TRIZ理論在有機(jī)廢棄物處理機(jī)創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用

陳 晨， 張 樂， 孫志學(xué)

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

TRIZ理論在有機(jī)廢棄物處理機(jī)創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用

陳 晨， 張 樂， 孫志學(xué)

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

為解決現(xiàn)有廢棄物處理機(jī)帶來的資源浪費(fèi)和二次污染問題，從改進(jìn)處理機(jī)的功能結(jié)構(gòu)入手，將TRIZ理論應(yīng)用到處理機(jī)創(chuàng)新設(shè)計當(dāng)中。TRIZ理論中的物理沖突定義和分離方法應(yīng)用、技術(shù)沖突定義和發(fā)明原理應(yīng)用，為處理機(jī)產(chǎn)品提供了創(chuàng)新設(shè)計思路，得到了一種集粉碎研磨和造粒于一體的新型處理機(jī)設(shè)計方案，并通過建模渲染得到了該方案的三維數(shù)字化模型。通過優(yōu)化產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)，使廢棄物資源得到合理利用，處理機(jī)的操作更加人性化，節(jié)約了水資源，避免了二次污染的發(fā)生，達(dá)到了人、產(chǎn)品、環(huán)境的和諧相處。

TRIZ理論； 有機(jī)廢棄物處理機(jī)； 創(chuàng)新設(shè)計； 物理沖突； 技術(shù)沖突

廢棄物的回收處理再利用是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重要手段之一，家庭生活中每天都會產(chǎn)生大量的有機(jī)廢棄物，其合理化處理耗費(fèi)著大量的人力、物力、財力及社會資源。美國早在20世紀(jì)40年代就成功地研制出食物垃圾處理機(jī)，近年來發(fā)展傾向于采用堆肥工藝制成肥料或加工成動物飼料的資源化處理技術(shù)；日本的電器公司也將處理機(jī)作為一項(xiàng)很有潛力的產(chǎn)品，投入一定的人力物力進(jìn)行研制和推廣[1]。國內(nèi)一些發(fā)達(dá)地區(qū)如北上廣等大型城市也開始了處理機(jī)產(chǎn)品的研制，但目前針對家庭場所使用的處理機(jī)都是安裝在廚房水盆排水口下面，將有機(jī)廢棄物粉碎研磨后，借助水力直接沖入下水管道。在一定程度上，該處理機(jī)產(chǎn)品減少了生活廢棄物的產(chǎn)生量，削減了廢棄物的處理成本，但勢必會對城市污水系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響[2]。而且相關(guān)研究表明，有機(jī)廢棄物含有豐富的營養(yǎng)成分，其經(jīng)過合理處置后是制作動物飼料、有機(jī)肥的重要原材料，是一種健康的高價值的生物質(zhì)資源[3]。對此，應(yīng)用TRIZ理論(發(fā)明問題解決理論)，結(jié)合有機(jī)廢棄物的特性，以環(huán)保、高效和易操作為設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)行有機(jī)廢棄物回收處理設(shè)備的創(chuàng)新安全設(shè)計，增強(qiáng)了產(chǎn)品的人性化設(shè)計。

圖1 TRIZ解決發(fā)明問題流程圖

1 TRIZ理論

TRIZ理論是“發(fā)明問題解決理論”的俄文縮略詞的英譯，是在對多學(xué)科領(lǐng)域的法則和原理的總結(jié)歸納下所形成的理論體系，其主要由39個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理及39×39個沖突解決矩陣組成[4]。運(yùn)用TRIZ理論解決發(fā)明問題的流程如圖1所示。首先，根據(jù)具體的產(chǎn)品，對所存在的問題進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題，進(jìn)而確定沖突區(qū)域；其次，應(yīng)用TRIZ理論的39個通用工程參數(shù)對上述問題進(jìn)行描述，并找到該問題所對應(yīng)的工程參數(shù)；然后，應(yīng)用TRIZ工具找到相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法；最后，基于對發(fā)明原理和分離原理的深刻理解，并根據(jù)所掌握的知識，找到解決此類沖突的最佳思路，具體化得到實(shí)際解決方案。

