TRIZ理論在靜電衣物除塵器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張金玲 潘曼 陳浩 孫澤成

摘 要： 以靜電衣物除塵器設(shè)計(jì)過(guò)程為例，分別從問(wèn)題描述、系統(tǒng)分析、運(yùn)用TRIZ工具、技術(shù)方案整理與評(píng)價(jià)四方面介紹TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，TRIZ理論能夠幫助人們多角度分析問(wèn)題，揭示問(wèn)題的本質(zhì)，找到解決問(wèn)題的方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，開(kāi)發(fā)出更多創(chuàng)新產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞： TRIZ； 創(chuàng)新設(shè)計(jì)； 靜電衣物除塵器

中圖分類號(hào)： TP 472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2016）02-0098-04

1 問(wèn)題描述

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altshuller在1946年提出的，主要用于解決實(shí)際問(wèn)題，特別是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)（技術(shù)和管理）創(chuàng)新[1]。它是一種方法學(xué)，特別適用于解決工程技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題。在人們?nèi)粘Ｉ钪须x不開(kāi)衣物除塵裝置，目前人們使用的衣物除塵裝置多采用粘塵紙、粘毛器、滾刷、毛刷等，這些產(chǎn)品大都需要與衣物直接接觸，在吸附灰塵后清潔也頗為困難，極易造成二次污染。對(duì)于質(zhì)地柔軟、高檔精薄面料的衣物，這些產(chǎn)品就顯得不太適宜了。本研究設(shè)計(jì)的靜電衣物除塵器能很好地解決這一問(wèn)題，它可以不接觸衣物靠靜電吸附來(lái)去除灰塵。本文以靜電衣物除塵器的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡述TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，以便于人們加深對(duì)TRIZ理論的理解。

2 系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)完備性法則

任何一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能的必要條件是：在該系統(tǒng)中一定包含4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的基本子系統(tǒng)，即動(dòng)力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置。整個(gè)系統(tǒng)需要從能量源接受能量，再由動(dòng)力裝置將能量轉(zhuǎn)換成技術(shù)系統(tǒng)所需的使用形式，傳輸裝置將能量傳輸?shù)綀?zhí)行裝置，按照?qǐng)?zhí)行裝置的特性進(jìn)行調(diào)整，最終作用于產(chǎn)品上[2]。分析過(guò)程如圖1所示。

2.2 多屏幕法

多屏幕法是系統(tǒng)化的創(chuàng)新思維方式，是一種分析問(wèn)題的手段，可以更好地幫助使用者質(zhì)疑和超越常規(guī)，克服思維定勢(shì)，為解決生活和工程中的疑難問(wèn)題，提供清晰的思維路徑。練習(xí)多屏幕思維方式，可以鍛煉人們的創(chuàng)造力，提高人們解決問(wèn)題的能力。具有可操作性、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。如圖2所示，利用九屏圖多層次、多方位地分析了除塵器的系統(tǒng)狀況，以便更好地找到解決問(wèn)題的方法。

2.3 生命曲線分析

每個(gè)技術(shù)系統(tǒng)都要經(jīng)歷嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期。 S-曲線完整地描述了一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中從孕育、成長(zhǎng)、成熟到衰退的變化規(guī)律的曲線。隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越重視生活品質(zhì)的提高，而穿著則是生活品質(zhì)提高的重要體現(xiàn)。一般衣物除了定期清洗外，還需要日常對(duì)衣物表面進(jìn)行清理除塵。如果開(kāi)發(fā)一種能減輕人力且盡可能少地?fù)p耗衣物的除塵器，一定會(huì)受到人們的歡迎。因此，靜電衣物除塵器應(yīng)處于生命曲線的成長(zhǎng)期和成熟期的交匯處，如圖3所示。

