基于TRIZ理論的風(fēng)力滅火機創(chuàng)新設(shè)計

吳 晟，田星星

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

基于TRIZ理論的風(fēng)力滅火機創(chuàng)新設(shè)計

吳 晟，田星星

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

風(fēng)力滅火機是森林和城市草坪滅火的重要工具，發(fā)動機過熱是風(fēng)力滅火機效率偏低的主要因素之一。為提高設(shè)計效率，實現(xiàn)輔助創(chuàng)新方案設(shè)計，針對風(fēng)力滅火機的缺陷和不足，將發(fā)明問題解決原理(TRIZ)引入到機械產(chǎn)品方案設(shè)計中。利用先進的TRIZ工具矛盾矩陣和物—場模型對風(fēng)力滅火機進行系統(tǒng)分析，建立了基于TRIZ的機械產(chǎn)品方案設(shè)計。通過對風(fēng)力滅火機的改進實例分析表明，該方法有助于設(shè)計人員拓寬思考空間，打破思維定勢，輔助設(shè)計人員提出富有創(chuàng)造性的設(shè)計方案，并為機械領(lǐng)域產(chǎn)品創(chuàng)新提供科學(xué)的理論指導(dǎo)和指明探索方向。

TRIZ；風(fēng)力滅火機；物—場模型

風(fēng)力滅火機主要應(yīng)用在森林滅火、消防急救、園林綠化和公路工程等，也有用于工業(yè)生產(chǎn)。其工作原理就是利用發(fā)動機帶動風(fēng)機葉輪高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機產(chǎn)生高速強制氣流(風(fēng)速、風(fēng)量)吹散燃燒物產(chǎn)生的火苗和熱量，使氣流隔斷火苗與燃燒物，直至燃燒物表面溫度降到燃點以下破壞燃燒的條件，從而達到滅火的目的。風(fēng)力滅火機是森林和城市草坪滅火的重要工具，目前中國市場上的風(fēng)力滅火器水平參差不齊，國內(nèi)廣泛使用的小型便攜式風(fēng)力滅火機存在攜帶沉重、效率偏低以及噪聲過大等問題，其中發(fā)動機容易過熱，導(dǎo)致功率變小，引起風(fēng)量和風(fēng)速減小等，是亟需解決的問題之一。

TRIZ理論是發(fā)明問題解決理論，是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，其包含了技術(shù)系統(tǒng)演變的8大進化法則、物—場模型分析、40條發(fā)明原理、矛盾沖突的解決矩陣、76個標準解和ARIZ等理論。其中解決技術(shù)類問題的基本思想為問題的分析、理想解的確定、資源分析、沖突類型確定、矛盾問題解決原理、評價等幾個環(huán)節(jié)[1]。

1 現(xiàn)存問題的描述

6MF-26型風(fēng)力滅火機是江蘇林海動力機械集團公司的產(chǎn)品。由小型汽油機與離心風(fēng)機2個主要部分組成，其擁有重量較輕、體積小、易于啟動和移動、維護保養(yǎng)方便等優(yōu)點。汽油機一般是二沖程發(fā)動機，直接驅(qū)動小型的離心風(fēng)機，其中風(fēng)機主要是由葉輪與蝸殼組成。風(fēng)力滅火機在工作時，發(fā)動機的動力輸出軸直接驅(qū)動葉輪，在蝸殼中飛速的旋轉(zhuǎn)，外面的空氣被軸向吸入小型風(fēng)機內(nèi)，在流道里被加壓加速后從出風(fēng)管口噴出，見圖1。

6MF-26型風(fēng)力滅火機的風(fēng)速可達到27 m·s-1，不僅接近理論滅火的最大風(fēng)速，而且人員操作的穩(wěn)定性與安全性也可很好的保障。其具體參數(shù)見表1。

