TRIZ理论在有机废弃物处理机创新设计中的应用

陈 晨， 张 乐， 孙志学

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

TRIZ理论在有机废弃物处理机创新设计中的应用

陈 晨， 张 乐， 孙志学

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

为解决现有废弃物处理机带来的资源浪费和二次污染问题，从改进处理机的功能结构入手，将TRIZ理论应用到处理机创新设计当中。TRIZ理论中的物理冲突定义和分离方法应用、技术冲突定义和发明原理应用，为处理机产品提供了创新设计思路，得到了一种集粉碎研磨和造粒于一体的新型处理机设计方案，并通过建模渲染得到了该方案的三维数字化模型。通过优化产品功能结构，使废弃物资源得到合理利用，处理机的操作更加人性化，节约了水资源，避免了二次污染的发生，达到了人、产品、环境的和谐相处。

TRIZ理论； 有机废弃物处理机； 创新设计； 物理冲突； 技术冲突

废弃物的回收处理再利用是建设资源节约型、环境友好型社会的重要手段之一，家庭生活中每天都会产生大量的有机废弃物，其合理化处理耗费着大量的人力、物力、财力及社会资源。美国早在20世纪40年代就成功地研制出食物垃圾处理机，近年来发展倾向于采用堆肥工艺制成肥料或加工成动物饲料的资源化处理技术；日本的电器公司也将处理机作为一项很有潜力的产品，投入一定的人力物力进行研制和推广[1]。国内一些发达地区如北上广等大型城市也开始了处理机产品的研制，但目前针对家庭场所使用的处理机都是安装在厨房水盆排水口下面，将有机废弃物粉碎研磨后，借助水力直接冲入下水管道。在一定程度上，该处理机产品减少了生活废弃物的产生量，削减了废弃物的处理成本，但势必会对城市污水系统产生一定的影响[2]。而且相关研究表明，有机废弃物含有丰富的营养成分，其经过合理处置后是制作动物饲料、有机肥的重要原材料，是一种健康的高价值的生物质资源[3]。对此，应用TRIZ理论(发明问题解决理论)，结合有机废弃物的特性，以环保、高效和易操作为设计目标，进行有机废弃物回收处理设备的创新安全设计，增强了产品的人性化设计。

图1 TRIZ解决发明问题流程图

1 TRIZ理论

TRIZ理论是“发明问题解决理论”的俄文缩略词的英译，是在对多学科领域的法则和原理的总结归纳下所形成的理论体系，其主要由39个通用工程参数、40条发明原理及39×39个冲突解决矩阵组成[4]。运用TRIZ理论解决发明问题的流程如图1所示。首先，根据具体的产品，对所存在的问题进行分析，并将其转化为标准问题，进而确定冲突区域；其次，应用TRIZ理论的39个通用工程参数对上述问题进行描述，并找到该问题所对应的工程参数；然后，应用TRIZ工具找到相对应的标准解法；最后，基于对发明原理和分离原理的深刻理解，并根据所掌握的知识，找到解决此类冲突的最佳思路，具体化得到实际解决方案。

2 TRIZ理论应用实践

2.1 问题描述

处理机在使用过程中要同时满足产品的使用环境、产品对废弃物的回收处理和产品的机械性能等要求。通过对处理机的目标用户的中高端消费群体(年龄段为30～60岁)进行需求分析，并运用层次分析法对分析结果进行分类整理，从下往上依次建立处理机的用户需求层次结构图(见图2)，最终将用户需求转化为处理机产品的设计概念[5]。

图2 处理机用户需求层次结构图

根据目标用户对处理机的需求，再结合现有处理机的功能(废弃物的转化处理)，经过进一步的归纳、总结，将处理机的设计概念描述为以下3个问题。

(1)现有处理机能够根据要求完成废弃物的转化处理，整个装置结构紧凑，重量适中。但是要求处理机能够实现废弃物资源的回收再利用，且要求处理过程迅速，则需要给处理机产品增添新的功能，来满足用户的实际需求，但这样的设计会使处理机整体重量增加。

(2)现有处理机在完成废弃物的转化处理后需要借助水力排入下水管道，造成了大量水资源的浪费。在倡导绿色设计的时代背景下，要求处理机装置具有可节约水资源的环保性能。所以在产品的设计过程中，可通过提高处理机的自动化程度，使其在完成转化处理之后无需借助水力就可自动排放废弃物。但依据这样的设计思路，会造成处理机的形态结构比较复杂。

(3)经过转化处理的废弃物往往通过排水管道进入下水道，易造成城市二次水污染。因此，应改善处理机自身产生的有害因素，保证处理机各结构的合理布局，并改变现有处理机的排放方式，使其对处理后的废弃物能够进行合理利用，但因此会造成处理机形态结构复杂。

2.2 冲突分析

2.2.1 物理冲突分析

物理冲突是指在实现产品的某种功能的过程中，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时也存在与该特性相反的特性[6]。应用TRIZ理论，定义处理机设计中的物理冲突为：一方面，废弃物需要通过粉碎研磨处理后排放掉；另一方面，废弃物需要合理利用。

