基于物质——场分析的油烟机产品创新设计

徐茂青 冯黔军

（广州市红日燃具有限公司 广东广州 510435）

1 引言

物质-场模型分析是TRIZ理论中的一个重要的问题构造、描述和分析的工具。在使用物质-场模型分析和解决问题的过程中，根据模型所描述的功能问题的类型来确定问题的性质，为设计人员提供解决问题的方向。同时，结合应用物质-场对系统功能分析的结果，参考76个标准解，为设计者产生创新思维创造条件。

本文以油烟机产品为研究对象，从产品功能分析入手，采用物质-场分析方法，从发现问题和解决问题两个方面对油烟机产品进行创新设计。

2 功能分析

2.1 功能定义

功能是价值工程研究的核心问题。顾客在购买产品时，买的不是产品本身，而是产品的功能。在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品设计往往首先由工作原理确定，而工作原理构思的关键，是满足产品的功能要求。产品时功能的载体，功能是产品的核心和本质。

2.2 基于功能的物质-场分析模型

所有的功能都可以分解为两种物质和一种场，即一种功能由两种物质及一种场的三个要素组成，分别是目标、工具和场。技术系统的功能模型可以用一个完整的物质-场的三角形来表示，如图1所示：

其中S和S 代表“物质”，是指实现功能的物质元素，它们可以是材料、工具、零件、人、环境等。一般地，S 表示被作用的目标，S表示工具。F代表“场”，是使S和S相互作用以实现功能的能量来源。可以提供能量的场可以有多种形式，如机械场、热场、化学场、电场、磁场等。

3 物质-场分析模型的建立

按照物质-场分析方法，首先建立待设计系统的物质-场功能模型。一个系统往往包含多个功能，需要建立每个功能的模型。TRIZ中将功能分为四种基本类型，如图2所示：

(1)有效完整系统：该功能的三个元素都存在，且都有效，是设计者追求的效果；

(2)不完整系统：组成功能的三个元素中部分元素不存在，需要增加元素来实现有效完整功能，或用一种新功能代替；

(3)无效完整系统：功能中的三个元素都存在，但设计者所追求的作用未能完全实现，如产生的力不足够大、温度不足够高等，需要改进以得到期望的效果；

(4)有害完整系统：功能中的三个元素都存在，但产生与设计者要求相矛盾的有害作用，需要消除有害作用。

图1 物质-场功能模型系统

图2 四类物质-场功能模型

图3 吸油烟机结构示意图

4 76个标准解

依据所建立的物质-场功能模型，Altshuller概况出76中标准解法，并分为以下五类：

(1)物质-场的构建和拆解：13种标准解；

(2)改进系统物质-场：23种标准解；

(3)系统转换：6种标准解；

(4)检测与测量：17种标准解；

(5)简化与改进的策略：17种标准解。

应用物质-场模型变换方法时，要根据实际情况构建物质-场模型，分析模型存在的问题，然后依据标准解法寻求实际问题的解。

5 油烟机产品创新设计

随着人们生活水平的不断提高，吸油烟机已经成为各家厨房中的必需品。图3是一种欧式吸油烟机的结构示意图，油烟由风机提供的离心力经油网吸进来，从上面的排烟管排出去。风机部分是吸油烟机的核心部件，决定吸油烟机的风量、风压、工作效率等整体性能，同时油烟气体在风机高速运转过程中产生空气动力噪声，使人感到不适。现应用物质-场模型分析法分析并求解该问题。

5.1 总功能定义

定义油烟机的总功能为“吸走油烟”。

5.2 功能分解

油烟机的总功能可以分解为“过滤油烟”，“吸入油烟”，“排出油烟”三个分功能，其中主要功能是“吸排油烟”。

5.3 功能模型建立

上述分功能已是支持功能，可由油网、风机、排烟管等基本部件完成。根据物质-场分析法，得出具体的产品功能模型图，如图4所示。

5.4 待改进功能模型确定

从图4可以看出，系统的主要功能是由风机运转使内部形成负压，以吸入和排出油烟。有害功能是风机在运转过程中产生振动和噪声，以及油烟气体在风机内部运动时产生空气动力噪声，影响人们身体健康。其振动和噪声由于风机的工作原理不易彻底解决，只能通过改进设计部分解决。