6MF-26風(fēng)力滅火機在工作時的功能模型分析圖見圖2[4-5]。一般情況下，從衛(wèi)星監(jiān)測和森林的分布監(jiān)測發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的具體事故地點，直到消防人員趕到時，需要一段較長的時間。根據(jù)圖2建立的風(fēng)力滅火機功能模型分析，在這段時間內(nèi)，森林的火災(zāi)迅速蔓延，火勢較大。滅火人員需要長時間操縱風(fēng)力滅火機，尤其是在高溫下作業(yè)且發(fā)動機長時間工作，會導(dǎo)致發(fā)動機快速發(fā)熱甚至是過熱。過熱的發(fā)動機會引起它的輸出功率下降，從而導(dǎo)致風(fēng)力不足。這種情況下，不但不會快速撲滅火焰，而且有可能助長火勢的快速蔓延。

表1 6MF-26技術(shù)參數(shù)

圖1 6MF-26型風(fēng)力滅火機

圖2 風(fēng)力滅火機功能模型

2 TRIZ理論創(chuàng)新原理的應(yīng)用

根據(jù)理想度模型分析可知，要想改善的工程參數(shù)是發(fā)動機的溫度。由于發(fā)動機只是風(fēng)力滅火機上的主要部件，對于風(fēng)力滅火機的使用者而言，在改善發(fā)動機溫度的同時，還需關(guān)注整機的重量和可維修性。風(fēng)力滅火機的廠家在降低發(fā)動機工作溫度的同時，還應(yīng)關(guān)注風(fēng)力滅火機本身的復(fù)雜性和可制造性。

在TRIZ理論39個通用參數(shù)中，將需改善的第17個參數(shù)：溫度、第1個參數(shù)：降低溫度將可能惡化的技術(shù)參數(shù)運動物體的重量、第32個參數(shù)：可制造性、第34個參數(shù)：可維修性、第36個參數(shù)：裝置的復(fù)雜性，利用阿奇舒勒矛盾矩陣表，可以得到適合的發(fā)明原理分別為2、4、6、10、16、17、22、26、27、36、38，見表2。對于在矛盾矩陣中得到的解決問題的創(chuàng)新原理進行逐條分析[2-3，6-7]。

原理2：抽取。此原理是從物體當(dāng)中拆分出“干擾”的部分或是相反，分出唯一需要的部分或者是需要的特性。還有就是把物體中的關(guān)鍵部分挑選或分離出來。根據(jù)抽取原理，把發(fā)動機從風(fēng)力滅火機抽取(分離)出來，可以使用傳遞裝置將其拖在后方，盡量遠離火災(zāi)現(xiàn)場。這樣便可以減少外環(huán)境對風(fēng)力滅火機的傳熱。但是，這種方法的靈活性相當(dāng)差以及穩(wěn)定性也不高，所以不予采用。

原理4：非對稱。此原理是將對稱的形式轉(zhuǎn)化為非對稱的形式，或者假如物體是不對稱的，則應(yīng)該加強它的不對稱形式[1]。此創(chuàng)新原理對解決問題的貢獻有限。

原理6：多用性。要使一個物體完成多種不同的功能，可以縮減原設(shè)計中完成這些不同功能的多個物體的個數(shù)[1]。可以通過利用半導(dǎo)體制冷器為主導(dǎo)，從而形成冷卻裝置。半導(dǎo)體制冷器的主要功能之一就是對某一對象或特定的對象進行散熱。將半導(dǎo)體制冷器裝在發(fā)動機與葉輪之間，通過熱傳遞將制冷的溫度傳遞給發(fā)動機的金屬保護殼中，這樣可起到降溫的效果；而葉輪所吸進來的熱風(fēng)就會接觸到制冷器從而轉(zhuǎn)化成溫度較低的冷風(fēng)。因此，可以快速使溫度降到著火點以下的溫度，提高滅火的效率。

