基于TRIZ理论的垃圾清运车模块化设计研究

陈兴义，杨锦陇

基于TRIZ理论的垃圾清运车模块化设计研究

陈兴义，杨锦陇

（河南理工大学 建筑与艺术设计学院，河南 焦作 454000）

目的：在垃圾分类投放的情况下，为提升垃圾清运车的运输效率和处理垃圾的能力，满足垃圾分类回收的运输需求。方法：在原有垃圾清运车的基础上，通过对产品实际需求分析和实际使用情况调查，根据实际使用需求进行功能模块划分，划分为装载模块、粉碎模块和压缩模块三个主要功能模块；发现产品设计过程中的问题并分析和定义问题，转化为解决问题的标准模式，根据矛盾的本质运用TRIZ相关理论，对矛盾冲突逐一解决。结果：结合TRIZ和模块化设计理论找出一种适合垃圾清运车设计的产品创新设计方法，提高了垃圾清运过程中的自动化水平，满足了垃圾清运的多样化运输需求，有利于垃圾回收的资源化利用。结论：构建了基于TRIZ的产品模块化创新设计流程模型，提高了设计水准，并为模块化设计中解决问题提供了创新思路。

TRIZ；模块化设计；矛盾矩阵；技术矛盾；物理矛盾

垃圾分类处理越来越受到政府和公众的重视，而中国垃圾治理进程大致可划分为三个相互交织的历史阶段:“部分处理”、“无害化建设”以及“循环产业建设”[1]。但是市场上没有适合垃圾分类运输和垃圾预处理的运输车辆。本研究采用模块化设计的方法，具有成本低、设计周期短、零件重复利用率高等优点，根据实际运输需求对垃圾清运车进行模块化设计。垃圾清运车作为一个复杂产品，其功能和形式多样，模块的划分具有一定的难度。为解决这一问题，将模块设计与TRIZ结合，可以有目的性的去解决问题，从而缩短设计周期，提高创新能力。企业通过设计创新赋予产品以新的品质和特征，进而在市场竞争中形成差异化的竞争优势[2]。

1 基于TRIZ理论的产品模块化创新设计流程

模块化设计是一种标准化、系列化、组合化的设计方法，包含以下两方面的内容：（1）根据新设计的要求和需求，进行整体功能分析，合理创建出一组模块，即模块创建；（2）根据实际要求将一组存在的特定模块合理组成模块化产品，即模块组合[3]。所谓模块，是指具有独立功能和结合要素，而有不同用途和不同结构且能互换的基本单元。模块的形式可以是部件（或组件）、零件。模块化设计包含三个层次即模块化产品设计、模块系统设计、模块化系统设计[4]。采用模块化设计的方法一方面缩短了设计周期和降低了研发费用，提高了设计的质量和自动化设计水平，另一方面适应了产品快速更新换代的需求。

TRIZ（Theory of Inventive Problemsolving）是阿奇舒勒在总结了海量专利的基础上，发现了隐藏在专利背后的发明规律。Lee C K M, Tai M J E[5]提出TRIZ是工程产品设计的有力工具，它消除了猜测和随机产生想法来解决问题的本能行为；Li Y C , Chu C Y , Chien W C[6]指出应用TRIZ的主要目的是在概念设计阶段有效和高效地支持创新产品设计理念。TRIZ理论提供了发明问题解决算法和物理冲突与分离原理等工具，能有目的性解决设计过程中出现的冲突矛盾和设计方案无法获取等问题，已在产品设计过程中得到了广泛应用[7]。TRIZ为产品的创新设计提供了新思路，其最大的优势在于提供了解决问题的思路和工具，而不是随机行为。

对产品的设计流程进行分析，参考张建辉等[8]提出的问题流网络构建及求解过程模型、张乐等[9]提出的基于TRIZ理论的产品创新设计流程和袁清珂[10]提出的模块化设计过程，结合模块化设计的优势和TRIZ的特点，提出基于TRIZ理论的产品模块化创新设计流程模型，如图1所示。创新设计是创新驱动的参与者与引领者[11]，设计流程的创新为设计人员提供了创新工具，利用该设计流程的优势为：（1）利用模块化设计中标准化、系列化的原则制定产品的设计计划，避免大量重复工作；（2）在模块划分和模块设计的过程中运用TRIZ，提供创新思路和方法，解决该过程中遇到的技术冲突和优化技术方案；（3）对模块进行统一整理，建立管理系统，有利于后期产品的升级换代和为其他产品的设计提供参考和基础。

