基于TRIZ理論的環(huán)保清潔黑板擦創(chuàng)新設(shè)計

王 冰 沈建華 古 斌

(西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室 四川綿陽 621010)

粉筆的成分是堿性物質(zhì)，粉筆灰的微粒具有很強(qiáng)的病菌吸附能力。教室內(nèi)粉塵濃度研究表明:教師講課時，講臺處的粉筆灰濃度為 15.1～19.3 mg/m3，高于 10 mg/m3的國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［1］。粉筆灰屬于堿性物質(zhì)，含有較大量的重金屬鎘、有害病菌，對教師和學(xué)生的耳、鼻、喉部、呼吸系統(tǒng)和皮膚容易造成炎癥。

關(guān)于教室粉塵問題，目前有靜電除塵，利用靜電吸附粉塵［2］;大功率吸塵器，將粉塵吸走［3］;雨刷裝置刷擦黑板［2］;將黑板擦固定在導(dǎo)軌上，利用導(dǎo)軌上下和左右移動來擦除粉筆灰［4］。但這些沒有解決粉塵隨處飄散的問題，不能達(dá)到控制講臺粉塵低于10 mg/m3的國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，不能實現(xiàn)局部擦拭。有些可以吸塵，但這類吸塵黑板擦價格較貴，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［5］。

綜上，我們從控制粉筆灰的污染、實現(xiàn)黑板局部擦除、設(shè)計更好的黑板擦毛刷3個方向，本著便宜、方便、清潔的角度進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

1 基于TRIZ理論的黑板擦問題分析

1.1 沖突問題描述

TRIZ理論將工程中的沖突分為技術(shù)沖突和物理沖突兩類。根據(jù)Altshuller的定義，技術(shù)沖突是指一個作用同時導(dǎo)致有用和有害兩種結(jié)果，常表現(xiàn)為兩個子系統(tǒng)(功能、特性或參數(shù))A與B之間的沖突，當(dāng) A 得到改善時，B 隨之被惡化［6－7］。

分析可知，方便、價廉的吸塵黑板擦的“可制造性”和“制造精度”是一對符合上述特點(diǎn)的技術(shù)沖突:有用特性“可制造性”(A)的提高將導(dǎo)致有害特性“制造精度”(B)的降低［8］。同理，黑板擦的“可制造性”分別與“裝置的復(fù)雜性”、“靜止物體的質(zhì)量”、“靜止物體的體積”等有害特性也存在技術(shù)沖突。

1.2 黑板擦的技術(shù)沖突1.2.1

技術(shù)沖突矩陣的建立

對于沖突問題的解決，TRIZ將技術(shù)特性參數(shù)做成沖突矩陣表，矩陣的行數(shù)和列數(shù)分別對應(yīng)惡化和改善的39個參數(shù)，表中提供了參數(shù)之間對應(yīng)沖突的發(fā)明原理解決方案。發(fā)明原理是TRIZ的核心內(nèi)容之一，共有40條，用編號體現(xiàn)在矩陣元素里。運(yùn)用時，一對沖突最多不超過4條解決原理，以免使用原理過多反而使問題的解決復(fù)雜化。

將黑板擦希望改進(jìn)的特性“可制造性”及其可能產(chǎn)生負(fù)面影響的特性“制造精度”、“裝置的復(fù)雜性”、“靜止物體的質(zhì)量”、“靜止物體的體積”等組成TRIZ沖突矩陣表，得到環(huán)保清潔黑板擦的沖突矩陣，如表1所示。行與列各技術(shù)特性交點(diǎn)處的數(shù)字表示解決相應(yīng)沖突適合使用的發(fā)明原理的編號。

該矩陣表達(dá)了TRIZ提示的改進(jìn)原理。通過查找表1沖突特性交匯處各編號所對應(yīng)原理，尋求對應(yīng)創(chuàng)新思維方向，得到表2沖突解決原理。

表1 環(huán)保清潔黑板擦的沖突矩陣Table 1 Environmentally－clean eraser conflictmatrix

1.2.2 技術(shù)沖突的解決

沖突矩陣所提供原理的作用是使原問題朝著改進(jìn)的方向發(fā)展，提示了最有可能解決問題的思維搜索方向，是帶有普遍性的一般解，但是不能直接得到?jīng)_突問題的特定解。原理的運(yùn)用需要結(jié)合特定的問題，由設(shè)計者沿著這個創(chuàng)造性思維的方向、根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗過濾掉一些明顯不符合要求的原理，然后把選定的可行原理應(yīng)用到待設(shè)計的系統(tǒng)中以求得特定解。