2 TRIZ理論應(yīng)用實(shí)踐

2.1 問題描述

處理機(jī)在使用過程中要同時滿足產(chǎn)品的使用環(huán)境、產(chǎn)品對廢棄物的回收處理和產(chǎn)品的機(jī)械性能等要求。通過對處理機(jī)的目標(biāo)用戶的中高端消費(fèi)群體(年齡段為30～60歲)進(jìn)行需求分析，并運(yùn)用層次分析法對分析結(jié)果進(jìn)行分類整理，從下往上依次建立處理機(jī)的用戶需求層次結(jié)構(gòu)圖(見圖2)，最終將用戶需求轉(zhuǎn)化為處理機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計概念[5]。

圖2 處理機(jī)用戶需求層次結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)目標(biāo)用戶對處理機(jī)的需求，再結(jié)合現(xiàn)有處理機(jī)的功能(廢棄物的轉(zhuǎn)化處理)，經(jīng)過進(jìn)一步的歸納、總結(jié)，將處理機(jī)的設(shè)計概念描述為以下3個問題。

(1)現(xiàn)有處理機(jī)能夠根據(jù)要求完成廢棄物的轉(zhuǎn)化處理，整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，重量適中。但是要求處理機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物資源的回收再利用，且要求處理過程迅速，則需要給處理機(jī)產(chǎn)品增添新的功能，來滿足用戶的實(shí)際需求，但這樣的設(shè)計會使處理機(jī)整體重量增加。

(2)現(xiàn)有處理機(jī)在完成廢棄物的轉(zhuǎn)化處理后需要借助水力排入下水管道，造成了大量水資源的浪費(fèi)。在倡導(dǎo)綠色設(shè)計的時代背景下，要求處理機(jī)裝置具有可節(jié)約水資源的環(huán)保性能。所以在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，可通過提高處理機(jī)的自動化程度，使其在完成轉(zhuǎn)化處理之后無需借助水力就可自動排放廢棄物。但依據(jù)這樣的設(shè)計思路，會造成處理機(jī)的形態(tài)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

(3)經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理的廢棄物往往通過排水管道進(jìn)入下水道，易造成城市二次水污染。因此，應(yīng)改善處理機(jī)自身產(chǎn)生的有害因素，保證處理機(jī)各結(jié)構(gòu)的合理布局，并改變現(xiàn)有處理機(jī)的排放方式，使其對處理后的廢棄物能夠進(jìn)行合理利用，但因此會造成處理機(jī)形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.2 沖突分析

2.2.1 物理沖突分析

物理沖突是指在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的某種功能的過程中，一個子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有一種特性，但同時也存在與該特性相反的特性[6]。應(yīng)用TRIZ理論，定義處理機(jī)設(shè)計中的物理沖突為：一方面，廢棄物需要通過粉碎研磨處理后排放掉；另一方面，廢棄物需要合理利用。

2.2.2 技術(shù)沖突描述

技術(shù)沖突是指對系統(tǒng)中一個或多個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的同時，另外一個或多個參數(shù)隨之惡化[7]。應(yīng)用TRIZ理論，將處理機(jī)的上述技術(shù)沖突進(jìn)行總結(jié)，并將其判定過程進(jìn)行羅列，具體見表1。

表1 處理機(jī)技術(shù)沖突判定

將上述技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ理論的39個通用工程參數(shù)[8]。如：

No.35適應(yīng)性及多用性：指在各種外部因素的作用下，物體或系統(tǒng)以多種方式發(fā)揮其功能的可能性，屬于改善的參數(shù)。No.1運(yùn)動物體的重量：指在重力場中，運(yùn)動物體作用在支撐體或懸掛裝置上的力，屬于惡化的參數(shù)。

No.38自動化程度：指在無人操作的情況下，物體或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的能力，屬于改善的參數(shù)。No.12形狀：指物體的外部輪廓或外貌，屬于惡化的參數(shù)。

No.31物體產(chǎn)生的有害因素：由于物體或系統(tǒng)的操作而導(dǎo)致工作質(zhì)量和效率下降，屬于改善的參數(shù)。

2.3 問題解決

2.3.1 分離原理的確定

由于物理沖突的雙方同時存在于同一個客體當(dāng)中，因此需要將矛盾雙方在不同空間、時間、條件以及層次上進(jìn)行分離，從而有效地解決物理沖突[9]。

應(yīng)用空間分離原理，對同一個參數(shù)的不同要求在不同空間上得到滿足[10]。將處理機(jī)回收處理系統(tǒng)分為粉碎研磨和造粒兩部分，粉碎研磨設(shè)備主要對廢棄物進(jìn)行初加工，使粉碎顆粒度小于研磨盤與周圍研磨腔的間隙4～6 mm，進(jìn)而由該縫隙進(jìn)入造粒倉，然后在雙輥齒輪造粒機(jī)的作用下進(jìn)行擠壓，并團(tuán)聚成致密的堅硬顆粒，以供動物飼料或有機(jī)肥原料使用。整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由4部分組成，分別為喂料部分，粉碎研磨倉，造粒倉，物料輸出等，整個過程采用智能化操作方式。

