基于TRIZ进化路线的创新设计

马 俊，熊越东，黄华栋，李长春

(苏州工业职业技术学院，精密制造工程系，江苏 苏州 215104)

基于TRIZ进化路线的创新设计

马 俊，熊越东，黄华栋，李长春

(苏州工业职业技术学院，精密制造工程系，江苏 苏州 215104)

基于TRIZ理论的技术系统进化法则，研究一种机电产品关于塑料瓶回收装置的进化路线，进行塑料瓶回收装置的创新设计，经系统方案、工作流程、总体结构设计等环节研制出集机械、电子、嵌入式系统、无线网络和计算机服务器技术为一体的新型环保设备.设备具有塑料瓶收集、粉碎、储存和再利用功能并设计有奖励系统.

TRIZ；进化路线；塑料瓶回收装置；创新设计

2011年深圳大运会开幕式上，由1 100万个废旧塑料瓶搭建而成的不一样的舞台和看台，给世界各地的观众留下了不一样的惊叹与记忆[1].据中国包装联合会资料，中国每年生产300万吨塑料瓶，要消耗1 800万吨石油.塑料瓶使用的聚对苯二甲酸乙二醇酯，也是涤纶短纤维和长丝的原料，回收的废旧塑料瓶经过简单地处理，就可以做成化纤，进而制成衣物.废弃的塑料瓶也可以处理成“塑料米”进行再利用.中国人口众多，在城市中每天都要消耗大量的瓶装水，尤其在人口稠密的地区.在城市里的繁华地区，有环保意识的人会将废弃塑料瓶丢到垃圾箱里，无此意识的人将塑料瓶随意丢弃，污染了周围环境，同时也造成了浪费.因此，为了减少塑料瓶对环境的污染，鼓励人们循环利用塑料瓶，有必要研制一种具有回收与处理塑料瓶功能的环保产品，造福社会.

本文利用TRIZ理论中的技术系统进化法则，对塑料瓶回收装置进化路线进行了深入地研究，成功研制出兼具回收、干燥和激励机制等功能为一体的智能化塑料瓶回收环保产品.

1 基于TRIZ的产品进化法则

TRIZ(theory of inventive problem solving)理论，即发明问题解决理论.是前苏联发明家根里奇•阿奇舒勒及其发明团队在研究大量专利技术的基础上，经过几十年不懈努力创建出的发明与创新方法.在TRIZ理论中，将产品看成一个能实现某种功能或职能的事物的集合，即技术系统.技术系统是在不断发展变化的，产品及其技术的发展总是遵循着一定的客观规律，同时，技术系统也面临着自然选择、优胜劣汰[3].阿奇舒勒和他的合作伙伴经过长期的研究，对技术系统的发展规律进行了总结和抽象，提出了技术系统进化理论，并将进化规律抽象为一些公理，以进化法则的形式进行表述，形成了著名的八大技术系统进化法则，构成TRIZ理论的核心内容之一.在经典TRIZ理论中，这八大技术系统进化法则分别是：技术系统完备性法则；技术系统能量传递法则；技术系统动态性法则；技术系统提高理想度法则；技术系统子系统不均衡进化法则；技术系统向超系统进化法则；技术系统向微观级进化法则；技术系统协调性进化法则[4].

在产品创新设计中，采用技术系统提高理想度法则，研究塑料瓶回收装置环保产品的进化路线.技术系统提高理想度法则是指技术系统朝着提高系统理想度的方向进化.一个技术系统在实现功能的同时，必然有两方面的作用，即有用功能和有害功能.系统的理想度定义为所有的有用功能与有害功能和成本之和的比值.技术系统改进的一般方向是最大化理想度比值，它反映一个实际技术系统对于一个理想系统的近似程度.实际上，最理想的产品或者技术系统(也称理想系统)，在实际中是不存在的.但是，理想化最终结果是产品设计的一个努力方向，是技术系统向最理想系统进化的过程.技术系统经过不断的发展，经历了系统的不断扩展，子系统数量不断增加，然后其技术系统、子系统、超系统进入了螺旋式发展(扩展)与收缩(修剪)的时期，最终结果是“新技术系统”代替“旧技术系统”，完成了一轮提高理想度的进化过程.应用此法则进行塑料瓶回收装置创新设计可以得到满意的解决方案.技术系统进化过程如图1所示.

图1 技术系统进化过程

2 塑料瓶回收装置进化路线

自塑料瓶装水出现以来，最初主要使用普通垃圾箱收集空瓶，塑料瓶与其他垃圾混在一起，不便于分类处理，不利于回收，人们还缺乏再利用的概念，后来出现了一种用来收集塑料瓶的独立垃圾箱，其功能单一、结构很简单，有利于分类处理.塑料回收后主要采用填埋方式，对环境有污染.近年来，又有人开始研究专用的、多功能的塑料瓶回收箱，这类回收箱不但具有回收的功能，而且还具有将塑料瓶直接处理成类似“塑料米”的功能，便于塑料二次利用，塑料瓶回收箱的理想度大为提高.而本文研究的塑料瓶回收装置基于TRIZ进化法则，进一步提高了回收的理想度，延伸优化了回收和处理功能.