通過分析，首先采用表2沖突解決原理中出現(xiàn)了2次的原理:廉價替代品原理。根據(jù)廉價替代品原理，環(huán)保清潔黑板擦在制作中避免購買成本較高的零部件，優(yōu)先考慮對毛坯進(jìn)行加工以得到黑板擦各組成部分。

按照分割原理，環(huán)保清潔黑板擦按照擦塵部分、吸塵部分、積塵部分進(jìn)行設(shè)計制作。擦塵部分作用是方便、快捷擦掉粉筆字。擦子的形狀、材料合理與否將決定擦除效果。吸塵部分作用是防止粉塵直接飛散至空氣帶來的粉塵污染，吸收粉塵至指定位置;其主要依據(jù)的是微型電動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，帶動扇葉產(chǎn)生向后的強(qiáng)大氣流，使得粉塵沿氣流進(jìn)入積塵盒。積塵部分的作用是儲存粉塵，排除空氣。我們采用錐形漏斗式過慮裝置使得粉塵進(jìn)入積塵盒，并停留在積塵盒，在積塵盒外側(cè)膠結(jié)納米級過濾網(wǎng)排除氣流，并防止粉塵外泄。

在粉塵擦除中，我們將面臨黑板擦怎么快速、方便地在黑板上任意移動，如果擦子直接與黑板接觸，將帶來較大的摩擦阻力，達(dá)不到自動的目的。根據(jù)改變局部原理，在外殼前端安裝萬向輪，將由萬向輪帶動黑板擦移動，使得使用者不需要施力于黑板。

根據(jù)廉價替代品原理，黑板擦的制作將不會使用昂貴的工業(yè)零部件，而電動機(jī)與扇葉的同軸度在制作、使用中將決定吸塵部分的優(yōu)劣，如果同軸度誤差過大、連接不緊密將使得扇葉旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不穩(wěn)定，帶來噪音。而工業(yè)用微型聯(lián)軸器的市場價格至少為15元/個，電動機(jī)與扇葉間使用微型聯(lián)軸器將導(dǎo)致黑板擦價格的升高，使得本次設(shè)計因高于使用者的價格期望而失敗。根據(jù)復(fù)制原理我們可以使用鋁棒加工聯(lián)軸器，在滿足使用性的基礎(chǔ)上，盡可能降低黑板擦成本。

為了使黑板擦可實現(xiàn)局部擦除，根據(jù)改變參數(shù)原理，黑板擦的總體尺寸不宜過大，體積應(yīng)盡量小。

沖突矩陣表中相變原理沒有用到。原因是根據(jù)實際設(shè)計條件和經(jīng)驗，未找到對應(yīng)的特殊解。設(shè)計制作時，TRIZ原理的運(yùn)用必須與專業(yè)知識緊密結(jié)合，才可能得到有價值的解決方案?？梢姡O(shè)計者對問題的深入思考、創(chuàng)造性的思維及豐富的實踐經(jīng)驗在應(yīng)用TRIZ理論時是非常重要的。

過慮裝置是本設(shè)計的關(guān)鍵之一，能否方便地使氣流進(jìn)入積塵盒決定粉塵可否吸入積塵盒。之前，我們采用錐形漏斗式過慮裝置使得粉塵進(jìn)入積塵盒，并停留在積塵盒，但在實際制造中，錐形漏斗式過慮裝置會阻擋氣流流向積塵盒，使得氣流向前竄動，達(dá)不到預(yù)定要求。這也表明TRIZ理論給我們提供了解決問題的方向，但問題只有在實際實施中才能完全展現(xiàn)出來，必須結(jié)合實際狀況來提出有針對性的方法，才能很好地解決問題。我們可以采用如下思路:根據(jù)局部原理中使物體或外部介質(zhì)的活動部分成為不動的，而使不動的成為可動的，在使用時將過濾裝置變得活動，從而改變過濾裝置所處狀態(tài)，使得氣流可以最有效地進(jìn)入積塵盒，對于黑板擦中的過濾也即不工作時，過濾裝置要密封，工作時，過濾裝置要最大可能打開，為此借用百葉窗工作原理可以有效解決該問題，百葉窗過濾裝置示意圖如圖1所示。

