基于TRIZ理論的渣土車凹形清洗槽優(yōu)化設(shè)計(jì)

李嘉輝，尹容衡

（武漢紡織大學(xué)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院工程學(xué)院，武漢 430200）

0 引言

截至2020 年底，我國渣土車運(yùn)行量達(dá)到千萬輛次。隨著時(shí)代的發(fā)展，環(huán)保的要求也在不斷的提高，城市市容市貌的綠色環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)也逐年上升，市政部門對渣土車的清洗檢查以及渣土車運(yùn)輸資格評定更加嚴(yán)格，各施工單位對渣土車車輪的清洗工作顯得尤為重要。尤其是渣土車在運(yùn)輸土方離開施工單位時(shí)車輪上往往會(huì)粘上泥土，對此需要借助外力才能把泥土從車輪上分離開，才能完成對車輪的清洗，實(shí)現(xiàn)從源頭減少渣土車把泥土帶出施工單位和泥土掉落在市政道路上的可能性，降低渣土車在運(yùn)輸途中給市容市貌帶來負(fù)面影響，維護(hù)市政道路的整潔。

在實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段主要的洗車方式有兩種。其中一種為普通凹形清洗槽，造價(jià)較低，但需要渣土車在凹形清洗槽上快速來回行駛，對于駕駛員來說，需要來回切換車輛擋位，會(huì)使駕駛員在清洗過程中感到繁瑣。另一種則是采用洗車平臺結(jié)構(gòu)通過使用洗輪機(jī)對車輪進(jìn)行清洗，但相對與普通凹形清洗槽，洗車平臺整體造價(jià)較高，而且長期工作下來發(fā)現(xiàn)從渣土車清洗下來的泥土與細(xì)石會(huì)積累在洗車平臺內(nèi)部，且由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隔小，人工難以清理平臺底部堆積物。

因此如何提高凹形清洗槽的使用效率和清洗效率，且不需對凹形清洗槽結(jié)構(gòu)做出大改動(dòng)，從而形成了一個(gè)亟需解決的問題。本文通過流程分析發(fā)現(xiàn)問題，并通過TRIZ 理論與沖突矩陣尋找解決方案，設(shè)計(jì)一套能使渣土車能在不同狀態(tài)下適應(yīng)不同需求的凹形清洗槽，為同類設(shè)計(jì)提供一種簡便高效的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。

1 TRIZ理論

TRIZ 理論(發(fā)明問題解決理論)在分析問題、解決問題方面提供了一個(gè)新的方法和提示，TRIZ 理論指出創(chuàng)新是有規(guī)律性的，要善于抓住這種規(guī)律性，利用現(xiàn)有資源，擴(kuò)展設(shè)計(jì)者的思路[1]。

TRIZ 專門用于研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論，該理論將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工作原理過程具體化，并提出了規(guī)則、算法與發(fā)明原理供設(shè)計(jì)人員使用[2]，已成為一種較完普的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論。其主要研究的內(nèi)容包含沖突解決原理、技術(shù)進(jìn)化理論、物質(zhì)-場分析、功能分析、理想解、資源分析、標(biāo)準(zhǔn)解、效應(yīng)等方面[3]。

TRIZ理論將導(dǎo)致技術(shù)矛盾的因素總結(jié)為39個(gè)通用工程參數(shù)，建立了矛盾矩陣表，提供了40個(gè)解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理[4]。矛盾矩陣是40×40的矩陣，矩陣的第一行表示39個(gè)需要改進(jìn)的技術(shù)參數(shù)，第一列表示39個(gè)引起惡化的技術(shù)參數(shù)，行與列的交叉處形成技術(shù)矛盾，并列有解決技術(shù)矛盾所推薦的創(chuàng)新原理序列號[5]。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程可整理為：尋找問題——分析問題并提出初步解決方案——方案細(xì)化（結(jié)構(gòu)，造型，材料等方面）——方案篩選與評價(jià)——完成設(shè)計(jì)。結(jié)合傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程和TRIZ理論創(chuàng)建一套產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程模型。一旦選定TRIZ 理論中某一或某幾個(gè)原理以后，根據(jù)選用的原理指明一般問題的思維方向與思考特定的問題以獲得其具體解，如圖1 所示，給出了求解技術(shù)沖突的過程[6]。該流程遵循TRIZ 理論解決工程問題的一般步驟，從產(chǎn)品分析入手，發(fā)現(xiàn)問題的根源，從問題分析中尋找理想解，逐層深入[7]，直至產(chǎn)生可行的解決方案。其產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的目標(biāo)性強(qiáng)，簡潔高效，規(guī)避了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的盲目性和無效性[8]。

