基于TRIZ理论的产品结构创新设计

谢 斌

（上海第二工业大学机电工程学院，上海 201209）

基于TRIZ理论的产品结构创新设计

谢 斌

（上海第二工业大学机电工程学院，上海 201209）

针对原有列车上水连接器存在的问题，基于TRIZ理论体系中的技术冲突和创新原理，应用TRIZ理论的冲突解决矩阵和发明原理，对上水连接器的结构作了改进设计，并取得了良好的效果。

上水连接器；TRIZ理论；冲突解决矩阵；发明原理

0 引言

我国是一个水资源紧缺的国家，然而，城镇供水管网的漏失率却在20 % 左右，每年因此而损失的自来水超过了100亿立方米。铁路又是用水大户，采用传统方式为旅客列车上水，在作业过程中会浪费大量的水资源。其原因在于：上水过程的流失、水源球阀的易损、上水橡胶管口径各异和水箱溢流。

TRIZ理论目前已经在工业、建筑、微电子、社会学、商业和教育等领域得到广泛的应用[1-2]。本文针对上述问题，运用TRIZ理论的冲突解决矩阵和发明原理来改进原有上水连接器的结构设计。

1 TRIZ理论

TRIZ的含义是发明问题、解决理论，其拼写是由“发明问题的解决理论”（Theory of Inventive Problem Solving）俄语含义的单词首字母组成。它由前苏联发明家阿奇舒勒（G. S. Altshuller）在1946年创立，是阿奇舒勒团队在分析了世界各国250多万项高水平专利的基础上，提出的具有普遍适用性的一套发现问题并找到解决办法的发明理论，成为了创新的“点金术”。它用系统的方法和工具来彻底解决那些常人“看似不可能解决的问题”。TRIZ理论中的阿奇舒勒冲突矩阵、40个发明原理、物—场模型分析、76个标准解法、ARIZ和科学知识原理库等方法，能帮助我们快速获得创造性的解决方案。

TRIZ求解问题的模式如图1所示。首先，对实际问题进行抽象，将实际问题转化为TRIZ的标准问题；然后，利用TRIZ工具得到TRIZ的标准解；最后，针对实际问题，应用专业知识，将标准解再转化为实际问题的最终解[3]。

图1 TRIZ求解问题模式Fig. 1 Solving the problem mode of TRIZ

2 TRIZ理论在上水连接器创新设计中的应用

2.1 原有上水连接器的缺点

原有上水连接装置是由筒状的活塞套3（其中有活塞5）、密封圈4、弹簧2以及与活塞套一端连接的后盖1组成，安装在限定的通径直胶管6内，如图2所示。

原有传统上水连接方式：当地面水源管路接通时，依靠活塞端面受压及弹簧等的作用，连接器处于关闭状态。当把直胶管用力插上列车进水插头时（如图3所示），将推动活塞向下移动，水就通过活塞上的径向孔7流入列车插头上水管路。由于该装置安装在限定通径的直胶管内，因而通径小，压力大，活塞受压面大，反冲力大；同时由于直胶管的内周与列车有锥度的进水插头的外周接触面小，造成了紧固力不足，容易滑脱。

图2 原有上水连接器结构Fig. 2 Original structure of water connector

图3 列车进水插头 Fig. 3 Train water plug

综上所述，原有上水连接器的问题主要在于连接的可靠性不足以及反冲力过大。

2.2 应用TRIZ工具解决技术冲突

技术冲突是指系统中一个部分性能的增强导致有用及有害两种结果，也可指有益作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统性能的劣化[4]。

首先，将原有上水连接器的技术特性抽象成TRIZ的39个通用技术参数中的参数。

部分冲突解决矩阵元素如表1所示。矩阵表中的行表示冲突中恶化的参数，列则表示改善的参数，单元格中列出了推荐的解决该问题的发明原理（用发明原理序号表示）。

在此问题中，希望改善的参数为可靠性（No. 27），力（No. 10）。恶化的参数为物质或事物的数量，即水量（No. 26）。

其次，利用冲突解决矩阵查得相应的发明原理序号为3、10、14、35、36。

最后，经分析筛选，决定利用发明原理3（局部特性原理）和14（曲面化原理）来解决问题。

局部特性原理：从均匀的物体结构、外部环境或作用改变为不均匀；让物体不同部分承担不同的功能；把物体的每个部分处于各自动作的最佳位置。此原理应用于连接器胶管结构改进。

曲面化原理：利用圆柱体、球体、螺旋，离心力，从直线部分过渡到曲线部分，从平面过渡到球面，从正六面体或平行六面体过渡到球形结构，从直线运动过渡到旋转运动。此原理应用于连接器活塞结构改进。

表1 冲突解决矩阵Tab. 1 Conflicts solving matrix

3 具体实施方式

基于TRIZ理论发明原理3和14，设计了新型的上水连接器的结构。如图4所示。

图4改进后的上水连接器结构Fig. 4 Improved structure of water connector

新型上水连接方式：包括插座套3和活塞套6，在插座套一端固定的连接圈4连接了活塞套中带有锥度的活塞，外周环圆有密封圈1，使活塞套一端连接管接头7。当地面水源管路接通时，依靠活塞和密封圈作用，关闭连接器。当上水时，把带有锥度的插座套插上图3所示的列车进水插头，则活塞2和锥度插头端面接触，依靠插上时的力推动活塞打开通路，使水通过活塞的一端锥体，减少了受压截面，同时由于通径大，压力变小，因此能轻松插上连接，而水就从活塞的径向孔5流入列车插头上水管路。由于活塞一端受压处呈锥形，减小了图3插头和活塞端面间的相互排斥反冲力，而且在插座套和图3插头连接处，内外周锥度的相对应，使得接触面紧固牢靠，不滑脱。

4 应用效果

该连接器具有自动开关功能，水井球阀可常开，上水胶管常压，改变传统操作，实现上水胶管端口不放水，节省更换水源球阀费用等。连接器自2004年8月1日起在上海站部分站台投入试用，2006年13个站台共安装273个新型上水连接器。2005年度客车上水量为1 032 246 m3，2008年度客车上水量为713 390 m3，同比减少318 856 m3，节水率达到30.9 % ，效果明显。

5 结论

通过对原有列车上水连接器的结构特点和工作原理的分析以及对关键问题的剖析，运用TRIZ理论中的冲突解决矩阵和发明原理，找到了切实有效的解决方案并加以实施，并且取得了良好的经济效益和社会效益。此外，对于提高该连接器的使用寿命以及防止列车水箱溢流的问题还需要进一步的研究和探索。

[1] 王亮申. TRIZ创新理论与应用原理[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[2] 黄为民. TRIZ: 颇为完备的技术创新理论体系[J]. 上海第二工业大学学报, 2010, 27(3): 236-241.

[3] 赵敏. TRIZ入门及实践[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

[4] 张春林. 机械创新设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.

Product Structure Innovation Design Based on the Theory of TRIZ

XIE Bin
( School of Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

The problems of original train’s water connector are aimed at. Based on technical conflicts and innovation principles of TRIZ, it makes use of the conflicts solving matrix and inventive principles of TRIZ and makes improved design for the structure of water connector. Finally, the new water connector has achieved good results.

water connector; TRIZ; conflicts solving matrix; inventive principles

TH112

A

1001-4543(2012)02-0117-04

2011-12-24;

2012-06-13

谢斌（1968－），男，浙江人，讲师，工程硕士，主要研究方向为机械设计教学与研究，电子邮箱xiebin@meef.sspu.cn。