基于TRIZ理論的集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

沈 微，劉 靜，李思平

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于TRIZ理論的集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

沈 微，劉 靜，李思平

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

指出集裝箱在使用過程中存在的問題，利用TRIZ理論分析集裝箱的門和鎖在使用過程中存在的技術(shù)矛盾，通過矛盾矩陣找到相應(yīng)的發(fā)明原理，并結(jié)合實際選擇解決問題的方案，設(shè)計出滿足要求的新結(jié)構(gòu)。改造后的集裝箱的裝卸搬運效率大大提升，且安全性能也得到提高。

TRIZ理論；矛盾矩陣；集裝箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

世界經(jīng)濟與國際貿(mào)易的增速加快，將推動全球集裝箱運輸需求增幅擴大，全球范圍內(nèi)集裝箱運輸需求將保持4％左右增長速度[1-2]。集裝箱作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件，具有一定的強度、剛性和規(guī)格，且容量大的特點，對大宗工業(yè)產(chǎn)品的運輸起著至關(guān)重要的作用。隨著物流行業(yè)的發(fā)展，集裝箱被廣泛應(yīng)用在各個運輸領(lǐng)域[3]。傳統(tǒng)的集裝箱已無法滿足企業(yè)對物品裝卸搬運效率的需求，存在著裝卸搬運貨物效率低、集裝箱的門鎖安全性低、箱內(nèi)貨物容易被竊取等問題，迫切需要新式結(jié)構(gòu)的集裝箱設(shè)計。近年TRIZ理論已成為創(chuàng)新設(shè)計的一個非常有效的輔助工具[4-5]。因此，文中利用TRIZ理論對集裝箱的門和鎖進行創(chuàng)新設(shè)計，分析問題并改進集裝箱現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，得出一個優(yōu)化方案，提高集裝箱的貨物裝卸搬運效率和安全性能。

2 TRIZ理論概述

TRIZ理論(Theory of Inventive Problem Solving)即發(fā)明問題解決理論[6]，它是一種以技術(shù)系統(tǒng)為認(rèn)知分析基礎(chǔ)，以解決問題為首要任務(wù)，以不斷提高技術(shù)系統(tǒng)的理想度為進化目標(biāo)，讓所有的產(chǎn)品變得更美的理論與方法學(xué)。其核心是建立基于消除技術(shù)沖突的邏輯方法，不斷發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，推動產(chǎn)品不斷提升，實現(xiàn)理想化創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計[7-8]。

TRIZ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)，技術(shù)系統(tǒng)演變的8個模式、39個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、39×39沖突解決矩陣、76個標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問題解決算法（TRIZ）及效應(yīng)數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成了TRIZ的理論與方法體系[9-10]。

任何問題的解決過程都包含兩部分：問題分析和問題解決[11]。應(yīng)用TRIZ理論解決問題的步驟主要是：首先對實際問題進行分析；然后將待解決的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，應(yīng)用發(fā)明理論，找到對應(yīng)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解決方案模型；最后，將這些類似的解決方案模型應(yīng)用到具體的問題之中，演繹得到問題最終解決方法[12]。TRIZ理論解決問題的具體流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題流程圖

3 基于TRIZ理論的集裝箱結(jié)構(gòu)分析

3.1 問題描述

傳統(tǒng)的集裝箱只能通過打開后端板來裝卸貨物，由于現(xiàn)在的集裝箱箱體制作得越來越長，使得裝卸貨越來越不方便，嚴(yán)重影響工作效率。另外，從安全性方面考慮，在貨物配送過程中，集裝箱經(jīng)常發(fā)生貨物被盜事件?，F(xiàn)有集裝箱的門鎖比較普通，裝置不夠完善，而且長期暴露在外，容易被分析原理和開鎖規(guī)律。隨著偷竊手段的層出不窮和日益變化的社會環(huán)境，這種門鎖已經(jīng)不能滿足貨物安全配送的要求。

3.2 矛盾分析

一般情況下問題的理想狀態(tài)不是可以輕易得到的，甚至有的問題沒有確定的理想狀態(tài)，并且在分析問題的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)矛盾和沖突。這時，可以通過矛盾矩陣選擇發(fā)明原理來解決沖突，尋找解決問題的方法，實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計或改良設(shè)計[13]。

