基于TRIZ理論的城市挖掘機(jī)造型設(shè)計(jì)研究

孟娜娜　胡鶴凡　任晉

摘要：為了滿足用戶對(duì)城市挖掘機(jī)綜合品質(zhì)日益提高的要求，本文提出一種基于TRIZ理論的城市挖掘機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。首先運(yùn)用TRIZ理論，39個(gè)工程參數(shù)建立城市挖掘機(jī)問(wèn)題模型，以現(xiàn)有城市挖掘機(jī)的弊端為起點(diǎn)，闡述其問(wèn)題所在，隨后根據(jù)矛盾矩陣解域出第15條、第17條、第13條和第16條發(fā)明原理，確定最適合解決城市挖掘機(jī)的最終解決方案。提出一種基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，對(duì)城市挖掘機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。最終將TRIZ理論與相關(guān)理論相結(jié)合，對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了應(yīng)用該方法能夠有效解決城市挖掘機(jī)造型中實(shí)際問(wèn)題，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)思提供創(chuàng)新思路的可行性，并為相關(guān)工程機(jī)械的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì);TRIZ理論;產(chǎn)品造型;技術(shù)矛盾;城市挖掘機(jī)

中國(guó)分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0150-03

工程機(jī)械行業(yè)是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)投資的重要支柱產(chǎn)業(yè)，伴隨大量外國(guó)企業(yè)將完善的工業(yè)設(shè)計(jì)理念引入到工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，重技術(shù)輕外觀設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)重型工程機(jī)械受到了極大的沖擊，提高工程機(jī)械產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計(jì)顯得尤為重要。挖掘機(jī)是現(xiàn)代化建設(shè)施工機(jī)械的重要組成部分，應(yīng)用范圍十分廣泛，建筑行業(yè)、道路、橋梁、礦山、水利、城市市政建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域都與挖掘機(jī)有著不可分割的聯(lián)系。伴隨經(jīng)濟(jì)的飛速進(jìn)步發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的外觀、功能等多個(gè)方面的滿意度要求越來(lái)越高，而功能永遠(yuǎn)是設(shè)計(jì)的第一要素[1]。在城市挖掘機(jī)中，目前仍以履帶式為主，行走緩慢、對(duì)城市地面有損傷，質(zhì)量重耗能高都成為了亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)，TRIZ理論不斷完善，成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)飛速發(fā)展的強(qiáng)有力輔助工具[2]。

本文運(yùn)用TRIZ理論，以高速度、有效、節(jié)能為目的，對(duì)城市挖掘機(jī)進(jìn)行研究再創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)分析其存在的技術(shù)矛盾，運(yùn)用TRIZ工具解決設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對(duì)潛在問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步分析與排查，開(kāi)發(fā)出一種節(jié)能高效的城市挖掘機(jī)。

1 TRIZ中的沖突解決理論

TRIZ理論是解決發(fā)明問(wèn)題的理論，是根里奇阿奇舒勒于1946年在蘇聯(lián)創(chuàng)立的。他與他的門(mén)徒一起從成千上萬(wàn)的專利和自然科學(xué)研究中，整理和歸納出的一套以解決發(fā)明問(wèn)題為主要目的的實(shí)用性理論和方法體系[3]。

與傳統(tǒng)試錯(cuò)法不同，TRIZ理論有一套完善的思維路徑，它把某一特定問(wèn)題轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，通過(guò)分析改善的工程參數(shù)與惡化的工程參數(shù)，在矛盾矩陣中找到對(duì)應(yīng)的解域，結(jié)合解的思路對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改良或者優(yōu)化，得到的解域存在有用的也有可能是無(wú)用解，甚至于解域中所有的解都不滿足需求需求，這就需重新定義尋找，最后通過(guò)驗(yàn)證或者評(píng)價(jià)獲得特定的問(wèn)題解，這個(gè)解絕非折中或者生搬硬套的解，而是真正立足于消除一個(gè)矛盾的最終理想解。在本文中形成最后的城市挖掘機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，并為新產(chǎn)品賦予了新的造型、色彩、材料，實(shí)現(xiàn)造型的優(yōu)化。

“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——分析問(wèn)題——解決問(wèn)題”是利用TRIZ理論思維創(chuàng)新設(shè)計(jì)的完整體系。TRIZ理論認(rèn)為，創(chuàng)新的產(chǎn)生主要來(lái)源于矛盾的解決，大部分矛盾都可以借助已有的模式思維去解決，研究沖突解決理論，可以創(chuàng)造性、有效、科學(xué)地解決問(wèn)題。TRIZ理論將矛盾分為三種：管理矛盾、物理矛盾和技術(shù)矛盾，主要研究技術(shù)矛盾和物理矛盾[4]。