2 垃圾清运车案例分析

2.1 市场调查，确定设计任务

2.1.1 产品分析

（1）功能分析。研究产品功能的目的是为了验证一个功能存在的必要性，有利于降低产品的复杂性和产品成本。传统的垃圾清运车的基本功能是运输功能，除了基本功能之外，对于垃圾分类回收来说还需具备垃圾自动装载功能、垃圾粉碎功能、垃圾压缩功能和倾倒功能。

（2）结构和材料分析。垃圾清运车主要结构包括车架、车头、发动机、传动系统、转向系统、车身等。根据垃圾清运车的自身结构，其材料可分为两类：①钢化玻璃、工程塑料、橡胶等非金属材料；②钢铁、铝合金等金属材料。

图1 基于TRIZ理论的产品模块化创新设计流程

2.1.2 实际调查

采用实际调查的方式对校园内垃圾存放处的垃圾种类进行统计，依据统计结果，结合垃圾回收利用方式进行垃圾处理方式划分，如图2所示。为了便于回收，以上垃圾的存放应该采用垃圾桶分类的垃圾分类方式，即根据垃圾的种类进行分桶存放，方便垃圾的收集。

图2 垃圾分类处理方式

基于以上分析，垃圾清运车应具备粉碎、压缩和装载功能，还需具备专门的废旧电池等易腐物质的回收装置。

2.2 功能模块划分

所谓模块就是可组确定功能和接口结构的、合成系统的、具有某种典型的通用独立单元[12]。功能模块的划分要综合产品的整个生命周期，以实际需求为基础，综合考虑各方面因素，使其便于制造、装配以及后期的拆卸回收利用。综合实际调研分析可知，垃圾清运车应该具备粉碎、压缩和装载功能，因此功能模块应该是粉碎模块、压缩模块和装载模块。为了满足不同的需求，应该使这些模块具有独立的工作能力，且容易拆卸和组合。根据不同功能模块之间进行组合，如图3所示。

图3 功能模块组合关系

类型1：满足直接装载的垃圾运输需求，不需要粉碎和压缩的垃圾，如剩菜剩饭、玻璃瓶、果皮及菜叶等；

类型2：满足需要装载和粉碎的垃圾运输需求，如旧衣物和塑料制品等；

类型3：满足需要装载、粉碎和压缩的垃圾运输需求，如废纸和废旧纸箱等。

另外，对于废旧电池等易腐蚀废品，必须合理处置，否则对环境造成严重污染，考虑到其收集量较少，因此在垃圾运输车车厢后部放置一个专门的腐蚀类废品回收模块。

2.3 问题描述与分析

问题分析的实质是利用TRIZ理论提供的工具进行分析，将要解决的问题转化成为TRIZ问题[13]垃圾清运车的产品技术和市场成熟度一直趋于相对稳定，大部分的生产厂家都是利用成熟的卡车底盘技术，因此其造型和功能大致相同。

（1）问题描述。通过市场的调查和用户的反馈，发现传统的垃圾清运车存在装载垃圾不方便、粉碎效率低、压缩不彻底、功能单一和造型缺乏美感的问题。上述问题带来的产品功能危害为运输效率低，需要垃圾中转站的二次处理；缺乏识别性，市场竞争力低。

（2）问题分析。随着劳动成本的增加，垃圾清运过程自动化程度需提高，传统的垃圾清运车需要环卫工人在脏乱的环境中工作，对垃圾的处理不够彻底，需要垃圾中转站的二次处理。从垃圾清运车的使用特点去分析，使其应该完成其基本功能，同时要对垃圾的回收利用进行预处理。此外还应该以人为本，将环卫工人从脏乱的环境中解救出来。在进行功能模块的设计时，要充分考虑其尺寸、结构、材料，使其满足垃圾运输和预处理的要求。通过实际调研和访谈，传统垃圾清运车存在的问题如表1所示，分析可知产品在设计上存在运输效率低、预处理效果不明显和用户体验较差。

表1 传统垃圾清运车存在的问题

2.4 冲突确定与解决思路

阿奇舒勒将矛盾分为三类，即管理矛盾（Administrative Contradiction）、技术矛盾（Technical Contradiction）、物理矛盾（Physical Contradiction）[7]。运用TRIZ理论解决矛盾冲突时，首先要了解矛盾的种类，根据不同矛盾冲突的特点运用不同的原理去解决。对垃圾清运车模块化设计的过程中遇到的问题进行分析，主要涉及到技术矛盾和物理矛盾两方面的内容。

2.4.1 技术矛盾

根据技术系统进化法则，技术系统进化方向为增加其理想化水平进化[14]。影响传统垃圾清运车的装载装置使用性的主要因素是功能设计，确切地说是具备自动夹持和自动倾倒的功能，提高其自动化程度。传统垃圾清运车的转载方式是人工装载和半自动装载两种方式，需要人工参与，不符合社会发展的需求。该矛盾属于技术系统中的矛盾，可转化为39个通用工程参数，待改善参数为38号（自动化程度），恶化参数为27号（可靠性）。根据阿奇舒勒矛盾矩阵表，得到如表2所示的发明原理：第11条（预先防范），第27条（廉价替代品），第32条（改变颜色）。