圖1 過濾裝置示意圖Fig.1 Schematic of filtration device

1.3 黑板擦的物理沖突

1.3.1 物理沖突的描述

TRIZ理論的物理沖突涉及系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)(功能、特性或參數(shù))，指的是為了實現(xiàn)某種功能，一個子系統(tǒng)應(yīng)該具有一種特性，但同時要求出現(xiàn)與該特性相反的特性［7－8］。我們所設(shè)計的黑板擦既要便于控制，又要方便擦除粉筆字。一方面，黑板擦的體積越大，擦塵速度越快;另一方面，大體積的黑板擦難以實現(xiàn)局部擦除。顯然，黑板擦的體積符合上述描述，是本設(shè)計的物理沖突。

1.3.2 物理沖突的解決

通過分析，為解決黑板擦的體積問題，可以采用空間分離原理，改進(jìn)擦子的形狀，在使用材料盡可能少的情況下，將擦子擦除面積設(shè)計得盡可能大。為此，我們選擇擦子形狀為人字形，人字形最大的好處是無論黑板擦怎么移動，均可達(dá)到最大化擦除。另外，通過改進(jìn)擦子的材料，使用擦除便捷的毛絨也可以幫助改進(jìn)設(shè)計。

2 環(huán)保清潔黑板擦的最優(yōu)設(shè)計方案

基于上述技術(shù)沖突和物理沖突問題的解決，得到了環(huán)保清潔黑板擦創(chuàng)新方案的多個特定解。

基于這些創(chuàng)新原理，得出了最優(yōu)的設(shè)計方案，其中之一如圖2所示。環(huán)保清潔黑板擦的吸塵部分由微型電動機(jī)、電動機(jī)支架、葉輪及其連接部分組成。擦塵部分由外殼、萬向輪、擦子組成。積塵部分由過慮裝置、后蓋、儲塵室及過濾網(wǎng)組成。環(huán)保清潔黑板擦實物圖如圖3所示，控制電路部分如圖4所示。

圖2 環(huán)保清潔黑板擦裝配簡圖Fig.2 Assembly diagram ofenvironmentally－ clean blackboard eraser

圖3 環(huán)保清潔黑板擦實物圖Fig.3 The pictures of environmentally－clean Blackboard eraser

圖4 電路圖Fig.4 Circuit diagram

環(huán)保清潔黑板擦的工作原理如下:以裝在手柄底部電池盒的9 V電池作為扇葉吸附動力，依靠3個萬向輪及人字形擦子實現(xiàn)其在黑板上的任意移動和最大擦除，通過轉(zhuǎn)動過濾裝置旋鈕90°實現(xiàn)百葉窗開閉而收集粉塵。

3 結(jié)語

運(yùn)用TRIZ理論，指出設(shè)計黑板擦的技術(shù)沖突和物理沖突，采用沖突解決方法得出了一種環(huán)保清潔黑板擦的設(shè)計方案。該方案設(shè)計出的黑板擦具有操作簡便性、環(huán)保性、成本低廉性，實際使用效果良好。

［1］龔文蘭，劉慧中.教室內(nèi)的粉塵污染［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，1990，16(2):32.

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［3］袁湘月，年興，朱怡霖，等.新型除塵黑板擦的研究與改進(jìn)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，(4):11－13.

［4］上海市南匯區(qū)航頭學(xué)校.快捷黑板擦:中國，CN200920214370.X［P］.2010 －10 －13.

［5］黃斌，王冰，郭慶，等.新型無塵自動黑板擦的設(shè)計［A］.全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第十屆制造業(yè)自動化與信息化技術(shù)研討會論文集［C］.2011.

［6］劉江南，趙世雄，劉秋平.基于TRIZ的救援搶險車樹木打冰除雪裝置研究［J］.中國機(jī)械工程學(xué)報，2011，22(18):2167－2170.

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［8］涂銘旌，唐英，孟江平.創(chuàng)造發(fā)明的思路與方法［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報，2012，(2):1－4.