采用粉碎研磨和造粒相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)功能要求計算出處理機(jī)的各物理參數(shù)，如功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、刀具參數(shù)、齒輪相關(guān)參數(shù)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理機(jī)的使用功能和安全功能。

2.3.2 發(fā)明原理的確定

查找TRIZ理論的矛盾沖突解決矩陣列表，找到解決上述技術(shù)沖突所對應(yīng)的發(fā)明原理，并從矛盾沖突矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表2所示。

表2 處理機(jī)矛盾沖突矩陣

圖3 排放系統(tǒng)

圖4 可伸縮料盤

針對處理機(jī)創(chuàng)新設(shè)計中實(shí)際需要解決的問題，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計的原則以及對各個創(chuàng)新發(fā)明原理內(nèi)涵的深刻理解，并對其進(jìn)行具體分析，得知發(fā)明原理6號(通用原理)、13號(反向功能原理)、35號(參數(shù)變化原理)，可以有效地解決處理機(jī)設(shè)計中的沖突。

由創(chuàng)新原理No.6“通用原理”得到解決方案：增加處理機(jī)的功能，使其在滿足基本的粉碎研磨功能外，增加處理機(jī)的造粒功能。

由創(chuàng)新原理No.13“反向功能原理”得到解決方案：將處理機(jī)排放系統(tǒng)反轉(zhuǎn)。現(xiàn)有處理機(jī)排放系統(tǒng)都是位于處理機(jī)外部，通過排水管與下水管道相連，借助水力將粉碎后的廢棄物輸送到下水管道。受“反向”設(shè)計的啟發(fā)，可將處理機(jī)的排放系統(tǒng)置于處理機(jī)內(nèi)部，使造粒后的廢棄物成品顆粒在重力的作用下通過傾斜擋板進(jìn)入可伸縮料盤。排放系統(tǒng)見圖3。

由創(chuàng)新原理No.35“參數(shù)變化原理”得到解決方案：改變排放管的幾何參數(shù)，甚至取消排放管，即采用不同的收集工具和收集方式。通過在造粒倉下方設(shè)置物料伸縮盤，對處理后的廢棄物進(jìn)行收集裝袋，以便二次利用，避免對城市污水系統(tǒng)造成二次污染?？缮炜s料盤見圖4。

3 創(chuàng)新設(shè)計方案

3.1 處理機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

綜合上述物理沖突和技術(shù)沖突的解決方法，得到了處理機(jī)裝置的創(chuàng)新設(shè)計方案，處理機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 處理機(jī)結(jié)構(gòu)圖

工作原理：按動上蓋開關(guān)，打開上蓋，倒入廢棄物，通過顯示屏操作，啟動處理機(jī)。廢棄物先是被一級研磨裝置中的破碎裝置破碎，符合要求的廢棄物將通過刀盤周圍的縫隙進(jìn)入二級研磨裝置中，然后在粉碎合金刀片的高速旋轉(zhuǎn)打擊作用下再次被粉碎，合格的廢棄物顆粒將繼續(xù)進(jìn)入三級研磨裝置中進(jìn)行研磨。在廢棄物被破碎的過程中電磁加熱圈會對廢棄物進(jìn)行加熱，過篩的成品小顆粒將進(jìn)入造粒倉，經(jīng)雙輥齒輪造粒機(jī)進(jìn)行擠壓團(tuán)聚造粒，形成顆粒狀的成品，最后通過傾斜擋板滑入可伸縮料盤中，并借助可伸縮料盤對成品顆粒進(jìn)行輸送，以便封裝。廢棄物在整個處理過程中將在密閉環(huán)境中進(jìn)行，其中處理機(jī)內(nèi)壁上附著了膠木玻璃纖維材質(zhì)，可對整個處理過程中的異味進(jìn)行吸附，進(jìn)一步增強(qiáng)了處理機(jī)產(chǎn)品的人性化設(shè)計。