影响传统垃圾清运车的粉碎效率的主要因素是结构设计，其目的是为了提高其工作效率。传统的垃圾清运车粉碎时，存在粉碎不连续的问题，导致粉碎效率低，垃圾清运过程不能连续进行。该矛盾属于技术系统的矛盾，可转化为39个通用工程参数，待改善参数为39（生产率），恶化参数为21号（功率）。根据阿奇舒勒矛盾矩阵表，得到如表2所示的发明原理：第35条（物理/化学参数变化），第20条（有效作用的连续性），第10条（预先作用）。

通过对垃圾清运车的设计需求分析，综合实际设计要求，可得到两种发明原理，即第11条和第20条发明原理，其具体内容如表3所示。其中，将预先防范运用到设计中：将原有的机械机构与自动识别装置结合的基础上，增加自动监控装置，出现问题及时报警，确保整个过程的顺利进行；有效作用的连续性运用到设计中：将原先的粉碎装置中两个滚刀转动粉碎的方式改为三个滚动转动的方式，其中中间滚刀固定不动，两侧滚动同时向内转动，并将两侧滚刀向上与中间滚刀倾斜一定的角度，这样不仅增加了粉碎的接触面积，形成的凹槽利于粉碎的下料，还保证了粉碎的连续性。

表2 TRIZ法技术矛盾阵表

表3 发明原理及解释说明

2.4.2 物理矛盾

物理矛盾是指系统为了达到某种性能，要求子系统应该具备某种特性，但同时出现了与该特性相反的特性[15]。垃圾清运车压缩机构的设计要求压缩机构压缩强度要提高，选用更高规格的压缩设备，提高压缩强度。但同时车厢内部空间是有限的，增大了压缩设备的体积，存储空间将会减小，也不利于垃圾的装载，从这一方面考虑希望压缩设备占用空间要小。因此压缩设备即要求压缩强度大，即体积更大的压缩设备，但同时要求体积尽可小，不占用车厢太大的空间，即出现“大与小”的物理矛盾。

解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离，TRIZ解决物理矛盾的四大分离原理为空间分离、时间分离、条件分离和整体与部分分离[16]。解决以上矛盾采用整体与部分分离原理，将原本复杂的系统进行分离，已达到预期的效果，其矛盾类型及解决原理如表4所示。将整体与部分分离原理运用到设计中：将原来的压缩装置从车厢整体中分离出来，作为一个独立的子系统进行压缩工作，将原来的粗放式压缩变成小批量的多次压缩，既提高了压缩效果，又不占用较大的体积空间。

表4 矛盾类型及其原理

3 方案设计

在实际需求分析的基础上，运用模块化设计理论将垃圾清运车的不同功能进行功能模块的划分，将垃圾清运车的设计分为装载模块设计、粉碎模块设计和压缩模块设计。装载模块设计的目的是解决垃圾装载不便的问题，提高装卸自动化水平；粉碎模块设计的目的是解决粉碎不彻底的问题和提高粉碎效率；压缩模块设计的是将一次粗放的压缩变成多次精确压缩，提高压缩效果。利用TRIZ理论中的技术矛盾解决方法（利用阿奇舒勒矛盾矩阵）和物理矛盾解决方法，将设计过程遇到的矛盾冲突进行创新解决，对设计方案进行优化设计，并利用三维软件进行实体建模[17]。参照基于TRIZ理论的产品模块化创新设计流程，如图1所示。

3.1 装载模块设计

装载模块由夹持装置、自动识别和监控装置、传动装置和控制装置构成。自动识别装置通过识别装在垃圾筒上的特殊标志判断垃圾桶的位置，控制装置根据传输返回的信号发出命令，使夹持装置和传动装置，自动夹持垃圾筒、自动传送和自动卸载。驾驶员可以在驾驶室内对垃圾的装载过程通过监控装置进行操作和查看，自动识别和监控装置在发现突发情况的条件下发出警报。既提高了自动化水平，又增强了可靠性，其工作过程示意如图4所示，装载模块实体模型如图5所示。

