基于TRIZ理论的风力灭火机创新设计

吴 晟，田星星

(南京理工大学泰州科技学院机械工程学院，江苏 泰州 225300)

基于TRIZ理论的风力灭火机创新设计

吴 晟，田星星

(南京理工大学泰州科技学院机械工程学院，江苏 泰州 225300)

风力灭火机是森林和城市草坪灭火的重要工具，发动机过热是风力灭火机效率偏低的主要因素之一。为提高设计效率，实现辅助创新方案设计，针对风力灭火机的缺陷和不足，将发明问题解决原理(TRIZ)引入到机械产品方案设计中。利用先进的TRIZ工具矛盾矩阵和物—场模型对风力灭火机进行系统分析，建立了基于TRIZ的机械产品方案设计。通过对风力灭火机的改进实例分析表明，该方法有助于设计人员拓宽思考空间，打破思维定势，辅助设计人员提出富有创造性的设计方案，并为机械领域产品创新提供科学的理论指导和指明探索方向。

TRIZ；风力灭火机；物—场模型

风力灭火机主要应用在森林灭火、消防急救、园林绿化和公路工程等，也有用于工业生产。其工作原理就是利用发动机带动风机叶轮高速旋转，风机产生高速强制气流(风速、风量)吹散燃烧物产生的火苗和热量，使气流隔断火苗与燃烧物，直至燃烧物表面温度降到燃点以下破坏燃烧的条件，从而达到灭火的目的。风力灭火机是森林和城市草坪灭火的重要工具，目前中国市场上的风力灭火器水平参差不齐，国内广泛使用的小型便携式风力灭火机存在携带沉重、效率偏低以及噪声过大等问题，其中发动机容易过热，导致功率变小，引起风量和风速减小等，是亟需解决的问题之一。

TRIZ理论是发明问题解决理论，是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统，其包含了技术系统演变的8大进化法则、物—场模型分析、40条发明原理、矛盾冲突的解决矩阵、76个标准解和ARIZ等理论。其中解决技术类问题的基本思想为问题的分析、理想解的确定、资源分析、冲突类型确定、矛盾问题解决原理、评价等几个环节[1]。

1 现存问题的描述

6MF-26型风力灭火机是江苏林海动力机械集团公司的产品。由小型汽油机与离心风机2个主要部分组成，其拥有重量较轻、体积小、易于启动和移动、维护保养方便等优点。汽油机一般是二冲程发动机，直接驱动小型的离心风机，其中风机主要是由叶轮与蜗壳组成。风力灭火机在工作时，发动机的动力输出轴直接驱动叶轮，在蜗壳中飞速的旋转，外面的空气被轴向吸入小型风机内，在流道里被加压加速后从出风管口喷出，见图1。

6MF-26型风力灭火机的风速可达到27 m·s-1，不仅接近理论灭火的最大风速，而且人员操作的稳定性与安全性也可很好的保障。其具体参数见表1。

6MF-26风力灭火机在工作时的功能模型分析图见图2[4-5]。一般情况下，从卫星监测和森林的分布监测发现火灾的具体事故地点，直到消防人员赶到时，需要一段较长的时间。根据图2建立的风力灭火机功能模型分析，在这段时间内，森林的火灾迅速蔓延，火势较大。灭火人员需要长时间操纵风力灭火机，尤其是在高温下作业且发动机长时间工作，会导致发动机快速发热甚至是过热。过热的发动机会引起它的输出功率下降，从而导致风力不足。这种情况下，不但不会快速扑灭火焰，而且有可能助长火势的快速蔓延。

表1 6MF-26技术参数

图1 6MF-26型风力灭火机

图2 风力灭火机功能模型

2 TRIZ理论创新原理的应用

根据理想度模型分析可知，要想改善的工程参数是发动机的温度。由于发动机只是风力灭火机上的主要部件，对于风力灭火机的使用者而言，在改善发动机温度的同时，还需关注整机的重量和可维修性。风力灭火机的厂家在降低发动机工作温度的同时，还应关注风力灭火机本身的复杂性和可制造性。

在TRIZ理论39个通用参数中，将需改善的第17个参数：温度、第1个参数：降低温度将可能恶化的技术参数运动物体的重量、第32个参数：可制造性、第34个参数：可维修性、第36个参数：装置的复杂性，利用阿奇舒勒矛盾矩阵表，可以得到适合的发明原理分别为2、4、6、10、16、17、22、26、27、36、38，见表2。对于在矛盾矩阵中得到的解决问题的创新原理进行逐条分析[2-3，6-7]。

