基于TRIZ進(jìn)化路線的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬 俊，熊越東，黃華棟，李長(zhǎng)春

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104)

基于TRIZ進(jìn)化路線的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬 俊，熊越東，黃華棟，李長(zhǎng)春

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104)

基于TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，研究一種機(jī)電產(chǎn)品關(guān)于塑料瓶回收裝置的進(jìn)化路線，進(jìn)行塑料瓶回收裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)系統(tǒng)方案、工作流程、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)研制出集機(jī)械、電子、嵌入式系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)服務(wù)器技術(shù)為一體的新型環(huán)保設(shè)備.設(shè)備具有塑料瓶收集、粉碎、儲(chǔ)存和再利用功能并設(shè)計(jì)有獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng).

TRIZ；進(jìn)化路線；塑料瓶回收裝置；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2011年深圳大運(yùn)會(huì)開幕式上，由1 100萬個(gè)廢舊塑料瓶搭建而成的不一樣的舞臺(tái)和看臺(tái)，給世界各地的觀眾留下了不一樣的驚嘆與記憶[1].據(jù)中國(guó)包裝聯(lián)合會(huì)資料，中國(guó)每年生產(chǎn)300萬噸塑料瓶，要消耗1 800萬噸石油.塑料瓶使用的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，也是滌綸短纖維和長(zhǎng)絲的原料，回收的廢舊塑料瓶經(jīng)過簡(jiǎn)單地處理，就可以做成化纖，進(jìn)而制成衣物.廢棄的塑料瓶也可以處理成“塑料米”進(jìn)行再利用.中國(guó)人口眾多，在城市中每天都要消耗大量的瓶裝水，尤其在人口稠密的地區(qū).在城市里的繁華地區(qū)，有環(huán)保意識(shí)的人會(huì)將廢棄塑料瓶丟到垃圾箱里，無此意識(shí)的人將塑料瓶隨意丟棄，污染了周圍環(huán)境，同時(shí)也造成了浪費(fèi).因此，為了減少塑料瓶對(duì)環(huán)境的污染，鼓勵(lì)人們循環(huán)利用塑料瓶，有必要研制一種具有回收與處理塑料瓶功能的環(huán)保產(chǎn)品，造福社會(huì).

本文利用TRIZ理論中的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，對(duì)塑料瓶回收裝置進(jìn)化路線進(jìn)行了深入地研究，成功研制出兼具回收、干燥和激勵(lì)機(jī)制等功能為一體的智能化塑料瓶回收環(huán)保產(chǎn)品.

1 基于TRIZ的產(chǎn)品進(jìn)化法則

TRIZ(theory of inventive problem solving)理論，即發(fā)明問題解決理論.是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇?阿奇舒勒及其發(fā)明團(tuán)隊(duì)在研究大量專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾十年不懈努力創(chuàng)建出的發(fā)明與創(chuàng)新方法.在TRIZ理論中，將產(chǎn)品看成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)某種功能或職能的事物的集合，即技術(shù)系統(tǒng).技術(shù)系統(tǒng)是在不斷發(fā)展變化的，產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展總是遵循著一定的客觀規(guī)律，同時(shí)，技術(shù)系統(tǒng)也面臨著自然選擇、優(yōu)勝劣汰[3].阿奇舒勒和他的合作伙伴經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)和抽象，提出了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論，并將進(jìn)化規(guī)律抽象為一些公理，以進(jìn)化法則的形式進(jìn)行表述，形成了著名的八大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，構(gòu)成TRIZ理論的核心內(nèi)容之一.在經(jīng)典TRIZ理論中，這八大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則分別是：技術(shù)系統(tǒng)完備性法則；技術(shù)系統(tǒng)能量傳遞法則；技術(shù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性法則；技術(shù)系統(tǒng)提高理想度法則；技術(shù)系統(tǒng)子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則；技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化法則；技術(shù)系統(tǒng)向微觀級(jí)進(jìn)化法則；技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則[4].

在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，采用技術(shù)系統(tǒng)提高理想度法則，研究塑料瓶回收裝置環(huán)保產(chǎn)品的進(jìn)化路線.技術(shù)系統(tǒng)提高理想度法則是指技術(shù)系統(tǒng)朝著提高系統(tǒng)理想度的方向進(jìn)化.一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，必然有兩方面的作用，即有用功能和有害功能.系統(tǒng)的理想度定義為所有的有用功能與有害功能和成本之和的比值.技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)的一般方向是最大化理想度比值，它反映一個(gè)實(shí)際技術(shù)系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)理想系統(tǒng)的近似程度.實(shí)際上，最理想的產(chǎn)品或者技術(shù)系統(tǒng)(也稱理想系統(tǒng))，在實(shí)際中是不存在的.但是，理想化最終結(jié)果是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)努力方向，是技術(shù)系統(tǒng)向最理想系統(tǒng)進(jìn)化的過程.技術(shù)系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，然后其技術(shù)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、超系統(tǒng)進(jìn)入了螺旋式發(fā)展(擴(kuò)展)與收縮(修剪)的時(shí)期，最終結(jié)果是“新技術(shù)系統(tǒng)”代替“舊技術(shù)系統(tǒng)”，完成了一輪提高理想度的進(jìn)化過程.應(yīng)用此法則進(jìn)行塑料瓶回收裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以得到滿意的解決方案.技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過程如圖1所示.