3.2 粉碎模块设计

装载模块由支撑装置、触发装置、切割磙子、传动装置和电动机组成。装载装置把垃圾（如废纸）倾倒进粉碎装置，触发装置被触发，粉碎装置开始工作，若无垃圾在粉碎装置内在电动机停止工作，其优势在于自动完成粉碎和实现间歇工作以降低能耗。利用结构的创新性设计，三个切割磙子相错排列，形成凹型（两侧切割滚子水平排列，中间向下排列），其目的是增大粉碎接触面积；两侧同时向内转动，中间轴固定不动，其目的是提高粉碎效率和在粉碎长度较长的垃圾时形成切断力，其排列方式和运动方式如图6所示。既保证了单位时间内的粉碎量，又确保了粉碎的连续性，提高了粉碎效率和粉碎效果，其工作过程示意如图7所示，其实体建模如图8所示。

图4 装载模块工作过程示意图

图5 装载模块实体模型

3.3 压缩模块设计

压缩模块由支撑装置、液压传动装置、压力传感装置和垃圾存储装置组成。运用分离原理，将压缩装置从车厢系统中分离出来，使压缩过程更加简易。与粉碎装置进行组合，当粉碎的垃圾达到一定量时，触发压力传感器开关，压缩模块装置开始工作，将垃圾压缩成块，其目的是保证压缩比（约为1:8），提高压缩强度和实现间歇压缩以降低能耗。此外，对于无需粉碎的垃圾可以直接压缩。其压缩原理和工作过程示意如图9所示，压缩模块实体建模如图10所示。

图6 粉碎原理

图7 粉碎过程示意图

图8 粉碎模块实体建模

图9 压缩原理和工作过程示意图

图10 压缩模块实体建模图

3.4 总体设计

垃圾清运车整体方案设计的主要思路是：针对实际问题，对传统垃圾清运车进行优化设计，突出三大核心模块，并且各模块之间采用通用接口，可以自由组合使用。根据实际运输要求，选用需要的功能模块，实现一车多用的设计目标。根据图3，划分类型一、类型二、类型三。垃圾运输方式的目的是从垃圾运输的实际需求出发，解决垃圾种类多和垃圾运输车单一的冲突，不仅可以减少垃圾清运车的数量以降低运营成本，还提高了垃圾分类利用的综合效益。结构的创新设计，实现了压缩比大，减少垃圾中转站的二次压缩，可以直接对回收资源进行利用。以需要装载功能、粉碎功能和压缩功能的垃圾运输方式为例，其工作过程描述如下：装载功能模块完成垃圾的装载－粉碎功能模块将垃圾粉碎－压缩功能模块将粉碎垃圾压缩－车厢内压缩垃圾存储－垃圾运输车运输到指定地点，其整体设计效果如图11所示。

4 结论

本文构建了基于TRIZ理论的产品模块化创新设计流程模型。首先对垃圾清运车的使用情况进行调查，分析需求进行模块划分；接着进行问题描述和问题分析，运用TRIZ理论进行矛盾冲突解决；最后按照设计流程进行方案制定。在整个设计过程中，功能模块的划分利于解决功能需求问题，利用TRIZ理论的矛盾冲突矩阵和40个创新发明原理以及解决物理矛盾的分离原理对系统遇到的问题进行解决，通过数字化设计完成产品的设计。此方法将TRIZ和模块化设计相结合，为产品的创新设计提供了新方法，解决了垃圾清运车创新设计中的矛盾，并通过功能模块之间的组合满足不同的运输需求。对模块化设计中的功能模块进行了设计探索，并提供了一种解决问题的方法，对于提高创新设计能力有一定的促进作用。

图11 垃圾清运车整体方案设计

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Modular Design of Garbage Truck Based on TRIZ Theory

CHEN Xingyi，YANG Jinlong

( School of Architectual and Artistic Design, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China )

This paper aims to improve both the transport efficiency of garbage truck and waste disposal capacity and to meet the transport needs of waste recycling after sorting. On the basis of the original garbage truck, in combination of TRIZ and modular design theory, the paper comes up with an innovation design method suitable to garbage truck. Through analysis of the products and survey of the actual use, the function modular is divided into loading module, crushing module and compression module. By conversion of these problems into 39 engineering parameters, it settles these contradictions one by one with the reference of Contradiction Matrix, with more than 40 Inventive Principles, as well as physical contradiction solutions. This design improves the automation level during garbage process, meets the demands of diversified transportation, and also promotes the waste reutilization. The product modular innovation design process model based on TRIZ theory improves the design efficiency and the design quality and provides innovative ideas for solving problems in modular design.

TRIZ；modular design；contradiction matrix；technical contradiction；physical contradiction

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.011

1006－0316 (2020) 01－0064－07

2019－09－09

河南省重点研发与推广项目（192400410152）

陈兴义（1959－），男，河南焦作人，教授，主要研究方向为设计理论与方法。*

杨锦陇（1993－），男，河南许昌人，硕士研究生，主要研究方向为工业设计理论与方法。