根據(jù)上述問題，將集裝箱看成一個系統(tǒng)，分為安全系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。從這兩個系統(tǒng)分別對集裝箱的結(jié)構(gòu)進行改進，以實現(xiàn)問題的解決。

通常情況下集裝箱裝卸貨是從后端板實現(xiàn)的，工作效率很低。如果把集裝箱的左右側(cè)板也同時打開，從三個方向同時裝卸貨，效率肯定會大大提高。然而，左右側(cè)板打開的同時會導(dǎo)致左右側(cè)板占用側(cè)方空間大、集裝箱的構(gòu)造復(fù)雜等問題。另外，集裝箱容易被盜，可以把鎖的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。例如：在原來一道鎖的基礎(chǔ)上額外增加一道鎖。然而，鎖的額外增加會造成成本高、裝置的可制造性要求變高等問題。

此時存在著的技術(shù)矛盾有：集裝箱裝卸搬運效率的提高與集裝箱構(gòu)造復(fù)雜性的矛盾；增加第二道鎖來提高安全性能與成本高、裝置復(fù)雜的矛盾。

上述問題可轉(zhuǎn)換成用39個通用工程參數(shù)來描述[15]，即12形狀（改善參數(shù)）與36裝置的復(fù)雜性（惡化參數(shù)）的沖突；36裝置的復(fù)雜性（改善參數(shù)）與32可制造性（惡化參數(shù)）的沖突。根據(jù)TRIZ理論中有關(guān)矛盾的定義，確定這是兩對技術(shù)矛盾。然后再根據(jù)由39個工程參數(shù)與40條發(fā)明原理建立對應(yīng)關(guān)系而組成的40行40列的矛盾矩陣表去尋找并確定創(chuàng)新原理，矛盾矩陣，具體見表1。

表1 矛盾矩陣

通過矛盾矩陣查找相應(yīng)的交點解決方案找到16，29，1，28號發(fā)明原理可作為解決集裝箱門相應(yīng)問題的原理，27,26,1,13是解決集裝箱鎖相應(yīng)問題的原理。發(fā)明原理見表2。

表2 發(fā)明原理

4 集裝箱門和鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計

經(jīng)過上述發(fā)明原理[14]，發(fā)現(xiàn)01號和29號是解決集裝箱門相應(yīng)問題的較好方法。01號原理是分割：（1）將一個物體分成相互獨立的部分。（2）使物體分成容易組裝及拆卸的部分。（3）增加物體相互獨立的程度。29號原理是氣動或液壓結(jié)構(gòu)，物體的固定零部件可用氣動或液壓零部件代替。26號和27號是解決集裝箱門鎖相應(yīng)問題的較好方法。26號原理是復(fù)制，即用簡單的、低廉的復(fù)制品代替復(fù)雜、昂貴、易碎的或不易操作的物體。27號原理是用低成本、不耐用的物體代替昂貴、耐用的物體。

針對上述兩對沖突，改進方案見表3。

表3 改進方案

4.1 集裝箱門的設(shè)計

設(shè)集裝箱寬為a，高為b，切割位置距離集裝箱頂板側(cè)梁的距離為b1，側(cè)翼舉升時占用側(cè)方的最大距離為c。側(cè)翼的上部分占用側(cè)方空間最大時，上部分側(cè)翼的最低端與頂板橫梁應(yīng)處于同一水平線上。上下側(cè)板的分割點不同，側(cè)開門箱板舉升過程中占用側(cè)方空間的最大值不同。合理的選取分割點，使該最大值取最小值時為最優(yōu)方案。當(dāng)改進的側(cè)開門集裝箱平放在地面時，集裝箱所占空間的大小由分割點以下側(cè)板平放在地面上的寬度b-b1和上側(cè)板舉升過程中所占用的超出箱體本身的空間寬度c共同決定，且存在著的關(guān)系。通過計算找出min{max(c,b-b1)}滿足最大程度地節(jié)省側(cè)方空間,改造后的集裝箱結(jié)構(gòu)如圖2，集裝箱側(cè)視如圖3。

