TRIZ理論在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究*

王曉娟，任小青

(青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016)

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TRIZ理論在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究*

王曉娟，任小青

(青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016)

摘要：在全球化技術(shù)激烈的競爭中，如何快速開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)及產(chǎn)品，已成為提升企業(yè)綜合競爭力的關(guān)鍵。TRIZ理論已被證明是一套先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新理論，在許多著名的高新技術(shù)企業(yè)獲得成功的應(yīng)用，創(chuàng)新效果顯著。為提高國內(nèi)產(chǎn)品的創(chuàng)新效率，介紹了TRIZ理論解決問題的基本原理，給出了基于TRIZ理論的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例，應(yīng)用TRIZ理論方法進(jìn)行了組件功能分析、組件價(jià)值分析，并得出最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，證明了TRIZ理論在機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中可行性，為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出一種新的思路。采用與TRIZ理論體系相結(jié)合的創(chuàng)新模式，對(duì)提高企業(yè)自主創(chuàng)新能力有著十分重要的作用。

關(guān)鍵詞：TRIZ； 創(chuàng)新設(shè)計(jì)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)市場競爭的需要，機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)愈顯迫切。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)方法周期長、成本大，已不能滿足現(xiàn)代市場的需求。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是創(chuàng)新[1]。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使用要求、經(jīng)濟(jì)性要求和社會(huì)要求。企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵的因素是如何獲得創(chuàng)新產(chǎn)品，適應(yīng)市場需求的產(chǎn)品，而創(chuàng)新方法是企業(yè)新產(chǎn)品成功開發(fā)的重要工具。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要突破原有的模式方法， 這就是創(chuàng)新。創(chuàng)新方法是科技創(chuàng)新的手段，也是科技創(chuàng)新的內(nèi)容，創(chuàng)新方法又聚焦TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)理論，運(yùn)用TRIZ理論的多種工具是產(chǎn)生創(chuàng)意的重要手段。TRIZ創(chuàng)新理論作為現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域的核心創(chuàng)新方法已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)[2]。

1TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員提出的發(fā)明問題解決理論[3]。經(jīng)過50多年的發(fā)展,TRIZ已成為技術(shù)問題或發(fā)明問題解決的強(qiáng)有力方法學(xué)，應(yīng)用該方法學(xué)已解決了前蘇聯(lián)、美國、歐洲和日本等許多國家企業(yè)成千上萬產(chǎn)品幵發(fā)中的難題[4]。

作為系統(tǒng)的方法論,TRIZ 理論成功揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理, 將其應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)之中，可很大程度上縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期，加快工程創(chuàng)新的速度，提高企業(yè)的創(chuàng)新能力[5-6]。

2基于TRIZ理論的產(chǎn)品開發(fā)流程

TRIZ理論是由解決技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，其主要內(nèi)容包括:技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理、39項(xiàng)技術(shù)特性、沖突矩陣、物質(zhì)一場分析、76個(gè)發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解決方法、發(fā)明問題解決算法(ARIZ)以及工程效應(yīng)知識(shí)庫等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，上述各項(xiàng)內(nèi)容都能從不同方面對(duì)設(shè)計(jì)人員提供創(chuàng)新方案的指導(dǎo)。應(yīng)用TRIZ理論求解產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程。

TRIZ理論作為系統(tǒng)的方法論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理,將其融合在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，作為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要工具，可很大程度上提高工程創(chuàng)新的速度，同時(shí)縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，提高開發(fā)效率，在制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用。基于TRIZ理論的產(chǎn)品開發(fā)流程如圖1所示。

3基于TRIZ理論的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新實(shí)例

通過下述實(shí)例簡要說明開發(fā)流程及TRIZ理論在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用。現(xiàn)代工業(yè)對(duì)環(huán)境的潔凈度要求越來越嚴(yán)格，而螺桿泵以其優(yōu)越的抽氣性能得到了用戶的青睞。干式螺桿真空泵具有可靠性高、壽命長、強(qiáng)制輸氣和多相混輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，其抽氣的關(guān)鍵部件就是一對(duì)相嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子。

3.1組件功能分析

現(xiàn)有真空泵單一的轉(zhuǎn)子型線都會(huì)形成吸氣封閉容積，導(dǎo)致螺桿真空泵功耗增加，效率降低，運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，噪聲大。干式真空泵在吸入濕空氣或者空氣中的其他雜質(zhì)時(shí)，轉(zhuǎn)子表面在高溫高壓下易受到腐蝕，縮短轉(zhuǎn)子的壽命；在高速旋轉(zhuǎn)情況下，抽氣和排氣過程中產(chǎn)生大量的熱，使得轉(zhuǎn)子受熱變形，轉(zhuǎn)子可能產(chǎn)生干摩擦，破壞系統(tǒng)性能。

基于上述問題，應(yīng)用TRIZ理論對(duì)真空泵系統(tǒng)進(jìn)行組件的功能分析，通過組件模型分析(見圖2)，描述了系統(tǒng)中的組件都有哪些，以及它們之間的相互關(guān)系，并得出影響真空泵工作性能的3個(gè)功能因素：1)轉(zhuǎn)子無法得到良好的冷卻；2)環(huán)境無法改變，轉(zhuǎn)子表面強(qiáng)度需提高；3)齒輪的精確嚙合直接影響轉(zhuǎn)子的嚙合。