3.2 處理機(jī)創(chuàng)新設(shè)計的評價

該處理機(jī)在概念設(shè)計和性能方面與現(xiàn)有的餐廚處理設(shè)備相比，具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

首先，從源頭解決了有機(jī)廢棄物資源的可再生利用問題，并且節(jié)約了水資源。具體表現(xiàn)在廢棄物經(jīng)過粉碎研磨后不需要借助水力將其排入下水道，而是進(jìn)行造粒，以作為動物飼料、植物肥料的原材料進(jìn)行二次利用，這樣既發(fā)揮了有機(jī)廢棄物潛在的營養(yǎng)價值，同時節(jié)約了水資源，避免了二次污染。

其次，處理機(jī)操作更加方便快捷。具體表現(xiàn)在處理機(jī)的整個設(shè)計過程融入了智能化的設(shè)計思路，首先處理機(jī)在使用前不需要進(jìn)行安裝，減少了廣大家庭主婦因?yàn)樘幚頇C(jī)安裝過程繁瑣而帶來的困惑；在整個產(chǎn)品的交互設(shè)計上，從用戶體驗(yàn)的角度出發(fā)，設(shè)計了手機(jī)終端APP，既可手機(jī)遠(yuǎn)程控制，也可通過交互界面進(jìn)行按鍵操作；整個處理過程在密封環(huán)境中進(jìn)行，且在處理機(jī)內(nèi)壁上附著了膠木玻璃纖維材質(zhì)，對處理過程中的異味進(jìn)行了吸附，并通過可伸縮料盤對最終形成的成品小顆粒進(jìn)行輸送，以便封裝。

最后，整個產(chǎn)品在外觀設(shè)計以及材料選用上從用戶的需求出發(fā)，盡量減少產(chǎn)品在整個使用周期中對環(huán)境帶來的污染。具體表現(xiàn)在產(chǎn)品的外觀造型從國際風(fēng)格出發(fā)，更加貼近用戶的主觀審美及心理、情感等需求[11]，材質(zhì)選用ABS工程塑料，易于加工成型，質(zhì)輕環(huán)保，不易被腐蝕，避免了現(xiàn)有餐廚處理設(shè)備純金屬質(zhì)感給用戶帶來的冷漠感以及腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的問題。

綜上所述，該創(chuàng)新設(shè)計方案達(dá)到了環(huán)保、高效、易操作的設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié) 語

通過運(yùn)用TRIZ的相關(guān)理論和工具，對處理機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計實(shí)踐，主要做了3個方面的工作。

(1)通過增加處理機(jī)的功能，集粉碎研磨和造粒于一體，實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源的合理利用；

(2)通過對現(xiàn)有處理機(jī)排放系統(tǒng)的改革，增加了處理機(jī)的自動化程度，節(jié)約了水資源；

(3)改變處理機(jī)排放系統(tǒng)的幾何參數(shù)，采用可伸縮料盤的收集方式，避免了對城市污水系統(tǒng)帶來的二次污染，同時也便于廢棄物的封裝，以供二次利用。

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[責(zé)任編輯：李 莉]

Application of TRIZ theory in the innovative design of organic waste processor

CHEN Chen, ZHANG Le, SUN Zhi-xue

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

The existing waste processor has the waste of resources and the two pollution problems. Focusing on these issues and starting with the functional structure of the improved processor, the research uses TRIZ theory to carry out the innovative design of the processor. The definition of physical contradiction and the application of separation method, the definition of technical contradiction and the application of creative principles of TRIZ theory have been used, which provided innovative design ideas for the processor product, and an innovative design scheme of a new type of machine. Meanwhile the 3D digital model of the scheme was obtained by modeling and rendering. Through optimizing the product function and structure, waste resources can be reasonably used, the operation of processor is more user-friendly, water resources can be greatly saved, the secondary pollution is avoided, hence to achieve harmony among people, products and environment.

TRIZ theory; organic waste processor; innovative design; physical contradiction; technical contradiction

2016-11-02

2016-12-13

陜西省高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革試點(diǎn)學(xué)院資助項(xiàng)目(2016-27)；陜西理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目(slgyjg1604)

陳晨(1992—)，女，陜西省富平縣人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計及理論；張樂(1991—)，女，陜西省渭南市人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計及理論；[通信作者]孫志學(xué)(1973—)，男，陜西省洋縣人，陜西理工大學(xué)教授，碩士，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)輔助工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計。

1673-2944(2017)02-0043-05

TB472

A