基于TRIZ理論的移栽樹木防風(fēng)裝置改進(jìn)設(shè)計*

朱 海，劉靜娜，馬文朋

（1.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津300384；2.天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津300384）

TRIZ理論的名稱源自于俄文“發(fā)明問題解決理論”轉(zhuǎn)換成拉丁文的詞頭縮寫，其本意為發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造問題并解決問題。該理論是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒自1946年開始同上千位研究人員經(jīng)過多年努力，對200多萬份專利進(jìn)行分析與總結(jié)，對其中具有代表性的4萬份專利進(jìn)行了深入的研究，總結(jié)創(chuàng)新發(fā)明的規(guī)律法則，綜合多學(xué)科多領(lǐng)域而獲得的一種發(fā)明問題解決理論的方法[1]。

TRIZ理論的應(yīng)用流程分為3個階段：一是識別問題；二是解決問題；三是創(chuàng)新概念。通過系統(tǒng)組件分析、資源分析與因果分析等分析手段對系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行明確，運(yùn)用矛盾求解、物場求解等求解手段對其存在的問題進(jìn)行求解方向的確定與求解方案的提出，對其解決方案進(jìn)行最終的評估，并選擇獲得該系統(tǒng)的最佳設(shè)計改進(jìn)方案。TRIZ理論是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中，總結(jié)和研究出來的科學(xué)原理，并且，“發(fā)明問題解決理論”適用于各個行業(yè)的發(fā)展[2-3]。

1 移栽樹木防風(fēng)裝置改進(jìn)設(shè)計問題描述

在進(jìn)行城市規(guī)劃與園林規(guī)劃時，需要移栽各種新樹木來增加城市所在地綠化率，但新移栽樹木若受到強(qiáng)風(fēng)或其他沖擊等影響會發(fā)生一定的傾斜，使其在生長過程中也會傾斜生長，影響了園林風(fēng)景的美觀?，F(xiàn)在通常通過幾根木棍、幾塊木板或樹干與移栽樹木的樹干進(jìn)行捆綁，來對其進(jìn)行固定，見第44頁圖1。由于這種固定方式的裝置過于簡單存在著許多問題。首先，木材之間的摩擦?xí)贡还潭ǖ臉涓傻谋韺訕淦な艿綋p傷，對樹皮易損的樹干影響很大。其次，木棍、木板或樹干的擺放無法構(gòu)成正三角形，防風(fēng)的方向存在局限性。最后，支撐結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)性能會隨著時間推移而有所下降，使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生晃動，造成固定失敗。

綜上所述的種種不足，都會對新移栽樹木的固定造成影響。為了解決這種不足，筆者對目前的移栽樹木防風(fēng)裝置的工作情況，進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

圖1 傳統(tǒng)移栽樹木固定示意圖

2 基于TRIZ理論的移栽樹木防風(fēng)裝置的優(yōu)化設(shè)計

運(yùn)用TRIZ理論來解決發(fā)明問題的主要基本思想如下：首先，通過將分析模型中存在的問題通過TRIZ理論工具進(jìn)行合理的歸類；其次，通過其類別內(nèi)的解決方案類型來對本問題的解決方向做出確定；最后，根據(jù)模型所處實際情況進(jìn)行分析，總結(jié)出最終的解決方案。圖2為TRIZ理論解決發(fā)明問題的基本流程。

2.1 傳統(tǒng)移栽樹木防風(fēng)裝置組件分析

圖2 TRIZ理論解決發(fā)明問題的基本流程

在傳統(tǒng)移栽樹木防風(fēng)裝置中，技術(shù)系統(tǒng)為傳統(tǒng)移栽樹木防風(fēng)裝置；主要功能為控制位置；組件包括普通麻繩、支撐樹干、土地；超系統(tǒng)組件包括樹干、強(qiáng)風(fēng)、陽光、雨水。

為明確各組件之間的相互作用關(guān)系，建立起各組件的相互聯(lián)系，從而更好地改善組件、優(yōu)化組件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要確定組件之間的相互作用是否存在，其必要條件是兩個組件之間存在相互接觸，進(jìn)而更方便地判斷出當(dāng)前系統(tǒng)存在的缺陷與不足。在明確系統(tǒng)中各組件是否存在相互作用后，便可對存在相互作用的組件進(jìn)行進(jìn)一步分析，判斷其相互作用對目的結(jié)果的影響，建立功能模型，見圖3。