圖1 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過程

2 塑料瓶回收裝置進(jìn)化路線

自塑料瓶裝水出現(xiàn)以來，最初主要使用普通垃圾箱收集空瓶，塑料瓶與其他垃圾混在一起，不便于分類處理，不利于回收，人們還缺乏再利用的概念，后來出現(xiàn)了一種用來收集塑料瓶的獨(dú)立垃圾箱，其功能單一、結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，有利于分類處理.塑料回收后主要采用填埋方式，對(duì)環(huán)境有污染.近年來，又有人開始研究專用的、多功能的塑料瓶回收箱，這類回收箱不但具有回收的功能，而且還具有將塑料瓶直接處理成類似“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為提高.而本文研究的塑料瓶回收裝置基于TRIZ進(jìn)化法則，進(jìn)一步提高了回收的理想度，延伸優(yōu)化了回收和處理功能.

提高回收箱理想度的進(jìn)化路線如圖2所示，按照技術(shù)系統(tǒng)提高理想度法則，對(duì)回收箱進(jìn)行裁剪、分割、擴(kuò)展系統(tǒng)功能，使其從單系統(tǒng)擴(kuò)展為雙系統(tǒng)，再發(fā)展為多系統(tǒng)、多功能的環(huán)保產(chǎn)品.新一代的塑料瓶回收箱包括回收、處理、上網(wǎng)發(fā)布信息、獎(jiǎng)勵(lì)等多種功能，能夠很好地做到鼓勵(lì)人們積極回收塑料瓶，建立良好的環(huán)保意識(shí).

圖2 提高塑料瓶回收裝置理想度進(jìn)化路線

3 塑料瓶回收裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D2所示的進(jìn)化路線，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的理想度，使人們很愿意將用過的塑料瓶投入回收箱中，既解決了回收問題，又達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)處理的目的.本文通過研究原有垃圾箱等回收裝置，設(shè)計(jì)了一種多功能的具有獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制的集機(jī)械、電子、嵌入式系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)服務(wù)器技術(shù)為一體的新型環(huán)保設(shè)備.該裝置由機(jī)械破碎系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3個(gè)部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，工作流程如圖4所示.將使用過的塑料瓶投入回收器塑料瓶滑道后，通過傳感器激發(fā)ARM控制系統(tǒng)，控制器發(fā)出信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)接通電源帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)工作，系統(tǒng)中的刀具組件將塑料瓶絞碎、清洗和干燥，達(dá)到收集、儲(chǔ)存和再利用的目的.同時(shí)，用戶投入塑料瓶后，通過回收器上的自動(dòng)獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)可獲得一定的獎(jiǎng)勵(lì).用戶在回收器上插入專用的IC卡后，在回收器的觸摸屏上會(huì)顯示投瓶的數(shù)量以及獎(jiǎng)勵(lì)的金額，用戶只需按照提示操作即可，獎(jiǎng)勵(lì)既可后期抵用也可捐出.所有提交的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程的服務(wù)器處理.

圖3 塑料瓶回收裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖4 塑料瓶回收裝置工作流程

4 塑料瓶回收裝置的總體結(jié)構(gòu)

回收裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由電機(jī)、V帶和切削刀具組件組成.電機(jī)接通電源帶動(dòng)V帶運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)刀具切削組件里的皮帶輪，皮帶輪帶動(dòng)連接在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的3片高速鋼片刀組進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過片刀和定刀之間的剪切力來完成塑料瓶的破碎處理，像剪刀一樣將塑料瓶處理成小片塑料，然后清洗和干燥.圖5為回收器總體結(jié)構(gòu)圖.通過視圖和三維立體圖表達(dá)了塑料瓶智能回收裝置的外觀和內(nèi)部基本構(gòu)造[5-6].

5 結(jié)論

圖5 塑料瓶回收裝置總體結(jié)構(gòu)圖

遵循TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，探討塑料瓶回收裝置的進(jìn)化路線，提出回收裝置的設(shè)計(jì)方案.由該方案研制出的樣機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)回收和處理塑料瓶的效果很好，處理后的塑料微粒很小，既便于運(yùn)輸，又利于隨后的塑料回用.此外，該回收裝置通過機(jī)載的獎(jiǎng)勵(lì)交互界面，加強(qiáng)了用戶參與性、自主性與趣味性.使用網(wǎng)絡(luò)信息自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)回收管理一體化，大幅減少人工成本.同時(shí)，配置了獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制的回收裝置，強(qiáng)化了人們對(duì)垃圾分類的環(huán)保意識(shí)，激勵(lì)了自覺使用該裝置的人群，為提倡垃圾循環(huán)利用，設(shè)計(jì)開發(fā)更多相應(yīng)的創(chuàng)新環(huán)保產(chǎn)品提供了新思路.

[1]檀潤(rùn)華. 創(chuàng)新設(shè)計(jì)——TRIZ發(fā)明問題解決理論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]趙敏，史曉凌，段海波. TRIZ入門及實(shí)踐[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]尼古拉?什帕科夫斯基.進(jìn)化樹——技術(shù)信息分析及新方案的產(chǎn)生[M]. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[4]王亮申，孫峰華. TRIZ創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]陳凡. 基于TRIZ理論的液壓剪結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械，2012，33(1)：34-35.

[6]韓彥良. 基于TRIZ理論斗式提升機(jī)傳動(dòng)滾筒的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)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

馬 俊(1973-)，男，江蘇蘇州人，副教授，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯：李 華)