圖1 凹形清洗槽系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

2 凹形清洗槽結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 洗車過程分析

在實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段主要的洗車方式有兩種。其中一種為普通凹形清洗槽，造價(jià)較低，但需要渣土車在凹形清洗槽上來回行駛。在渣土車在凹形清洗槽上長期來回行駛的情況下，渣土車會(huì)對凹形清洗槽底部水泥結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。當(dāng)凹形清洗槽底部水泥結(jié)構(gòu)被破壞到一定程度時(shí)還需要對凹形清洗槽進(jìn)行排水維修，且在修復(fù)凹形清洗槽期間渣土車將面臨無清洗槽可用的局面，嚴(yán)重耽誤了修復(fù)時(shí)期的渣土車清洗工作和降低了施工現(xiàn)場的運(yùn)輸效率。對于駕駛員來說，車輛在使用凹形清洗槽清洗渣土車車輪時(shí)需要來回切換車輛擋位，在增加駕駛員工作量的同時(shí)，駕駛員會(huì)在清洗過程中感到繁瑣。另一種則是采用洗車平臺結(jié)構(gòu)通過使用洗輪機(jī)對車輪進(jìn)行清洗，車輛只需要慢慢走過洗車平臺既可完成清洗，但洗輪機(jī)造價(jià)較高，而且長期工作下來發(fā)現(xiàn)從渣土車清洗下來的泥土與細(xì)石會(huì)積累在洗車平臺內(nèi)部，且由于洗車平臺內(nèi)部間隔小的特點(diǎn)，人工難以清理平臺內(nèi)部泥沙堆積物。

同時(shí)在現(xiàn)場考察中發(fā)現(xiàn)清洗槽在清洗渣土車車輪時(shí)具有單行性的特點(diǎn)，當(dāng)前方渣土車在清洗的過程中發(fā)現(xiàn)有石頭卡在兩輪間等重大問題時(shí)，前車需要停下處理問題，后方待洗車輛會(huì)受到前方事故車輛的影響，導(dǎo)致后方車輛均要延長自己的洗車總時(shí)間，從而降低了整個(gè)清洗槽的清洗效率和降低了渣土車的運(yùn)輸效率。以上兩類問題是本次優(yōu)化設(shè)計(jì)希望解決的問題。

2.2 用戶分析

通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，87%的現(xiàn)場洗車環(huán)節(jié)裝有凹形清洗槽，且發(fā)現(xiàn)其中有92%裝有凹形清洗槽的現(xiàn)場都以凹形清洗槽作為主要洗車環(huán)節(jié)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有76%現(xiàn)場即使裝有洗輪機(jī)但使用的次數(shù)并不多。綜合上述因素，凹形清洗槽結(jié)構(gòu)更貼合現(xiàn)場真實(shí)使用場景。因此，針對凹形清洗槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)更應(yīng)該針對渣土車在清洗槽上來回行駛會(huì)破壞清洗槽底部進(jìn)行改造。

2.3 技術(shù)矛盾與解決方案

TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一般步驟是借助TRIZ 工具，將實(shí)際問題抽象成TRIZ問題模型，得出設(shè)計(jì)過程中存在的技術(shù)矛盾[9]。從阿奇舒勒矛盾矩陣中找出對應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理，發(fā)掘問題的解法[10]。

2.3.1 確定一般問題

從凹形清洗槽結(jié)構(gòu)上考慮，當(dāng)渣土車在清洗上快速來回行駛以達(dá)到?jīng)_洗掉車輪上泥土?xí)r，渣土車對凹形清洗槽底部水泥結(jié)構(gòu)的沖擊會(huì)造成清洗槽一定破壞，久而久之會(huì)使該清洗槽底部水泥結(jié)構(gòu)破碎程度逐漸增大，碎塊質(zhì)量分布由粗粒端向細(xì)粒移動(dòng)[11]，會(huì)有更多的水泥粒卡在車胎紋路上，給駕駛員帶來一定的安全隱患。為減少凹形清洗槽的底部水泥結(jié)構(gòu)被渣土車來回行駛破壞，決定摒棄傳統(tǒng)只依靠凹形清洗槽洗輪的形式，優(yōu)化清洗槽性能，考慮取代替渣土車來回行駛的結(jié)構(gòu)。

從效率上考慮，渣土車在凹形清洗槽內(nèi)來回行駛增加了單輛渣土車占用清洗槽的時(shí)間。在同一時(shí)間段其他待洗渣土車只能在清洗槽外等待，不得進(jìn)入清洗槽進(jìn)行清洗作業(yè)。假設(shè)此時(shí)前方車輛出現(xiàn)兩輪間卡石或其他重大問題，前方車輛不得不停下車輛進(jìn)行維修，會(huì)直接延長后方待洗車輛的等待時(shí)間，嚴(yán)重影響了整個(gè)渣土車清洗槽的工作效率，于是考慮新增人字形結(jié)構(gòu)。

人字形道路結(jié)構(gòu)的左側(cè)與右側(cè)的分叉角度可根據(jù)施工現(xiàn)場的使用環(huán)境、可用面積、當(dāng)?shù)厥姓缆芬蟮葋頉Q定。根據(jù)真實(shí)空曠場地模擬當(dāng)人字形道路結(jié)構(gòu)的左側(cè)與右側(cè)的分叉角度采用30°～45°時(shí)，較為符合駕駛員的駕駛習(xí)慣與駕駛視野。