原理2：抽取。此原理是从物体当中拆分出“干扰”的部分或是相反，分出唯一需要的部分或者是需要的特性。还有就是把物体中的关键部分挑选或分离出来。根据抽取原理，把发动机从风力灭火机抽取(分离)出来，可以使用传递装置将其拖在后方，尽量远离火灾现场。这样便可以减少外环境对风力灭火机的传热。但是，这种方法的灵活性相当差以及稳定性也不高，所以不予采用。

原理4：非对称。此原理是将对称的形式转化为非对称的形式，或者假如物体是不对称的，则应该加强它的不对称形式[1]。此创新原理对解决问题的贡献有限。

原理6：多用性。要使一个物体完成多种不同的功能，可以缩减原设计中完成这些不同功能的多个物体的个数[1]。可以通过利用半导体制冷器为主导，从而形成冷却装置。半导体制冷器的主要功能之一就是对某一对象或特定的对象进行散热。将半导体制冷器装在发动机与叶轮之间，通过热传递将制冷的温度传递给发动机的金属保护壳中，这样可起到降温的效果；而叶轮所吸进来的热风就会接触到制冷器从而转化成温度较低的冷风。因此，可以快速使温度降到着火点以下的温度，提高灭火的效率。

原理10：预先作用。此原理是在操作前，就使物体的局部或者是全部产生了所需要的变化[1]。针对二冲程风冷发动机，可加入质量且冷却效果较好的冷却液，并且在发动机的内部齿轮和传动装置涂上润滑油，减少摩擦所带来的巨大热量。或者清扫散热装置上的灰尘以免堵塞。这样便可以减少发动机过热的时间和现象。

原理16：部分超越。风力灭火机的发动机整个外壳可采用新型的耐高温材料。但是，新型的耐温材料对于普通材料价格较高，可能超过使用者支付能力，所以这种方法是低效的，不可取。

原理17：维数变化。假如利用此原理将会导致重量的大幅度增加和巨大资本的投入，所以此创新原理对解决问题的贡献是有限的。

表2 技术冲突及解决方法

原理22：变害为利。设置发动机温控温度的临界点为55 ℃，再配备具有一定压强的水箱装置，接入风力灭火机的出风管的中间部位，当温度超过55 ℃时，温控开关开水通过水管快速进入小管，在出风管的管头装配上淋浴式管头，这样即使在功率不强和风力不足的情况下，也起到快速灭火的作用。

原理26：复制。这条原理是通过简单和低廉的复制品代替复杂、以损害、昂贵和不易操作物品。这种方案实施加大了操作人员的负重，不予采用。

原理27：廉价替代品。就是用一些低成本的物品来替代昂贵的物品，或者用一些不耐用的物体代替耐用的物体，而用有些特性来做这种处理。当灭火人员进行灭火时，一旦发现所用的灭火机发热就暂停不用，让它自然冷却，更换另一台使用，就这样交替着使用。这种方法不仅会增加购买成本，而且令操作者使用不便。

原理36：相变。此原理是利用物质的状态改变时发生的现象。此条原理对解决问题有限。

原理38：加速氧化。此条原理对解决问题有限，不予采用。

综上所述，在矛盾矩阵中查得解决问题的创新原理只有原理6、10、22对风力灭火机的改进有一定的改善作用。但是，依旧还有很大的提升空间，尤其是原理22对风力灭火机的改善不是很明显，虽然可以达到快速灭火的功能，但增加了整机的重量。

图3 有问题的物—场模型

3 物—场模型分析

图5 新型风力灭火机

物—场模型分析法是用一些符号来表达技术系统的变换，它是以解决问题当中的各类矛盾为中心，借助建立系统内的模型，可以正确地描述出系统的构成要素和构成要素之间的联系。

有效降低风力灭火机长时间工作时的过热现象，不仅要考虑如何保证灭火效率，还要考虑成本投入和产品市场竞争力等方面。以上问题物—场模型的建立如图3所示。图中指出风力灭火机S2产生的机械场F1对林火S1产生了作用，但是作用力不足。依据问题的物—场模型，从标准发明系统里找到解决方案图4，在原来的物—场模型中加入另外一个机械场F2，增强了F1的作用，可以达到快速灭火的目的。