2.2.2 技术冲突描述

技术冲突是指对系统中一个或多个参数进行优化的同时，另外一个或多个参数随之恶化[7]。应用TRIZ理论，将处理机的上述技术冲突进行总结，并将其判定过程进行罗列，具体见表1。

表1 处理机技术冲突判定

将上述技术冲突转化为TRIZ理论的39个通用工程参数[8]。如：

No.35适应性及多用性：指在各种外部因素的作用下，物体或系统以多种方式发挥其功能的可能性，属于改善的参数。No.1运动物体的重量：指在重力场中，运动物体作用在支撑体或悬挂装置上的力，属于恶化的参数。

No.38自动化程度：指在无人操作的情况下，物体或系统实现其功能的能力，属于改善的参数。No.12形状：指物体的外部轮廓或外貌，属于恶化的参数。

No.31物体产生的有害因素：由于物体或系统的操作而导致工作质量和效率下降，属于改善的参数。

2.3 问题解决

2.3.1 分离原理的确定

由于物理冲突的双方同时存在于同一个客体当中，因此需要将矛盾双方在不同空间、时间、条件以及层次上进行分离，从而有效地解决物理冲突[9]。

应用空间分离原理，对同一个参数的不同要求在不同空间上得到满足[10]。将处理机回收处理系统分为粉碎研磨和造粒两部分，粉碎研磨设备主要对废弃物进行初加工，使粉碎颗粒度小于研磨盘与周围研磨腔的间隙4～6 mm，进而由该缝隙进入造粒仓，然后在双辊齿轮造粒机的作用下进行挤压，并团聚成致密的坚硬颗粒，以供动物饲料或有机肥原料使用。整机结构主要由4部分组成，分别为喂料部分，粉碎研磨仓，造粒仓，物料输出等，整个过程采用智能化操作方式。

采用粉碎研磨和造粒相结合的结构，并根据功能要求计算出处理机的各物理参数，如功率、电机转速、刀具参数、齿轮相关参数等，进而实现处理机的使用功能和安全功能。

2.3.2 发明原理的确定

查找TRIZ理论的矛盾冲突解决矩阵列表，找到解决上述技术冲突所对应的发明原理，并从矛盾冲突矩阵中截取适合于本问题的子矩阵，如表2所示。

表2 处理机矛盾冲突矩阵

图3 排放系统

图4 可伸缩料盘

针对处理机创新设计中实际需要解决的问题，结合产品设计的原则以及对各个创新发明原理内涵的深刻理解，并对其进行具体分析，得知发明原理6号(通用原理)、13号(反向功能原理)、35号(参数变化原理)，可以有效地解决处理机设计中的冲突。

由创新原理No.6“通用原理”得到解决方案：增加处理机的功能，使其在满足基本的粉碎研磨功能外，增加处理机的造粒功能。

由创新原理No.13“反向功能原理”得到解决方案：将处理机排放系统反转。现有处理机排放系统都是位于处理机外部，通过排水管与下水管道相连，借助水力将粉碎后的废弃物输送到下水管道。受“反向”设计的启发，可将处理机的排放系统置于处理机内部，使造粒后的废弃物成品颗粒在重力的作用下通过倾斜挡板进入可伸缩料盘。排放系统见图3。

由创新原理No.35“参数变化原理”得到解决方案：改变排放管的几何参数，甚至取消排放管，即采用不同的收集工具和收集方式。通过在造粒仓下方设置物料伸缩盘，对处理后的废弃物进行收集装袋，以便二次利用，避免对城市污水系统造成二次污染。可伸缩料盘见图4。

3 创新设计方案

3.1 处理机创新设计

综合上述物理冲突和技术冲突的解决方法，得到了处理机装置的创新设计方案，处理机结构如图5所示。

图5 处理机结构图

工作原理：按动上盖开关，打开上盖，倒入废弃物，通过显示屏操作，启动处理机。废弃物先是被一级研磨装置中的破碎装置破碎，符合要求的废弃物将通过刀盘周围的缝隙进入二级研磨装置中，然后在粉碎合金刀片的高速旋转打击作用下再次被粉碎，合格的废弃物颗粒将继续进入三级研磨装置中进行研磨。在废弃物被破碎的过程中电磁加热圈会对废弃物进行加热，过筛的成品小颗粒将进入造粒仓，经双辊齿轮造粒机进行挤压团聚造粒，形成颗粒状的成品，最后通过倾斜挡板滑入可伸缩料盘中，并借助可伸缩料盘对成品颗粒进行输送，以便封装。废弃物在整个处理过程中将在密闭环境中进行，其中处理机内壁上附着了胶木玻璃纤维材质，可对整个处理过程中的异味进行吸附，进一步增强了处理机产品的人性化设计。