提高回收箱理想度的进化路线如图2所示，按照技术系统提高理想度法则，对回收箱进行裁剪、分割、扩展系统功能，使其从单系统扩展为双系统，再发展为多系统、多功能的环保产品.新一代的塑料瓶回收箱包括回收、处理、上网发布信息、奖励等多种功能，能够很好地做到鼓励人们积极回收塑料瓶，建立良好的环保意识.

图2 提高塑料瓶回收装置理想度进化路线

3 塑料瓶回收装置的创新设计

按照图2所示的进化路线，提高设计产品的理想度，使人们很愿意将用过的塑料瓶投入回收箱中，既解决了回收问题，又达到了现场处理的目的.本文通过研究原有垃圾箱等回收装置，设计了一种多功能的具有奖励机制的集机械、电子、嵌入式系统、无线网络和计算机服务器技术为一体的新型环保设备.该装置由机械破碎系统、自动控制系统、无线网络控制系统3个部分组成，系统设计框图如图3所示，工作流程如图4所示.将使用过的塑料瓶投入回收器塑料瓶滑道后，通过传感器激发ARM控制系统，控制器发出信号，使电动机接通电源带动机械系统工作，系统中的刀具组件将塑料瓶绞碎、清洗和干燥，达到收集、储存和再利用的目的.同时，用户投入塑料瓶后，通过回收器上的自动奖励系统可获得一定的奖励.用户在回收器上插入专用的IC卡后，在回收器的触摸屏上会显示投瓶的数量以及奖励的金额，用户只需按照提示操作即可，奖励既可后期抵用也可捐出.所有提交的数据通过无线网络发送给远程的服务器处理.

图3 塑料瓶回收装置系统设计框图

图4 塑料瓶回收装置工作流程

4 塑料瓶回收装置的总体结构

回收装置的机械结构是由电机、V带和切削刀具组件组成.电机接通电源带动V带运动，进而带动刀具切削组件里的皮带轮，皮带轮带动连接在转动轴上的3片高速钢片刀组进行旋转，通过片刀和定刀之间的剪切力来完成塑料瓶的破碎处理，像剪刀一样将塑料瓶处理成小片塑料，然后清洗和干燥.图5为回收器总体结构图.通过视图和三维立体图表达了塑料瓶智能回收装置的外观和内部基本构造[5-6].

5 结论

图5 塑料瓶回收装置总体结构图

遵循TRIZ理论的技术系统进化法则，探讨塑料瓶回收装置的进化路线，提出回收装置的设计方案.由该方案研制出的样机，现场回收和处理塑料瓶的效果很好，处理后的塑料微粒很小，既便于运输，又利于随后的塑料回用.此外，该回收装置通过机载的奖励交互界面，加强了用户参与性、自主性与趣味性.使用网络信息自动处理，实现回收管理一体化，大幅减少人工成本.同时，配置了奖励机制的回收装置，强化了人们对垃圾分类的环保意识，激励了自觉使用该装置的人群，为提倡垃圾循环利用，设计开发更多相应的创新环保产品提供了新思路.

[1]檀润华. 创新设计——TRIZ发明问题解决理论[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[2]赵敏，史晓凌，段海波. TRIZ入门及实践[M]. 北京：科学出版社，2009.

[3]尼古拉•什帕科夫斯基.进化树——技术信息分析及新方案的产生[M]. 北京：中国科学技术出版社，2010.

[4]王亮申，孙峰华. TRIZ创新理论与应用原理[M]. 北京：科学出版社，2009.

[5]陈凡. 基于TRIZ理论的液压剪结构创新设计[J]. 煤矿机械，2012，33(1)：34-35.

[6]韩彦良. 基于TRIZ理论斗式提升机传动滚筒的创新设计[J]. 煤矿机械，2012，33(1)：13-14.

An Innovative Design Based on TRIZ Evolutionary Route

MA Jun，XIONG Yue-dong，HUANG Hua-dong，LI Chang-chun

(Department of Precision Manufacturing Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

Based on the laws of technical system evolution of TRIZ theory，this paper studies the evolutionary route of a kind of mechantronics product (plastic bottle recycling device)，and conducts the innovative design of the device.Then，after the process of systematic scheme，working process and the overall structure design，we develop a new kind of environmental protection device which integrates machinery，electronics，embedded system，wireless network and computer technology.The device is provided with the function of plastic bottle collecting，crushing，storage and reuse and a reward system is equipped with.

TRIZ；evolutionary route；plastic bottle recycling device；innovative design

TH122；TP23

A

1008-5475(2013)03-0026-03

2013-02-20；

2013-03-20

马 俊(1973-)，男，江苏苏州人，副教授，主要从事先进制造技术研究.

(责任编辑：李 华)