圖2 改造后的集裝箱結(jié)構(gòu)圖

圖3 集裝箱側(cè)視圖

由于選取1AA型集裝箱作為研究對象，其外尺寸為12.2m×2.4m×2.6m（長×寬×高）,則取a=2.4，b=2.6。通過計算得出：取b-b1=0.87m,c=0.9m，即在距離下側(cè)板底部0.87m處進行切割，使側(cè)翼分為上下兩部分，為最節(jié)省空間的切割方式。與不切割之前相比，占用側(cè)方的空間節(jié)省了26.57％，同時左右側(cè)板的打開，大大提高了集裝箱裝卸搬運貨物的效率。

4.2 集裝箱鎖的設(shè)計

為了降低集裝箱門鎖被盜的風(fēng)險，在第一和第四鎖桿上分別焊接一個L型鐵桿，L型鐵桿平行于鎖桿一側(cè)設(shè)置內(nèi)孔，在后門上焊接一個與內(nèi)孔相對應(yīng)的鐵環(huán)，形成第二道鎖。第一道鎖的結(jié)構(gòu)和位置都不發(fā)生改變。具體情況如圖4所示。設(shè)計前的門鎖是將海關(guān)關(guān)封鎖在手柄和托架座，當(dāng)不法分子破壞了集裝箱上門鎖結(jié)構(gòu)中手柄與手柄座的連接時，會將手柄座和海關(guān)關(guān)封作為整體從集裝箱后門拆除并不破壞其結(jié)構(gòu)，當(dāng)行竊完畢后，會將手柄座和海關(guān)關(guān)封恢復(fù)原狀，使得事主不能及時發(fā)現(xiàn)失竊情況。設(shè)計后的集裝箱門鎖部分結(jié)構(gòu)如圖5所示，將海關(guān)關(guān)封鎖在第二道門鎖上，由于L型鐵桿與鎖桿相對固定，并隨鎖桿轉(zhuǎn)動，在海關(guān)關(guān)封的約束下，L型鐵桿和鐵環(huán)相互配合，使不法分子即使破壞了集裝箱上門鎖機構(gòu)中手柄與手柄座的連接處，也不能轉(zhuǎn)動鎖桿將門打開。只有破壞海關(guān)關(guān)封才能將門鎖打開進入集裝箱內(nèi)進行竊取，使事主能夠及時發(fā)現(xiàn)失竊情況，并報警處理，極大地提高了集裝箱的安全性[15-16]。

圖4 改進后的集裝箱門鎖結(jié)構(gòu)圖

圖5 改進后的集裝箱門鎖部分結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

目前集裝箱在使用過程中存在著裝卸貨效率低、門鎖的防盜措施不夠完善等問題。利用TRIZ理論分析集裝箱的門和鎖在使用過程中存在的技術(shù)矛盾，利用矛盾矩陣找到相應(yīng)的發(fā)明原理，并結(jié)合集裝箱存在問題的實際情況選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)明原理，找到解決問題的新方案，設(shè)計出滿足要求的新結(jié)構(gòu)[17]。改造后的集裝箱在提高裝卸搬運效率的基礎(chǔ)上，使左右側(cè)板占用側(cè)方的空間最小。同時，集裝箱門鎖的改進，大大提高了安全性能，降低了貨物被盜的風(fēng)險。

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Design of Container Structure Based on TRIZ

Shen Wei,Liu Jing,Li Siping
(School of Engineering&Technology,Northeast University of Forestry,Harbin 150040,China)

In this paper,we pointed out the problems existing in the current application of containers,then used the TRIZ theory to analyzed the technical dilemma in the use of the door and lock with the container,identified the corresponding principle of invention through the contradiction matrix and at the end,in connection with a practical case,designed a new structure that could meet the requirement.

TRIZtheory;contradictionmatrix;container;structuraldesign

U169.3

A

1005-152X(2017)07-0141-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.07.030

2017-05-24

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（2572017CB07）；黑龍江省留學(xué)歸國科學(xué)基金項目（LC2013C12）；東北林業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項目（DGY2016-02）

沈微（1977-），男，吉林人，博士，講師，主要研究方向：物流工程。