本文根據(jù)TRIZ理論，把產(chǎn)品涉及的技術(shù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)化的模型，通過(guò)39個(gè)通用工程參數(shù)來(lái)具體描述矛盾涉及到的工程參數(shù)，并結(jié)合矛盾矩陣，根據(jù)40個(gè)發(fā)明原理對(duì)應(yīng)提煉可能的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，為城市挖掘機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供思路。

2 城市挖掘機(jī)功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的沖突與解決

TRIZ理論的運(yùn)用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，首先我們?cè)谶M(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新過(guò)程中，需要明確亟待解決的問(wèn)題，找到存在的問(wèn)題，繼而找到技術(shù)矛盾點(diǎn)，再通過(guò)矛盾矩陣進(jìn)行求解，得到創(chuàng)新方法解，最后通過(guò)對(duì)應(yīng)40條發(fā)明原理進(jìn)行分析研究，得到解決方案。同時(shí)通過(guò)模型建立，對(duì)其設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行測(cè)試等，對(duì)方案進(jìn)行進(jìn)一步方案的修改與優(yōu)化。本文主要對(duì)城市挖掘機(jī)這一具體產(chǎn)品形成的沖突進(jìn)行研究，利用TRIZ工具對(duì)城市挖掘機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的流程圖，如圖1。

2.1 闡述現(xiàn)有城市挖掘機(jī)存在的矛盾沖突

城市挖掘機(jī)主要應(yīng)用于城市給水工程、市政工程、管線維修工程、天然氣管道鋪設(shè)、土木工程、工業(yè)建筑（廢料）裝卸、開(kāi)挖短距離隧道、水利建設(shè)、城市拆遷等。目前城市挖掘機(jī)仍以履帶式為主，履帶式是挖掘機(jī)主要的行走方式，因其接地面積大，在泥濘、濕地等容易陷進(jìn)去的地方，或者地勢(shì)不太平整的地方有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，尤其在特殊作業(yè)環(huán)境中效果很好，比如在礦山或者工況惡劣的地方能勝任，越野能力強(qiáng)，這就使履帶挖掘機(jī)可以應(yīng)用的地方比較廣泛。但在城市使用環(huán)境下，挖掘機(jī)本身自重較大，另外因履帶是金屬制品，靈活度低，移動(dòng)性不好，耗能高，最高設(shè)計(jì)時(shí)速才5-7km/h，長(zhǎng)距離移動(dòng)依賴板車，并且履帶傷害城市地面。同時(shí)，在市內(nèi)工程中作業(yè)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于節(jié)能、速度的要求更高一些，初步設(shè)想把履帶式環(huán)換成輪式，而履帶式挖掘機(jī)適用范圍的優(yōu)勢(shì)又受到了限制，形成了矛盾沖突，需要解決。

根據(jù)上述問(wèn)題描述，發(fā)現(xiàn)挖掘機(jī)在速度/物體耗能上與實(shí)用性/多用性存在技術(shù)沖突。通過(guò)研讀TRIZ中的39個(gè)工程參數(shù)，將此特定的矛盾沖突問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般問(wèn)題，確定了其中改善的參數(shù)涉及1、19、9，惡化參數(shù)涉及14、35以及34，本文主要研究改善參數(shù)1 9號(hào)即運(yùn)動(dòng)物體的能量，惡化的參數(shù)35號(hào)即適用性及多用性。

2.2 解決技術(shù)矛盾并確定發(fā)明原理

TRIZ理論提供了39個(gè)工程參數(shù)、矛盾矩陣表和40條發(fā)明原理。本文根據(jù)城市挖掘機(jī)的應(yīng)用范圍以及實(shí)際需求，對(duì)比現(xiàn)有的履帶式挖掘即進(jìn)行分析，并確定改善和惡化的兩個(gè)通用工程參數(shù)，查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，查詢結(jié)果如表1所示，得到對(duì)應(yīng)的解域，其對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理分別是第15條（動(dòng)態(tài)化）、第1 7條（維數(shù)變化）、第13條（逆向思維）和第16條（不足或超額行動(dòng)），通過(guò)對(duì)比推敲，設(shè)計(jì)出了最佳設(shè)計(jì)方案。矛盾矩陣如表1所示。

當(dāng)挖掘機(jī)把履帶式換成輪式必然面臨著速度變快，消耗能量變低，更節(jié)能，但是適用范圍、適應(yīng)性和多用性又受到了影響，于是產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。根據(jù)矛盾矩陣可得解域?yàn)? 5動(dòng)態(tài)化、1 7維數(shù)變化、1 3逆向思維、1 6不足或超額行動(dòng)。