由圖3可知，存在相互作用的各組件之間的功能被分為3種：有用功能、不足功能與有害功能，其中不足功能與有害功能會導(dǎo)致系統(tǒng)作用結(jié)果無法達(dá)到預(yù)期效果，分別為：一是強(qiáng)風(fēng)直接作用在樹干，會使剛移栽樹木的樹干發(fā)生一定位移傾斜；二是陽光直射在普通麻繩上，普通麻繩受到日曬，使其變脆易發(fā)生斷裂；三是在雨季時，雨水會使普通麻繩發(fā)霉腐爛，使其捆綁能力降低；四是在雨季時，雨水會使支撐樹干發(fā)霉腐爛，使其固定能力降低；五是普通麻繩對將多個支撐樹干捆綁，由于支撐樹干的形狀不規(guī)則，因此無法達(dá)到良好的捆綁效果；六是支撐樹干在被綁好后插在土地上，由于土地松動而無法固定好支撐樹干的位置；七是由于多個支撐樹干的形狀、長短不同，因此無法構(gòu)成正三角形擺放，其固定效果受限。

圖3 傳統(tǒng)移栽樹木防風(fēng)裝置的功能模型

2.2 系統(tǒng)資源分析與因果分析

2.2.1 系統(tǒng)資源分析

任何技術(shù)系統(tǒng)都具有超過其通常功能的能力，這種超出的能力可以被發(fā)現(xiàn)和利用，以使系統(tǒng)達(dá)到理想解。實際上“過剩”的能力就是可用資源必不可少的一種方法，在發(fā)明創(chuàng)造設(shè)計過程中，可用系統(tǒng)資源起著重要作用，問題的解越接近理想解，系統(tǒng)資源就越重要。只有具備并使用資源，才能解決所有問題。分析移栽樹木防風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)中各組件的物質(zhì)資源、能量資源和功能資源。通過結(jié)合實際情況的缺陷以及對以上資源的分析可知，在本系統(tǒng)物質(zhì)資源中，其中普通麻繩的物質(zhì)資源中沒有抑制吸水的資源，是導(dǎo)致在雨季時雨水會使普通麻繩發(fā)霉腐爛、使其捆綁能力降低的主要原因。因此可得方案1：改變普通麻繩中的組成成分，使其成為一種防腐爛防曬的麻繩，進(jìn)而實現(xiàn)更好的固定效果。

2.2.2 系統(tǒng)因果分析

從功能分析中的得到的初始問題是：在固定過程中，支撐樹干無法與被固定樹干緊密接觸，無法實現(xiàn)穩(wěn)定固定。在固定后，由于強(qiáng)風(fēng)的沖擊力直接作用在被固定樹干與支撐樹干上，使支撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜或破壞，使固定樹木產(chǎn)生側(cè)傾。因果分析是一種結(jié)構(gòu)化的問題處理方法，其目的在于識別問題的真正原因所需要的措施。因果分析示意圖見第45頁圖4。

通過對兩個典型的初始問題進(jìn)行逐層的因果分析，找出其深層次的問題原因，得出關(guān)鍵的末端原因：支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足。這為以后的方案求解明確了思考與創(chuàng)新方向。

圖4 因果分析示意圖

2.3 工程參數(shù)與矛盾分析

為使在該系統(tǒng)中的具體實際問題轉(zhuǎn)為TRIZ理論問題，可以通過使用阿奇舒勒在對大量工程實際與專利文獻(xiàn)分析中總結(jié)出的39個通用技術(shù)參數(shù)，來進(jìn)行問題的轉(zhuǎn)換。這39個通用技術(shù)參數(shù)基本概括了工程領(lǐng)域中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)矛盾問題[4]。

在矛盾分析中主要包括了兩種分析，分別為技術(shù)矛盾分析與物理矛盾分析。這兩種矛盾的主要區(qū)別為：一是技術(shù)矛盾主要表示為研究系統(tǒng)中的兩個不同參數(shù)之間的矛盾，其主要表現(xiàn)為特性與功能參數(shù)；而物理矛盾是在本系統(tǒng)中的某個參數(shù)存在兩種對立關(guān)系，其對立關(guān)系構(gòu)成的矛盾，其主要表現(xiàn)也為特性與功能參數(shù)。二是技術(shù)矛盾為該系統(tǒng)的整體特性；物理矛盾則為該系統(tǒng)中個別參數(shù)或元素的特征特性。三是物理矛盾相對于技術(shù)矛盾更可以體現(xiàn)出系統(tǒng)存在的問題本質(zhì)。四是物理矛盾相對于技術(shù)矛盾更加“激烈”一些。