3.2 处理机创新设计的评价

该处理机在概念设计和性能方面与现有的餐厨处理设备相比，具有以下创新点。

首先，从源头解决了有机废弃物资源的可再生利用问题，并且节约了水资源。具体表现在废弃物经过粉碎研磨后不需要借助水力将其排入下水道，而是进行造粒，以作为动物饲料、植物肥料的原材料进行二次利用，这样既发挥了有机废弃物潜在的营养价值，同时节约了水资源，避免了二次污染。

其次，处理机操作更加方便快捷。具体表现在处理机的整个设计过程融入了智能化的设计思路，首先处理机在使用前不需要进行安装，减少了广大家庭主妇因为处理机安装过程繁琐而带来的困惑；在整个产品的交互设计上，从用户体验的角度出发，设计了手机终端APP，既可手机远程控制，也可通过交互界面进行按键操作；整个处理过程在密封环境中进行，且在处理机内壁上附着了胶木玻璃纤维材质，对处理过程中的异味进行了吸附，并通过可伸缩料盘对最终形成的成品小颗粒进行输送，以便封装。

最后，整个产品在外观设计以及材料选用上从用户的需求出发，尽量减少产品在整个使用周期中对环境带来的污染。具体表现在产品的外观造型从国际风格出发，更加贴近用户的主观审美及心理、情感等需求[11]，材质选用ABS工程塑料，易于加工成型，质轻环保，不易被腐蚀，避免了现有餐厨处理设备纯金属质感给用户带来的冷漠感以及腐蚀现象严重的问题。

综上所述，该创新设计方案达到了环保、高效、易操作的设计目标。

4 结 语

通过运用TRIZ的相关理论和工具，对处理机进行创新设计实践，主要做了3个方面的工作。

(1)通过增加处理机的功能，集粉碎研磨和造粒于一体，实现了废弃物资源的合理利用；

(2)通过对现有处理机排放系统的改革，增加了处理机的自动化程度，节约了水资源；

(3)改变处理机排放系统的几何参数，采用可伸缩料盘的收集方式，避免了对城市污水系统带来的二次污染，同时也便于废弃物的封装，以供二次利用。

[1] 陈建湘,方勇,杨友强.中国餐厨垃圾处理方式、存在问题及对策[J].广东化工，2015,42(9):175-176．

[2] 李江华,牟心鸣,张建军,等.食物垃圾处理器对城市污水系统的影响研究[J].给水排水,2011(S1):105-110.

[3] 胡新军,张敏,余俊锋,等.中国餐厨垃圾处理的现状、问题和对策[J].生态学报,2012,32(14):4575-4584.

[4] 李付星.TRIZ理论在特殊群体辅助轮椅创新设计中的应用[J].包装工程,2016,37(10):113-117.

[5] 孙志学.产品创新设计理论及其应用[J].陕西理工学院学报:自然科学版,2006,22(4):5-7.

[6] 王良柱,王和顺,黄泽沛,等.基于TRIZ理论的电磁驱动式机械密封创新设计[J].润滑与密封,2012,37(8):99-102.

[7] 朱辉,李培林,王崴.基于TRIZ理论的多轴拧紧机结构优化设计[J]．机械设计，2015,32(12):26-29．

[8] 檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].北京:高等教育出版社,2010.

[9] 韩彦良.TRIZ理论在螺旋输送机磨损问题中的应用研究[J].机械设计与制造,2012(3):201-203.

[10] 付敏,王述洋.基于TRIZ(发明问题解决理论)的林木生物质粉碎机安全设计[J].中国安全科学学报,2008,18(11):97-102.

[11] 孙志学,杜鹤民.基于形状文法的多因素驱动应急通信车造型设计[J].机械设计,2014,31(10):97-101.

[责任编辑：李 莉]

Application of TRIZ theory in the innovative design of organic waste processor

CHEN Chen, ZHANG Le, SUN Zhi-xue

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

The existing waste processor has the waste of resources and the two pollution problems. Focusing on these issues and starting with the functional structure of the improved processor, the research uses TRIZ theory to carry out the innovative design of the processor. The definition of physical contradiction and the application of separation method, the definition of technical contradiction and the application of creative principles of TRIZ theory have been used, which provided innovative design ideas for the processor product, and an innovative design scheme of a new type of machine. Meanwhile the 3D digital model of the scheme was obtained by modeling and rendering. Through optimizing the product function and structure, waste resources can be reasonably used, the operation of processor is more user-friendly, water resources can be greatly saved, the secondary pollution is avoided, hence to achieve harmony among people, products and environment.

TRIZ theory; organic waste processor; innovative design; physical contradiction; technical contradiction

2016-11-02

2016-12-13

陕西省高等学校创新创业教育改革试点学院资助项目(2016-27)；陕西理工大学研究生教育教学改革研究资助项目(slgyjg1604)

陈晨(1992—)，女，陕西省富平县人，陕西理工大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论；张乐(1991—)，女，陕西省渭南市人，陕西理工大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论；[通信作者]孙志学(1973—)，男，陕西省洋县人，陕西理工大学教授，硕士，主要研究方向为计算机辅助工业设计、产品设计。

1673-2944(2017)02-0043-05

TB472

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