雪裝置的鏟刃部分.若鏟刃的剛度越大，則與路面的沖擊越嚴(yán)重，所以可以通過(guò)降低鏟刃的剛度來(lái)減小這種沖擊；但是，若鏟刃的剛度過(guò)小，將會(huì)影響鏟雪的效果.根據(jù)TRIZ理論對(duì)物理沖突的定義和對(duì)鏟雪裝置避障過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，鏟雪裝置在避障過(guò)程中的回復(fù)速度和鏟刃的剛度就是存在的2個(gè)物理沖突.

3.2 除雪裝置物理沖突的進(jìn)化解決方案

3.2.1 回復(fù)速度的進(jìn)化解決方案

根據(jù)圖1提供的解決物理沖突的思路，可以采用時(shí)間分離原理，將鏟雪裝置的回復(fù)分為2個(gè)階段，第1階段是高速回復(fù)階段，第2階段是接觸回復(fù)階段.高速回復(fù)階段是指當(dāng)鏟板的鏟刃離路面距離大于30 mm那段過(guò)程，接觸回復(fù)階段是指鏟板的鏟刃離路面距離從30 mm到接觸路面的那段過(guò)程.

利用預(yù)先應(yīng)急措施原則，可采用非線性彈性元件和非線性阻尼元件構(gòu)成避障系統(tǒng).在高速回復(fù)階段，鏟雪裝置整個(gè)系統(tǒng)的彈性力大、阻尼比小，從而提高回復(fù)速度；在接觸回復(fù)階段，系統(tǒng)的彈性力小、阻尼大，以減小對(duì)路面的沖擊.

根據(jù)空間分離原理，將車(chē)輛行走過(guò)程分為工作過(guò)程和避障過(guò)程.在工作過(guò)程，鏟雪裝置正常工作；在避障過(guò)程，鏟雪裝置抬起和回復(fù).

利用預(yù)先作用原理，通過(guò)在工程車(chē)前端安置障礙探測(cè)器等措施，提前預(yù)判路面情況.在路障出現(xiàn)時(shí)，鏟雪裝置能夠提前做出避障動(dòng)作.

3.2.2 鏟刃剛度的進(jìn)化解決方案

解決鏟刃的剛度這個(gè)物理矛盾，可采用整體與部分分離原理，將鏟板分為3個(gè)部分：鏟刃、聯(lián)接區(qū)、剛性固定區(qū).通過(guò)利用復(fù)合材料構(gòu)造聯(lián)接區(qū)，使其不僅具有吸收鏟刃與地面接觸碰撞力的彈性性能，而且具有維持鏟雪裝置正常工作的剛性性能.根據(jù)預(yù)先作用原理，鏟雪裝置在避障回復(fù)過(guò)程中鏟刃部分自動(dòng)收縮，當(dāng)鏟雪裝置回復(fù)到初始位置時(shí)，鏟刃部分也自動(dòng)回復(fù)到初始位置.

通過(guò)利用時(shí)間分離原理、整體與部分分離原理對(duì)鏟雪裝置避障的物理沖突問(wèn)題的研究，同時(shí)根據(jù)預(yù)先應(yīng)急措施原理和復(fù)合材料，得到鏟雪裝置的一種避障解決方案，如圖9所示.在鏟雪裝置工作過(guò)程中：若路面無(wú)障礙，則鏟刃1受到路面與積雪的反作用力趨于穩(wěn)定，鏟雪裝置維持正常工作狀態(tài)；當(dāng)鏟雪裝置遇到障礙物時(shí)，鏟刃在障礙物的作用下，使非線性阻尼裝置5和非線性彈性元件6伸長(zhǎng)，從而使鏟體繞連架桿4的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而抬起來(lái)避開(kāi)障礙物；在鏟雪裝置避過(guò)障礙物后，鏟體在5和6以及鏟體自質(zhì)量的作用下快速回復(fù)到正常工作位置，在回復(fù)過(guò)程中鏟刃和路面之間會(huì)發(fā)生激烈的碰撞，彈性聯(lián)接區(qū)2能夠通過(guò)它的變形吸收鏟刃與路面剛性碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的能量，從而有效地降低碰撞對(duì)路面和鏟雪裝置造成的傷害.

圖9 鏟雪裝置的一種避障解決方案Fig.9 An obstacle-avoidance solution to snowshoveling device

4 結(jié) 論

針對(duì)中國(guó)目前除雪裝置存在的問(wèn)題，利用TRIZ理論進(jìn)行分析，提煉出其中3組技術(shù)沖突和2個(gè)物理沖突：適應(yīng)性、通用性與可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性、生產(chǎn)率；運(yùn)動(dòng)物體體積與系統(tǒng)復(fù)雜性、生產(chǎn)率；速度與力、可靠性；回復(fù)速度、鏟刃剛度.對(duì)這些沖突問(wèn)題建立了沖突矩陣，通過(guò)運(yùn)用創(chuàng)新原理和分離原理，對(duì)存在的沖突問(wèn)題提出了可行的解決方案，成功地實(shí)現(xiàn)了除雪裝置的技術(shù)進(jìn)化與創(chuàng)新.

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LIU Jiang-nan?，LIU Qiu-ping

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China）

To resolve the problem of inadequate performance of road snowplow of engineering vehicles on current Chinese market，this paper used the theory of TRIZ to study the evolution of road snowplow of engineering vehicles.The theory makes the evolution by resolving the conflicts of snowplow development and design.This paper first analyzed the problems between the road and the vehicle，found the internal conflicts to restrict the evolution and sorts out the conflicts according to the characteristic，and used TRIZ theory to describe this characteristic by general technology parameters.In the second part，the author used conflict matrix and the separation principle to solve the corresponding technological and physical conflict，and found solutions to the inventive principles according to different types of conflict.Finally，according to the principle of the invention and combined with the engineering experience，we obtained the evolution of new snowplow of engineering vehicle programs.The analysis shows this new program of the vehicle has made rapid progress in avoiding obstacle performance，speed of removing snow and adaptability of snow.

contradictions；evolution；engineering vehicle；road snowplow；research and development； TRIZ

TH122

A

1674-2974（2011）06-0033-05＊

2010-11-14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2010CB832705）

劉江南（1965－），女，湖南長(zhǎng)沙人，湖南大學(xué)教授

?通訊聯(lián)系人，E-mail：liujiangnan＠hnu.edu.cn