在“吸排油烟”的物质-场模型中，S=油烟，S=风机，F=机械能，用符号系统表示该功能模型如图5所示：

图4 产品功能模型图

图5 吸排油烟功能模型

该模型表明，在完成有用功能“吸排油烟”的同时，又产生了有害功能“振动噪声”。

5.5 标准解分析

在TRIZ的76个标准解中选择适用于该特定问题的标准解，由于此问题中同时存在有用及有害功能，可应用第一类标准解的1.2“消除或抵消有害作用”来解决问题。结合吸油烟机实际结构特点，可以选择标准解1.2.2（NO.10）和1.2.3（NO.11）。

标准解1.2.2（NO.10）：当前设计中同时存在有用和有害作用，但是不能添加新的物质。通过修改S或S 消除有害作用。

标准解1.2.3（NO.11）：有害作用是由一个场引起的，引入要素S 吸收有害效应。

5.6 解决方案

根据上述两个标准解，分别得到如下两种改进方案：

方案1：修改S =风机。

吸油烟机用风机为多翼离心风机，也叫鼠笼式离心风机，主要包括集流器、叶轮、蜗壳三大部件。集流器的作用是保证气流均匀的进入叶轮进口截面，以降低流动损失和提高叶轮的效率。气流由集流器进入叶轮时，在集流器背部形成一个涡流区，进口物流区域往往影响到叶轮中前盘附近气流的流动状况，对风机性能的影响不容忽视。集流器的结构型式、位置型式都会对风机性能有很大影响。多翼叶轮时风机中是旋转部件，对风机中能量的传递起着主要作用。由于多翼叶轮相对宽度较大，使得在叶轮进口处气流沿轴向分布不均匀，易形成大涡流区，是风机损失以及噪声的一个主要来源。叶轮的结构参数主要有出口安放角、进口安放角、叶片数、翼型、叶轮宽度等。蜗壳是离心式风机中的一个重要部件，它起着导流与扩压的作用，蜗壳的形状直接影响内部气体的流动性能，对多翼离心风机的效率、噪声有着重要的意义。其中的蜗舌部分是整个蜗壳设计中的重点，蜗舌的形状是影响风机噪声的重要因素，包括蜗舌的圆弧半径、蜗舌包角以及蜗舌间隙等设计参数。

方案2：引入S =消声装置或吸声材料。

在风机的进出口处或排烟管内加装消声装置或吸声材料。如蜗舌消声器、1/4波长共振器、Helmholtz消声器、微穿孔板消声器等。

5.7 方案评价

上述两种设计方案均有其特点，可以从可靠性、结构复杂性、可实现难易程度几个评价指标综合比较，以确定最优设计方案。

方案1：改进风机结构属于对振动噪声进行主动控制，从根本上降低振动噪声，成本相对较高，但一劳永逸，效果好。

方案2：引入消声装置或吸声材料属于对振动噪声进行被动控制，成本相对较低，但可靠性差。

作为产品设计人员，应该考虑从根本上解决问题，因此认为方案1为最终设计方案。再根据具体的分析计算，优化影响风机性能各设计参数，得到最终的改进吸油烟机产品。

6 结论

TRIZ理论中的物质-场模型分析方法提供了功能描述的三元素模型，并对功能进行了分类，按照符号系统所建立的功能模型可从76个标准解中找出标准解决原理，将原理具体化可得出特定问题的解或新概念。应用TRIZ理论可以有效的解决工程领域的创新问题，使产品设计人员迅速找出问题、快速获得理想的解决方案，大大提高了创新的速度以及创新方式的多样性。

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