3 運(yùn)用TRIZ工具解決問(wèn)題

3.1 最終理想解

40個(gè)發(fā)明原理是運(yùn)用TRIZ解決問(wèn)題的基本方法。首先將一個(gè)待解決的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為問(wèn)題模型，然后針對(duì)不同的問(wèn)題模型，應(yīng)用不同的TRIZ工具，得到解決方案模型；最后將這些解決方案模型應(yīng)用到具體的問(wèn)題之中，得到問(wèn)題的解決方案。在除塵器設(shè)計(jì)過(guò)程中，最終目標(biāo)是去除衣物表面灰塵，最理想化最終結(jié)果是實(shí)現(xiàn)易操作、節(jié)省人力、不損壞衣物表面。在實(shí)際工作中除塵器需要與衣物直接接觸，出現(xiàn)這種情況的結(jié)果是除塵器工作效率低下。避免出現(xiàn)這種情況的條件是，利用電能產(chǎn)生電場(chǎng)，采用靜電吸附的工作原理進(jìn)行除塵工作。在追求最終理想解的過(guò)程中，可將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化技術(shù)矛盾和物理矛盾兩種問(wèn)題模型[3]。

3.2 技術(shù)矛盾

為了適應(yīng)各種除塵表面，需要靜電衣物除塵器具有功率可調(diào)功能。這樣不僅能達(dá)到高效除塵的效果，還能減少電能消耗。但這樣會(huì)使靜電衣物除塵器整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜，轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)工作參數(shù)是適應(yīng)性、通用性和系統(tǒng)復(fù)雜性之間的技術(shù)矛盾，在矛盾矩陣中查到上述沖突的原因，如表1所示。

表1中：數(shù)字15為動(dòng)態(tài)原理（使不動(dòng)的物體成為動(dòng)的）；29為氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理（用氣體結(jié)構(gòu)和液體結(jié)構(gòu)代替物體的固體的部分）；37為熱膨脹原理（利用材料的熱膨脹（或熱收縮））；28為機(jī)械系統(tǒng)代替原理（用電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)同物體相互作用）。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，選擇代替原理28. 機(jī)械系統(tǒng)代替原理作為解決辦法。原本除塵輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要有減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在引入單片機(jī)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，用電磁系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)，達(dá)到提高靜電衣物除塵器通用性的同時(shí)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的。

3.3 物理矛盾

在考慮到靜電衣物除塵器應(yīng)該具有長(zhǎng)時(shí)間工作的能力，故需要較大的灰塵存儲(chǔ)空間和以電池為核心的電路控制系統(tǒng)，這要求靜電衣物除塵器具有較大的體積，但是為了便于日常使用，靜電衣物除塵器應(yīng)具有較小的體積。所以采用空間分離的方法，應(yīng)用嵌套原理作為解決問(wèn)題的方法。將除塵輪做成空心，將電路控制系統(tǒng)（包括電機(jī)、電芯、單片機(jī)等）整體封裝于密封裝置中，并將其安放在除塵輪內(nèi)。

4 技術(shù)方案整理與評(píng)價(jià)

4.1 全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)

4.1.1 能適應(yīng)各種工作表面的除塵器

方案一：傳統(tǒng)的粘貼式衣物除塵器在除塵工作時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)衣物表面有較大的損傷。

方案二：市面上有一種自摩擦靜電式衣物除塵器雖然能提高除塵效率，但依然需要與衣物直接接觸，不適用于精薄面料的衣物除塵。

運(yùn)用TRIZ發(fā)明解決原理1分割原理得到如下方案：

方案三：通過(guò)將傳統(tǒng)的靜電式除塵器的起電工序與除塵工序分離的方法，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)除塵輪轉(zhuǎn)動(dòng)，除塵輪與摩擦棒接觸，通過(guò)摩擦使除塵輪產(chǎn)生靜電，當(dāng)轉(zhuǎn)至工作面，除塵輪不需直接接觸衣物就可吸附上面的灰塵，之后除塵輪又轉(zhuǎn)入外殼以內(nèi)，與內(nèi)部的除塵刷接觸，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生靜電與除塵分割開(kāi)來(lái)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，方案三可實(shí)現(xiàn)各種材質(zhì)衣物表面的除塵工作，且不傷衣物。

4.1.2 根據(jù)衣物清潔難易程度可輸出不同功率的除塵器

方案一：采用齒輪減速機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)整體體積較大。

方案二：采用降壓直流電機(jī)，易于調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，但電機(jī)成本較高。

運(yùn)用表1中的28機(jī)械系統(tǒng)的代替原理得到如下方案：

方案三：引入單片機(jī)作為電路控制中心，通過(guò)單片機(jī)調(diào)整電芯輸出電壓，進(jìn)而改變輸出功率。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，方案三不僅極大地簡(jiǎn)化了靜電衣物除塵器內(nèi)部的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，而且節(jié)約空間。