3.2組件價(jià)值分析

組件價(jià)值分析如圖3所示。通過對(duì)組件理想度進(jìn)行診斷分析，為了簡化和理想化的系統(tǒng)，給出系統(tǒng)裁剪思路:1)通過移除區(qū)域D中的冷卻系統(tǒng)簡化系統(tǒng)；2)通過增加其功能貢獻(xiàn)來改進(jìn)區(qū)域C中的系統(tǒng)組件——陽轉(zhuǎn)子、齒輪和軸承。

3.3組件優(yōu)化

通過對(duì)組件功能和組件價(jià)值進(jìn)行分析，得出目前市場上真空泵的主要缺點(diǎn)和進(jìn)一步改進(jìn)措施，具體如下。

1)泵轉(zhuǎn)子的型線有理論型線和實(shí)際型線之分,其理論型線要求保證轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中,2個(gè)轉(zhuǎn)子始終保持互相嚙合,故轉(zhuǎn)子的理論型線應(yīng)做成共扼曲線,但是干式泵實(shí)際工作時(shí),2個(gè)轉(zhuǎn)子的表面是不接觸的,要求轉(zhuǎn)子之間保持一定的間隙；因此，應(yīng)該在轉(zhuǎn)子的理論型線的基礎(chǔ)上去掉間隙，得到轉(zhuǎn)子的實(shí)際型線。

2)在吸入濕度大的空氣或工業(yè)廢氣時(shí)，轉(zhuǎn)子表面易被腐蝕，使其表面強(qiáng)度降低，壽命縮短；同時(shí)轉(zhuǎn)子由于質(zhì)量不均勻，旋轉(zhuǎn)時(shí)還會(huì)發(fā)生振動(dòng)。 在泵的吸入端設(shè)置干燥和過濾系統(tǒng)，可降低轉(zhuǎn)子的腐蝕程度。

3)轉(zhuǎn)子在不斷旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)壓縮空氣，產(chǎn)生熱量，致使轉(zhuǎn)子溫度升高，易受熱變形，轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生摩擦振動(dòng)?？蓮霓D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和材料入手，設(shè)計(jì)散熱性好的轉(zhuǎn)子。

再結(jié)合TRIZ理論的小人法，以改善轉(zhuǎn)子的型線、增強(qiáng)表面強(qiáng)度以及降低轉(zhuǎn)子的溫度為著手點(diǎn)，形成解決方案。但是，這些方案都可能帶來系統(tǒng)的復(fù)雜性增加等不可預(yù)測(cè)的問題。

4結(jié)語

在制造業(yè)高速發(fā)展的時(shí)代，TRIZ理論是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要途徑之一，而TRIZ理論通過中間工具建立了問題模型和結(jié)果模型之間的聯(lián)系，是一種程式化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段。TRIZ理論、創(chuàng)新方法和工具的合理應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)的創(chuàng)新目標(biāo)，提高自身的創(chuàng)新能力，縮短產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新周期，推動(dòng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長。

組件功能分析僅僅是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的初步階段，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組件價(jià)值分析，組件結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)、再分析，從而實(shí)現(xiàn)重大改型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這才是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的真正價(jià)值和意義所在；因此，應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行集成，進(jìn)行現(xiàn)代產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新的發(fā)展方向，也是現(xiàn)代產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的需要，在企業(yè)中應(yīng)對(duì)TRIZ創(chuàng)新方法實(shí)施推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王亮申. TRIZ創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理[M]. 北京:科學(xué)出版社,2010.

[2] 趙敏,史曉凌,段海波. TRIZ入門及實(shí)踐[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2008.

[3] 呂欣. 基于TRIZ理論中39矛盾矩陣與40創(chuàng)新原則的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J]. 包裝工程,2009,30(5): 211-213.

[4] 劉江南,劉秋平. 基于沖突分析的工程車路面除雪裝置創(chuàng)新研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,38(6):33-36.

[5] HAN B B, WANG J. Statistic analysis and visualization of Triz research articles in china[J]. Library&Information Studies,2011,4(2):54-59.

[6] 高長青．TRIZ——發(fā)明問題解決理論[M]. 北京：科學(xué)出版社,2011.

* 教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2012090)

科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)項(xiàng)目(2012IM020800)

責(zé)任編輯彭光宇

The Applied Research of TRIZ Theory in Product Design

WANG Xiaojuan， REN Xiaoqing

(School of Mechanical Engineering of Qinghai University， Xining 810016， China)

Abstract：In the fiercer global competition, rapidly developing high and new technology and its product which has its own intellectual property rights has becomes the key for enterprise to enhance their comprehensive competence.TRIZ theory is a set of advanced innovation theory system,which has been successfully applied in many well-known enterprise, and the innovation effect is remarkable.To improve product innovation efficiency， based on TRIZ theory of the basic principle to solve the problem and the product design process is illustrated. Applying TRIZ theory, product component function and value are analyzed in the example of product design， and a solution of product design is proposed. With the example feasibility is proved, a new problem sovling method is provided for product creative design.Applying innovation pattern and method that matches with TRIZ theory is necessary and important to enhance the innovation capability of enterprise.

Key words:TRIZ， creative design， product design

中圖分類號(hào)：TH 122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡介：王曉娟(1974-)，女，副教授，碩士，主要從事機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等方面的研究。

收稿日期：2015-06-05