常规的便携式风力灭火机，是使用皮带挂在灭火人员的胸前，由灭火人员双手操作。根据物—场模型分析设计的风力灭火机，可将CO2气瓶用皮带背在灭火人员的背上(4 L钢瓶的重量约为7 kg左右，铝瓶重量更轻)，用软气管与风力灭火机的出风管相连，CO2便可通过气管进入到风管内。只需在风力灭火机工作时打开CO2瓶，便可有效的起到灭火的作用。

4 最终创新方案的拟定

综合考虑各种可能影响因素(功率、重量、成本等)的作用以及上述发明原理和物—场分析的解决方案，拟定出风力灭火机的创新设计见图5。在风力灭火机的二冲程发动机与风叶之间安装一套制冷装置，此装置由半导体制冷器为核心，不仅能对二冲程发动机起到很好的散热作用，还能对从风机进气口的自然风进行冷却。其次，在风力灭火机中设计一个温控开关，其温控开关的临界点为55 ℃，配套CO2气罐。当发动机开始过热时，温控开关自动开启，经过风力鼓吹，能使CO2快速的覆盖在燃烧物的表面。

5 总结

利用TRIZ理论对风力灭火机进行创新设计，解决了机械创新设计中的技术矛盾，而且推荐的具体方法，比如矛盾矩阵和物—场模型分析，可以得到较为满意的设计方案。TRIZ理论很大程度上加快了创新设计的效率，还可帮助工作人员对问题进行系统的分析，打破传统思考问题的方式，迅速发现并了解问题的矛盾或本质。可有效缩短发明周期，提升发明成功的概率，也使得发明问题具有一定可预见性。

产品创新是个系统性的问题，解决问题的方法不是唯一的，通常包含着互相矛盾的需要，很难通过一步就得以解决。TRIZ理论分析解决问题时，会根据标准的解决方案模型提出解决问题的具体方案，但存在着操作实施的难度与复杂度，而且一些较特殊的问题还是需要借助试错法或头脑风暴法的应用。

[1]根里奇·阿奇舒勒.创新算法：TRIZ系统创新和技术创造力[M].武汉：华中科技大学出版社，2008.

[2]陈国晶，曹贺，刘训涛.TRIZ理论在重力选风量调节装置改进设计中的应用[J].农业装备技术，2010，36(1)：18-19.

[3]卢希美，张付英，张青青.基于TRIZ理论和功能分析的产品创新设计[J].机械设计与制造，2010，12(12)：255-257.

[4]周尧振.HFM-37型风力灭火机的研制[J].林业机械与木工设备，1999，27(3)：8-10.

[5]马大和，刘东明.风力灭火机使用技术探讨[J].林业劳动安全，2013，26(2)：23-25.

[6]陈福，武丽华，王志平，等.基于TRIZ扁平式全氧燃烧喷枪的研制[J].机械设计，2014，31(5)：12-14.

[7]韩彦良.基于TRIZ的注射模侧向抽芯机构创新设计[J].机械设计，2014，31(5)：9-11.

The Innovation Design for the Wind Extinguisher based on the TRIZ

WU Sheng，TIAN Xing-xing

(TaiZhouInstituteofSci.&Tech.，Njust，CollegeofMechanicalEngineering，TaiZhou225300，Jiangsu，China)

The wind extinguisher is an important tool for extinguishing fire on the forest and the city lawn，and the engine overheating is one of the main factors of wind fire extinguishing machine efficiency.In order to improve the design efficiency，make the aided innovation design，this paper used the theory of inventive problem solving(TRIZ) into the design of mechanical products to make up the design defects and shortcomings in the wind extinguisher.The use of the contradiction matrix in TRIZ and substance-field model in analyzed the wind extinguisher，which can establish the conceptual design of mechanical products.Through the improvement of the wind extinguisher shows that，TRIZ is helpful to broaden the thinking space for the designers，to break the mindset，to help designers design creative，and to provide theoretical guidance and designate the exploration direction for the mechanical production design.

TRIZ；wind extinguisher；substance—field model

2014-06-20；

2014-07-17

吴晟(1982—)，男，湖北汉川人，南京理工大学泰州科技学院机械工程学院讲师，硕士，从事生产与运作管理、物流与供应链管理研究。E-mail:prynne@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.017

S776.29+4；TH122

A

1002-7351(2015)02-0077-04