原理10：預(yù)先作用。此原理是在操作前，就使物體的局部或者是全部產(chǎn)生了所需要的變化[1]。針對二沖程風(fēng)冷發(fā)動機，可加入質(zhì)量且冷卻效果較好的冷卻液，并且在發(fā)動機的內(nèi)部齒輪和傳動裝置涂上潤滑油，減少摩擦所帶來的巨大熱量?；蛘咔鍜呱嵫b置上的灰塵以免堵塞。這樣便可以減少發(fā)動機過熱的時間和現(xiàn)象。

原理16：部分超越。風(fēng)力滅火機的發(fā)動機整個外殼可采用新型的耐高溫材料。但是，新型的耐溫材料對于普通材料價格較高，可能超過使用者支付能力，所以這種方法是低效的，不可取。

原理17：維數(shù)變化。假如利用此原理將會導(dǎo)致重量的大幅度增加和巨大資本的投入，所以此創(chuàng)新原理對解決問題的貢獻是有限的。

表2 技術(shù)沖突及解決方法

原理22：變害為利。設(shè)置發(fā)動機溫控溫度的臨界點為55 ℃，再配備具有一定壓強的水箱裝置，接入風(fēng)力滅火機的出風(fēng)管的中間部位，當(dāng)溫度超過55 ℃時，溫控開關(guān)開水通過水管快速進入小管，在出風(fēng)管的管頭裝配上淋浴式管頭，這樣即使在功率不強和風(fēng)力不足的情況下，也起到快速滅火的作用。

原理26：復(fù)制。這條原理是通過簡單和低廉的復(fù)制品代替復(fù)雜、以損害、昂貴和不易操作物品。這種方案實施加大了操作人員的負重，不予采用。

原理27：廉價替代品。就是用一些低成本的物品來替代昂貴的物品，或者用一些不耐用的物體代替耐用的物體，而用有些特性來做這種處理。當(dāng)滅火人員進行滅火時，一旦發(fā)現(xiàn)所用的滅火機發(fā)熱就暫停不用，讓它自然冷卻，更換另一臺使用，就這樣交替著使用。這種方法不僅會增加購買成本，而且令操作者使用不便。

原理36：相變。此原理是利用物質(zhì)的狀態(tài)改變時發(fā)生的現(xiàn)象。此條原理對解決問題有限。

原理38：加速氧化。此條原理對解決問題有限，不予采用。

綜上所述，在矛盾矩陣中查得解決問題的創(chuàng)新原理只有原理6、10、22對風(fēng)力滅火機的改進有一定的改善作用。但是，依舊還有很大的提升空間，尤其是原理22對風(fēng)力滅火機的改善不是很明顯，雖然可以達到快速滅火的功能，但增加了整機的重量。

圖3 有問題的物—場模型

3 物—場模型分析

圖5 新型風(fēng)力滅火機

物—場模型分析法是用一些符號來表達技術(shù)系統(tǒng)的變換，它是以解決問題當(dāng)中的各類矛盾為中心，借助建立系統(tǒng)內(nèi)的模型，可以正確地描述出系統(tǒng)的構(gòu)成要素和構(gòu)成要素之間的聯(lián)系。

有效降低風(fēng)力滅火機長時間工作時的過熱現(xiàn)象，不僅要考慮如何保證滅火效率，還要考慮成本投入和產(chǎn)品市場競爭力等方面。以上問題物—場模型的建立如圖3所示。圖中指出風(fēng)力滅火機S2產(chǎn)生的機械場F1對林火S1產(chǎn)生了作用，但是作用力不足。依據(jù)問題的物—場模型，從標準發(fā)明系統(tǒng)里找到解決方案圖4，在原來的物—場模型中加入另外一個機械場F2，增強了F1的作用，可以達到快速滅火的目的。

常規(guī)的便攜式風(fēng)力滅火機，是使用皮帶掛在滅火人員的胸前，由滅火人員雙手操作。根據(jù)物—場模型分析設(shè)計的風(fēng)力滅火機，可將CO2氣瓶用皮帶背在滅火人員的背上(4 L鋼瓶的重量約為7 kg左右，鋁瓶重量更輕)，用軟氣管與風(fēng)力滅火機的出風(fēng)管相連，CO2便可通過氣管進入到風(fēng)管內(nèi)。只需在風(fēng)力滅火機工作時打開CO2瓶，便可有效的起到滅火的作用。