2.3.1 技術(shù)矛盾分析

首先需要明確在本系統(tǒng)中存在主要問題，通過以上因果分析可以得到，支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足，使得被固定樹干無法穩(wěn)定固定而產(chǎn)生側(cè)傾，這是導(dǎo)致系統(tǒng)無法實現(xiàn)預(yù)期效果的主要問題。

如果支撐結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定性，那么就可以在很大程度上解決樹干在被固定后產(chǎn)生側(cè)傾的問題，但是當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定性時，支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力將會大大提高，造成機(jī)械性損壞，固定失敗。概括為技術(shù)參數(shù)來說就是：如果支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高，那么樹干就可以獲得良好穩(wěn)定的支撐效果；但導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部組件所受相互作用力提高，易使組件損壞，固定失效。這就構(gòu)成了一組技術(shù)矛盾：如果增加固定桿的數(shù)量，那么支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將提高；但是與此同時支撐結(jié)構(gòu)裝置的復(fù)雜性也會提高。

采用39個通用技術(shù)參數(shù)中的其中兩個，來描述這個矛盾的兩個方面?？芍?，改善的通用技術(shù)參數(shù)為參數(shù)13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（通過對支撐結(jié)構(gòu)的位置與形狀的設(shè)定，使其為科學(xué)的固定結(jié)構(gòu)，以達(dá)到樹木的穩(wěn)定固定）。惡化的通用技術(shù)參數(shù)為參數(shù)36裝置的復(fù)雜性（該裝置為與樹干之間存在良好的力學(xué)性能，需使多個頭部為鐵板平板狀的固定桿，在固定時，將多個固定桿的平板部分通過合頁連接使其環(huán)繞樹干，裝置的結(jié)構(gòu)與安裝過程復(fù)雜）。采用的發(fā)明原理包括發(fā)明原理2抽取原理、發(fā)明原理22變害為利原理、發(fā)明原理26復(fù)制原理、發(fā)明原理35物理或化學(xué)參數(shù)改變原理。圖5為穩(wěn)定性提高方案示意圖。

圖5 穩(wěn)定性提高方案示意圖

應(yīng)用發(fā)明原理2抽取原理，可得方案2：在固定過程中，僅需要以正三角形擺放的3個桿就可以保持裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]，故3個端部為鐵板平板的固定桿為固定過程中的有用部分。采用3個端部為平板的固定桿與多個平板通過合頁連接，即可完成固定，該方案簡化了裝置的復(fù)雜性。圖6為方案2示意圖。

圖6 方案2示意圖

2.3.2 物理矛盾分析

在解決物理矛盾問題時，根據(jù)TRIZ理論，使用4個分離原理，這4個分離原理與40個發(fā)明原理之間存在一定的關(guān)系，每一個分離原理分別對應(yīng)著多個發(fā)明原理。在因果分析中，已經(jīng)得到了該系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問題是支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足。通過分析可得，如果支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過小，就不能使樹干得到良好穩(wěn)定的固定效果；如果支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過大，可以使樹干固定良好，但是支撐結(jié)構(gòu)與樹干的接觸力增大，易對樹皮產(chǎn)生損傷。由此形成了一對物理矛盾。物理矛盾分析如下：支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過小，無法使樹干得到良好穩(wěn)定的固定效果；支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過大，可以使樹干固定良好，但是支撐結(jié)構(gòu)與樹干的接觸力增大，易對樹皮產(chǎn)生損傷。因為對樹皮造成損傷的力僅是由移栽樹木防風(fēng)裝置與樹干結(jié)合部分的組件產(chǎn)生，所以可采用整體與部分分離原理。

應(yīng)用發(fā)明原理27廉價替代品原理，可得方案3：使用緊縮環(huán)代替通過合頁連接的多個鐵板平板的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，固定桿的端部設(shè)計為鐵片狀，在緊縮環(huán)套在樹干之后，插入在樹干與緊縮環(huán)之間，固定桿置于地面保持固定。圖7為方案3示意圖。