2.3 應(yīng)用發(fā)明原理確定解決思路

第15，1 7，13， 16條發(fā)明原理的解釋如表2所示，根據(jù)所獲得發(fā)明原理逐一提問(wèn)分析并進(jìn)行創(chuàng)新提問(wèn)，尋求領(lǐng)域解[5]。

15、17、13、16解域是矛盾矩陣推薦的共性解決方案。對(duì)于城市挖掘機(jī)這個(gè)具體的設(shè)計(jì)對(duì)象，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的討論。在結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則和各個(gè)發(fā)明原理的內(nèi)涵，并經(jīng)過(guò)具體分析后，得出1 5號(hào)原理的“把物體分成幾個(gè)部分，各部分之間可改變相對(duì)位置”，17號(hào)原理的“將物體從一維變到二維或三維空間”，1 3號(hào)原理的“使物體中的運(yùn)動(dòng)部分靜止，靜止部分運(yùn)動(dòng)”給予了設(shè)計(jì)靈感，16號(hào)相關(guān)度不是太高。

城市中目前使用較多的履帶式挖掘機(jī)調(diào)整成輪式挖掘機(jī)，根據(jù)15、17、13解域思路，把相對(duì)靜止輪子變成可動(dòng)的，維數(shù)上進(jìn)行調(diào)整。

3 城市挖掘機(jī)的造型優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)初期需要進(jìn)行大量的市場(chǎng)調(diào)研以獲得老產(chǎn)品使用過(guò)程中的不足，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新改造，這種改造性創(chuàng)新顯然滯后，難以適應(yīng)市場(chǎng)需求的快速發(fā)展[6]。本文在TRlZ理論指導(dǎo)下，綜合考慮市政工程中城市挖掘機(jī)實(shí)際需求的相關(guān)因素，做到以市場(chǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合消費(fèi)者的審美傾向，對(duì)小型挖掘機(jī)進(jìn)行功能與造型相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.1 功能設(shè)計(jì)

通過(guò)分析以及對(duì)解域的思考，將履帶式挖掘機(jī)換成輪式，并變“靜止”為“運(yùn)動(dòng)”，“一維”為“三維”。輪式挖掘機(jī)的四個(gè)輪子可以行進(jìn)，是可以運(yùn)動(dòng)的部件，但是四個(gè)輪子之間相對(duì)靜止，彼此之間的距離角度都是固定不變的，又可以認(rèn)為是“相對(duì)靜止”的部分。根據(jù)發(fā)明原理，打破常規(guī)思路，不把四個(gè)輪子簡(jiǎn)單看作一體的行走工具，而是相對(duì)獨(dú)立的四個(gè)部分，各部分之間可以改變高度、角度位置等。比如，根據(jù)坑洼、臺(tái)階等特殊場(chǎng)地四輪進(jìn)行高度以及角度的調(diào)節(jié)，這樣盡可能使輪式挖掘機(jī)適應(yīng)的環(huán)境更多。

輪式挖掘機(jī)行對(duì)履帶式挖掘機(jī)行進(jìn)速度快，一般時(shí)速可達(dá)到40—50km/h，機(jī)身重量緩解，耗能變低，有效解決了履帶式挖掘機(jī)的弊端，更適應(yīng)城市使用。適應(yīng)性和多用性因?yàn)檩喪降氖褂檬艿揭欢ㄓ绊?，但通過(guò)高度、角度的調(diào)節(jié)也有效地解決了這一問(wèn)題，已基本能夠滿足城市挖掘機(jī)日常面臨的特殊工況，如圖2所示。

3.2 外觀設(shè)計(jì)

此款城市挖掘機(jī)設(shè)計(jì)以問(wèn)題為導(dǎo)向，結(jié)合個(gè)性化設(shè)計(jì)，不是對(duì)原有城市挖掘機(jī)的簡(jiǎn)單包裝，而是從產(chǎn)品形態(tài)、品牌logo、肌理、線條、心理感受、作業(yè)環(huán)境等多因素進(jìn)行考量。外觀設(shè)計(jì)不僅僅要有美的形態(tài)，還應(yīng)具備情感性、文化性。此款挖掘機(jī)主要應(yīng)用于城市，應(yīng)用屬性決定了在外觀設(shè)計(jì)上既要體現(xiàn)挖掘機(jī)本身具有的粗壯、耐用、有力、穩(wěn)重的特點(diǎn)，也要體現(xiàn)其靈活的視覺(jué)效果，所以在外觀造型設(shè)計(jì)中大量使用曲線造型。

3.3 色彩設(shè)計(jì)