4 最終創(chuàng)新方案的擬定

綜合考慮各種可能影響因素(功率、重量、成本等)的作用以及上述發(fā)明原理和物—場分析的解決方案，擬定出風(fēng)力滅火機的創(chuàng)新設(shè)計見圖5。在風(fēng)力滅火機的二沖程發(fā)動機與風(fēng)葉之間安裝一套制冷裝置，此裝置由半導(dǎo)體制冷器為核心，不僅能對二沖程發(fā)動機起到很好的散熱作用，還能對從風(fēng)機進氣口的自然風(fēng)進行冷卻。其次，在風(fēng)力滅火機中設(shè)計一個溫控開關(guān)，其溫控開關(guān)的臨界點為55 ℃，配套CO2氣罐。當(dāng)發(fā)動機開始過熱時，溫控開關(guān)自動開啟，經(jīng)過風(fēng)力鼓吹，能使CO2快速的覆蓋在燃燒物的表面。

5 總結(jié)

利用TRIZ理論對風(fēng)力滅火機進行創(chuàng)新設(shè)計，解決了機械創(chuàng)新設(shè)計中的技術(shù)矛盾，而且推薦的具體方法，比如矛盾矩陣和物—場模型分析，可以得到較為滿意的設(shè)計方案。TRIZ理論很大程度上加快了創(chuàng)新設(shè)計的效率，還可幫助工作人員對問題進行系統(tǒng)的分析，打破傳統(tǒng)思考問題的方式，迅速發(fā)現(xiàn)并了解問題的矛盾或本質(zhì)?？捎行Эs短發(fā)明周期，提升發(fā)明成功的概率，也使得發(fā)明問題具有一定可預(yù)見性。

產(chǎn)品創(chuàng)新是個系統(tǒng)性的問題，解決問題的方法不是唯一的，通常包含著互相矛盾的需要，很難通過一步就得以解決。TRIZ理論分析解決問題時，會根據(jù)標準的解決方案模型提出解決問題的具體方案，但存在著操作實施的難度與復(fù)雜度，而且一些較特殊的問題還是需要借助試錯法或頭腦風(fēng)暴法的應(yīng)用。

[1]根里奇·阿奇舒勒.創(chuàng)新算法：TRIZ系統(tǒng)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)造力[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

[2]陳國晶，曹賀，劉訓(xùn)濤.TRIZ理論在重力選風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置改進設(shè)計中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2010，36(1)：18-19.

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The Innovation Design for the Wind Extinguisher based on the TRIZ

WU Sheng，TIAN Xing-xing

(TaiZhouInstituteofSci.&Tech.，Njust，CollegeofMechanicalEngineering，TaiZhou225300，Jiangsu，China)

The wind extinguisher is an important tool for extinguishing fire on the forest and the city lawn，and the engine overheating is one of the main factors of wind fire extinguishing machine efficiency.In order to improve the design efficiency，make the aided innovation design，this paper used the theory of inventive problem solving(TRIZ) into the design of mechanical products to make up the design defects and shortcomings in the wind extinguisher.The use of the contradiction matrix in TRIZ and substance-field model in analyzed the wind extinguisher，which can establish the conceptual design of mechanical products.Through the improvement of the wind extinguisher shows that，TRIZ is helpful to broaden the thinking space for the designers，to break the mindset，to help designers design creative，and to provide theoretical guidance and designate the exploration direction for the mechanical production design.

TRIZ；wind extinguisher；substance—field model

2014-06-20；

2014-07-17

吳晟(1982—)，男，湖北漢川人，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院機械工程學(xué)院講師，碩士，從事生產(chǎn)與運作管理、物流與供應(yīng)鏈管理研究。E-mail:prynne@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.017

S776.29+4；TH122

A

1002-7351(2015)02-0077-04