圖7 方案3示意圖

應(yīng)用發(fā)明原理40復(fù)合材料原理，可得方案4：在支撐結(jié)構(gòu)與樹干之間增加O型橡膠密封圈[6]，緩沖支撐結(jié)構(gòu)對樹干造成的沖擊力，保護(hù)樹皮結(jié)構(gòu)，同時提高制成桿的摩擦力，加強(qiáng)固定。

3 移栽樹木防風(fēng)裝置改進(jìn)設(shè)計的物場分析

在TRIZ理論中，物場分析是通過系統(tǒng)中存在的功能問題進(jìn)行分析進(jìn)而確定其類型與性質(zhì)，通過參考76個標(biāo)準(zhǔn)解，使設(shè)計者獲得創(chuàng)新思維的開發(fā)與解決問題的方向。

物場分析的求解過程的基本思路為：首先明確系統(tǒng)中存在的主要問題；其次分析主要問題的解決方法后，可以將其解決方法歸類為5種類型，每種類型解決問題方法對應(yīng)著部分標(biāo)準(zhǔn)解；最后通過標(biāo)準(zhǔn)解獲得求解問題的方法。

在物場分析中，針對的分析對象為系統(tǒng)中存在的3個問題：一是強(qiáng)風(fēng)直接作用在樹干，會使剛移栽樹木的樹干發(fā)生一定位移傾斜；二是在雨季時，雨水會使支撐樹干發(fā)霉腐爛，其固定能力降低；三是支撐樹干在被綁好后插在土地上，由于土地的松動無法固定好支撐樹干的位置。

針對系統(tǒng)中存在的這3個問題，通過對系統(tǒng)中相應(yīng)部分進(jìn)行物場分析后，獲得其中每個部分的原有物場模型圖，見圖8。

利用第1級標(biāo)準(zhǔn)解法S1.2.1引入S3消除有害作用，并利用第2類標(biāo)準(zhǔn)解法S2.1.1將單一物場模型轉(zhuǎn)化為鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ?，得到新的物場模型圖，見圖9。

圖9 新的物場模型圖

從圖9可知，基于物場分析，針對系統(tǒng)中存在的3個問題，得到了初步的3個解決方案。方案5：使用長圓筒形防風(fēng)擋板，將樹木置于筒形防風(fēng)擋板之間，可以起到良好的防風(fēng)效果。方案6：通過對支撐樹干涂抹ACQ木材防霉劑[7]，可以防止雨季的潮濕引起的樹干發(fā)霉。方案7：在支撐樹干下端安裝長地釘，在支撐樹干固定時將地釘釘入土地內(nèi)層，使土地與地釘有著良好的力學(xué)接觸性能，進(jìn)而加固固定了支撐樹干所在位置。

4 移栽樹木防風(fēng)裝置改進(jìn)設(shè)計的最終方案

針對系統(tǒng)中存在的問題而提出了以上7種解決方案，對這7種解決方案的可行性進(jìn)行評價。將方案2、方案3、方案4、方案7進(jìn)行組合，得到1種最終方案：首先，用鎖緊圈套在樹干上，在樹干與其之間加入環(huán)式軟質(zhì)黏性硅膠，降低樹皮與樹干所受的沖擊力并提高摩擦力，保證支撐桿與樹干之間的固定性穩(wěn)定；其次，用支撐桿代替支撐樹干，支撐桿的端部設(shè)計為鉤環(huán)狀，掛在鎖緊圈的內(nèi)壁，使支撐桿與掛鉤環(huán)良好固定，端部增加長地釘結(jié)構(gòu)；最后，3個支撐桿構(gòu)成正三角形擺放后，將地釘釘入土地深層，完成支撐桿的位置固定，即可完成樹干的固定。第47頁圖10為最終方案示意圖。

圖10 最終方案示意圖

5 結(jié)束語

本文通過TRIZ理論的基礎(chǔ)，對移栽樹木防風(fēng)裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。運(yùn)用TRIZ理論工具對原系統(tǒng)中的組件進(jìn)行了分析，獲得系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問題，并通過矛盾求解，明確解決方案類型后，確定解決方案，對其存在的矛盾問題進(jìn)行求解。通過對多種方案的分析與評估，將方案進(jìn)行整合，獲得了新移栽樹木防風(fēng)裝置改進(jìn)設(shè)計的最終方案。