工程機(jī)械不同于一般工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，色彩還應(yīng)滿足使用者的精神需求，以及所需品牌的文化企業(yè)、合理的色彩，也使產(chǎn)品的“形”更加突出。目前，很多企業(yè)也通過(guò)色彩來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)，形成自己特有的品牌色彩，吸引更多的客戶。此城市挖掘機(jī)是以徐工為研究背景，所以在顏色以徐工慣用的黃色和灰色為基調(diào)，色彩搭配簡(jiǎn)單明快，車身logo印制在挖掘機(jī)機(jī)械臂上，與徐工系列產(chǎn)品形成統(tǒng)一的視覺(jué)效果，凸顯徐工的企業(yè)品牌，形成一定的品牌效應(yīng)。

4 城市挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

城市挖掘機(jī)的造型設(shè)計(jì)應(yīng)用于產(chǎn)品，但是最終服務(wù)的卻是用戶人，所以整個(gè)設(shè)計(jì)不論從造型、色彩還是功能完善上更應(yīng)體現(xiàn)人的需求。本設(shè)計(jì)力求產(chǎn)品外觀、功能達(dá)到技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合。在功能設(shè)計(jì)上考慮時(shí)速/節(jié)能，同時(shí)滿足多適應(yīng)性;在外觀上注重粗壯、穩(wěn)定以及靈活的特點(diǎn)，同時(shí)注重色彩對(duì)產(chǎn)品的輔助作用，滿足消費(fèi)者生理與心理多方面的需求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用CAD/CAE/犀牛電腦技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)整體造型形象設(shè)計(jì)及多次方案修改，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

TRIZ理論可以打破常規(guī)設(shè)計(jì)思維，分析日常生活中遇到的難題，利用新的創(chuàng)新模式去解決問(wèn)題，縮短創(chuàng)新時(shí)間，突破設(shè)計(jì)瓶頸，保證創(chuàng)新有效性。本文在TRIZ沖突解決理論的指導(dǎo)下，將城市挖掘機(jī)行走部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，能夠有效地解決履帶式挖掘機(jī)傷害城市地面、耗能、行走緩慢等問(wèn)題。在解決城市挖掘機(jī)市政工程需求的基礎(chǔ)上，提出了較之前產(chǎn)品更為合理及便利的輪式挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)及外觀上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

主要結(jié)論如下：

1）創(chuàng)新來(lái)源于解決問(wèn)題，消滅沖突，設(shè)計(jì)不能只停留在表面或者空想上，而是應(yīng)該從問(wèn)題出發(fā)，從功能出發(fā)，從實(shí)用性出發(fā)，從根源入手解決問(wèn)題。

2） TRIZ是比較系統(tǒng)的分析方法，與其它理論相比，它可以將問(wèn)題進(jìn)行拆解、劃分、歸類，通過(guò)體系化的模式、有規(guī)律地解決沖突問(wèn)題[7]。相較其它創(chuàng)新理論較為隨機(jī)性和偶然性的激勵(lì)方法，TRIZ理論在解決過(guò)程規(guī)范化、合理化.高效化。

3）與以往單純從外觀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)不同，本文不僅僅關(guān)注造型和色彩，而是更著重于從問(wèn)題出發(fā)，從城市挖掘機(jī)的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)理性分析，引入TRIZ理論科學(xué)地引導(dǎo)創(chuàng)新，從多個(gè)解域思考問(wèn)題的解決方案，靈活運(yùn)用最恰當(dāng)、最直接有效的TRIZ工具解決問(wèn)題。從本文中可知，在對(duì)城市挖掘機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)首先要分析目前城市市政工程中常用挖掘機(jī)有哪些問(wèn)題，有哪些問(wèn)題以及迫切需要什么功能。結(jié)合39個(gè)工程參數(shù)，矛盾矩陣表和TRIZ理論40條發(fā)明原理得出解域，在得出解域的基礎(chǔ)上通過(guò)分析、對(duì)比、推敲得到理想解即最佳解決方案。經(jīng)研究探索，在對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，TRIZ理論是有效的，且是有針對(duì)性和方向性的，是科學(xué)、理性、高效的設(shè)計(jì)方法，能為設(shè)計(jì)師提供方便快捷的方式，解決設(shè)計(jì)難題。該模型的建立將提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中矛盾的解決效率，促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展[8]。

4）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在對(duì)城市挖掘機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，利用TRIZ理論相對(duì)其它創(chuàng)新方法來(lái)說(shuō)更能提供明確的解決目標(biāo)和方向，更具有實(shí)際意義。當(dāng)然，設(shè)計(jì)師想要得心應(yīng)手地應(yīng)用TRIZ工具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，還需要不斷努力摸索，深入研究及積累一定的經(jīng)驗(yàn)。

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