4.1.3 體積盡量小巧，力求便攜、實(shí)用

方案一：傳統(tǒng)的解決方法是縮小馬達(dá)、電芯以及機(jī)械機(jī)構(gòu)的體積，但是卻會(huì)極大地提高制造成本。

運(yùn)用TRIZ理論中的嵌套原則得到如下方案：

方案二：將電芯、控制芯片以及電機(jī)等電控元件整體封裝，通過(guò)螺紋連接與外殼連成一體，并設(shè)置在除塵輪內(nèi)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，方案二通過(guò)將電路系統(tǒng)整體封裝于密封裝置中，并放置在空心的除塵輪內(nèi)，既提高了靜電衣物除塵器整體的集成性，又縮小了裝置的體積。

4.2 最終確定方案

綜合以上缺陷，利用TRIZ理論設(shè)計(jì)了以下這款新型靜電衣物除塵器。

4.2.1 組成及結(jié)構(gòu)

如圖4所示，靜電衣物除塵器由以下各部分組成：外殼1，除塵輪2，摩擦棒3，清潔門4，除塵刷5，電芯6、電機(jī)7、控制芯片8，端蓋9，調(diào)速開(kāi)關(guān)10，電源指示燈11，充電插孔12，密封裝置13。組裝后如圖5所示。圖5中，裝置最外層是外殼，外殼包裹著除塵輪，除塵輪一端嵌入殼體，另一端與電機(jī)相嚙合，它是用以在工作中依靠靜電吸附灰塵；摩擦棒一端嵌入端蓋，另一端嵌入外殼內(nèi)，它與除塵輪相接觸，工作時(shí)除塵輪在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，與摩擦棒接觸通過(guò)摩擦使除塵輪帶上靜電；在殼體背面有清潔門，它是用來(lái)儲(chǔ)存和清理除塵刷刷下來(lái)的灰塵；在清潔門打開(kāi)一側(cè)，裝有可拆卸除塵刷，用以刷去除塵輪上粘附的灰塵；除塵輪內(nèi)部是密封裝置，裝置內(nèi)設(shè)有電芯、電機(jī)、控制芯片等電器元件，電芯采用18650電芯，控制芯片是51單片機(jī)，該芯片能調(diào)整電芯的輸出電壓，電機(jī)是直流電機(jī)，隨著輸入電壓的不同，可以輸出不同的轉(zhuǎn)速，它們被封裝在一起并與外殼通過(guò)螺紋連為一體；殼體靠近手柄處，還設(shè)有控制除塵輪轉(zhuǎn)速的調(diào)速開(kāi)關(guān)以及電池使用狀態(tài)指示燈，手柄末端設(shè)有充電插孔。

4.2.2 工作原理

在裝置工作時(shí)，首先打開(kāi)手柄處的調(diào)速開(kāi)關(guān)，然后根據(jù)除塵表面情況選擇合適的工作檔位，控制芯片通過(guò)控制電芯的輸出電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)通過(guò)鍵連接帶動(dòng)除塵輪旋轉(zhuǎn)，與摩擦棒通過(guò)摩擦產(chǎn)生靜電，與外部工作面靠近時(shí)，由除塵輪上的靜電吸附衣物上的灰塵，之后除塵輪轉(zhuǎn)入外殼內(nèi)部，與除塵刷相接觸，刷掉除塵輪上的灰塵，并暫時(shí)儲(chǔ)存在由清潔門和外殼組成的儲(chǔ)灰槽中。這樣裝置完成了一次工作循環(huán)，之后除塵輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行下一次的工作循環(huán)。

5 結(jié)束語(yǔ)

把TRIZ理論應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[4]，有助于人們分析問(wèn)題情境，快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)或矛盾，能夠準(zhǔn)確確定問(wèn)題探索方向，突破思維障礙，打破思維定勢(shì)，以新的視覺(jué)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題[5]。靜電衣物除塵器的設(shè)計(jì)成功的運(yùn)用了這一理論，使其達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)要求，同時(shí)簡(jiǎn)化了我們的設(shè)計(jì)過(guò)程。

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（責(zé)任編輯：徐興華）