2.3.2 獲得一般解

基于對以上兩個(gè)參數(shù)的強(qiáng)化而對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，勢必導(dǎo)致裝置的復(fù)雜性等一系列不利參數(shù)的新增。對應(yīng)39個(gè)通用工程特征參數(shù)，選擇運(yùn)動(dòng)物體的作用時(shí)間（15）、操作流程的方便性（33）為優(yōu)化參數(shù)。能量損失（22）、控制和測量的復(fù)雜性（37）作為惡化參數(shù)，選取相應(yīng)的設(shè)計(jì)原理，對凹形清洗槽進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如表1所示。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，對應(yīng)阿奇舒勒矛盾矩陣獲得查詢結(jié)果，選取對應(yīng)適合本裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的創(chuàng)新原理有抽?。ú鸪觯┰?、復(fù)制原理和動(dòng)態(tài)原理。

表1 凹形清洗槽系統(tǒng)矛盾解決矩陣表

2.3.3 獲得工程解

根據(jù)抽?。ú鸪觯┰恚?），對產(chǎn)品進(jìn)行分割，對存在的缺陷逐個(gè)擊破，分步解決問題。結(jié)合人字形道路結(jié)構(gòu)，把渣土車遇到重大問題需要在清洗槽的出口停下解決剝離開，放到人字形道路的另一側(cè)進(jìn)行解決。如圖2所示，既符合清洗槽工作時(shí)的單向性，也能使得當(dāng)前車出現(xiàn)問題也不會(huì)影響后車清洗。

圖2 主道人字形結(jié)構(gòu)

根據(jù)復(fù)制原理（26），使用低廉的替代品代替造價(jià)比較高的洗車平臺。通過對洗車平臺進(jìn)行分析，得到在凹形清洗槽的兩側(cè)安裝洗車噴頭的啟發(fā)。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，不增加裝置的復(fù)雜程度。

根據(jù)動(dòng)態(tài)原理（15），結(jié)合可旋轉(zhuǎn)噴頭。在凹形清洗槽的兩側(cè)安裝上可在一定角度范圍內(nèi)來回噴水的噴頭，用噴頭的轉(zhuǎn)動(dòng)來代替渣土車在凹形清洗槽上的來回運(yùn)動(dòng)，減少渣土車在凹形清洗槽上快速運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，從而減少渣土車對凹形清洗槽底部水泥結(jié)構(gòu)的沖擊破壞，起到保護(hù)凹形清洗槽底部的作用且延長凹形清洗槽的使用壽命。

3 平臺延伸設(shè)計(jì)

3.1 紅外感應(yīng)設(shè)計(jì)

通過在清洗槽的進(jìn)口與出口均安裝一個(gè)紅外感應(yīng)裝置，用于控制安裝在清洗槽內(nèi)部兩側(cè)旋轉(zhuǎn)噴頭的開與關(guān)。入口處紅外感應(yīng)負(fù)責(zé)“開”，當(dāng)有車輛到達(dá)清洗槽時(shí)被紅外感應(yīng)到，噴頭自動(dòng)開始工作，車輪沾滿泥土的渣土車只需要慢慢走過凹形清洗槽就能沖洗掉車輪上的泥土。出口處紅外感應(yīng)負(fù)責(zé)“關(guān)”，當(dāng)車輛離開清洗槽，紅外感應(yīng)識別，噴頭停止工作，但在程序設(shè)計(jì)上入口處紅外感應(yīng)裝置一直優(yōu)先與出口處紅外感應(yīng)裝置，以此來保證只要有車輛需要清洗，噴頭就能正常工作。

3.2 圖像識別設(shè)計(jì)

通過在凹形清洗槽的出口安裝圖像識別裝置，用于觀察渣土車在經(jīng)過清洗槽清洗后是否洗干凈。利用圖像采樣技術(shù)代替人眼來判斷渣土車是否清洗干凈，若清洗干凈則把信號燈變綠，若清洗不干凈變成紅。實(shí)現(xiàn)渣土車司機(jī)在不下車的情況下也能清楚知道自己所駕駛的車輛是否清洗干凈，是否需要下車進(jìn)行再處理。

4 結(jié)束語

本文針對在實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)渣土車清洗車輪時(shí)存在的問題——渣土車需要在凹形清洗槽上來回行駛才能把車輪上的泥土分離開。對凹形清洗槽優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用了TRIZ 工具與沖突矩陣，很快找到了解決問題的方法與思路。該理論可對產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際市場需求以及產(chǎn)品是否能達(dá)到使用要求進(jìn)行判斷，從而引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員更精準(zhǔn)的把握產(chǎn)品要求和優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。同時(shí)在解決實(shí)際問題過程中，利用阿奇舒勒矛盾矩陣，以及TRIZ理論總結(jié)的40 條發(fā)明原理，創(chuàng)建一套創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程模型，在經(jīng)過問題分析后選取合適的創(chuàng)新原理獲得問題的最優(yōu)解。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)使用該流程將會(huì)有助于設(shè)計(jì)人員解決目前產(chǎn)品實(shí)際問題，促進(jìn)創(chuàng)新。