基于TRIZ創(chuàng)新的高性能烘干晾衣機(jī)設(shè)計(jì)

李澤軍 倪俊 王琳 范凱歡 李元鳳

摘要：為解決電動(dòng)晾衣機(jī)烘干效率低和干衣數(shù)量少的問(wèn)題?；赥RIZ創(chuàng)新理論，開(kāi)展了電動(dòng)晾衣機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)系統(tǒng)功能模型圖與因果分析得出現(xiàn)有電動(dòng)晾衣機(jī)烘干效率低和干衣數(shù)量少根本原因，并綜合運(yùn)用系統(tǒng)裁剪、物-場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解和技術(shù)矛盾等方法，設(shè)計(jì)出全新的高性能晾衣機(jī)，通過(guò)對(duì)成本、可行性和可靠性的分析，確定了最終方案，得到量產(chǎn)方案和專利布局。?使用TRIZ創(chuàng)新理論可優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法，提供問(wèn)題定義分析求解的思路，形成有效的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，為電動(dòng)晾衣機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：TRIZ創(chuàng)新?電動(dòng)晾衣機(jī)?產(chǎn)品設(shè)計(jì)?家用電器

中圖分類號(hào)：TP391.44;TN929.5;TB472

Design?of?High-Performance?Electric?Drying?Racks?Based?on?the?TRIZ

LI?Zejun1，2??NI?Jun2*??WANG?Lin2??FAN?Kaihuan2??LI?Yuanfeng2

1.School?of?Industrial?Design，?Hubei?University?of?Technology，?Wuhan，?Hubei?Province，?430068?China;2.Zhejiang?Hooeasy?Technology?Co.，?Ltd.，?Jinhua，?Zhejiang?Province，?321015?China

Abstract：In?order?to?solve?the?problem?of?the?low?drying?efficiency?and?small?drying?quantity?of?electric?drying?racks，?based?on?the?TRIZ，?the?innovative?design?of?electric?drying?racks?is?carried?out.?Through?the?functional?model?diagram?of?the?system?and?cause-and-effect?analysis，?the?root?causes?of?the?low?drying?efficiency?and?small?drying?quantity?of?existing?electric?drying?racks?are?obtained，?and?a?new?high-performance?rack?is?designed?by?comprehensively?using?the?methods?of?system?cutting，?the?material-field?model，?standard?solution?and?technical?contradiction.?The?final?scheme?is?determined?by?analyzing?costs，?feasibility?and?reliability，?and?the?mass?production?plan?and?patent?layout?are?obtained.?The?use?of?the?TRIZ?can?optimize?existing?design?methods，?provide?ideas?for?problem-defining?analysis?and?solving，?and?form?effective?systematic?design，?so?as?to?provide?references?for?the?innovative?design?of?electric?drying?racks.

Key?Words：TRIZ;?Electric?drying?rack;?Product?design;?Household?appliance

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒創(chuàng)立的一種基于專利創(chuàng)新理論方法，逐漸成為科學(xué)家、發(fā)明家以及工程師解決問(wèn)題的有力武器[1]。蔣典亨[2]使用TRIZ創(chuàng)新理論，將孕婦裝的用戶需求轉(zhuǎn)換為孕婦裝的設(shè)計(jì)要求，消除了孕婦裝原有的弊端，使之最大程度地提高了設(shè)計(jì)的附加價(jià)值，延長(zhǎng)了孕婦裝使用時(shí)間，節(jié)約了服裝資源，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和理論支撐；李?yuàn)^強(qiáng)[3]等以TRIZ的沖突矩陣和因果鏈分析尋求可行性解決方案，突破相關(guān)設(shè)計(jì)的技術(shù)堡壘，設(shè)計(jì)老人購(gòu)物車(chē)，結(jié)合專利的分析規(guī)避與TRIZ集成創(chuàng)新方法為系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)提供了一定解題思路；金信琴[4]等采用用戶旅程圖與TRIZ發(fā)明原理對(duì)廚具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)合人體固定位置上肢活動(dòng)范圍計(jì)算結(jié)果進(jìn)行烹調(diào)區(qū)廚具的布局設(shè)計(jì)研究，為廚具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供新的思路。

隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，越來(lái)越多的人住進(jìn)了以小區(qū)為單位的高層建筑，陽(yáng)臺(tái)便成為了人們?nèi)粘Ａ罆竦闹饕獔?chǎng)所[5]。電動(dòng)晾衣機(jī)產(chǎn)品作為一個(gè)類家用電器的產(chǎn)品，主要集成了陽(yáng)臺(tái)照明、衣物晾曬、紫外線消毒、熱風(fēng)烘干等功能，但由于產(chǎn)品的同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，用戶對(duì)整個(gè)市場(chǎng)中的品牌認(rèn)知度不高?？婄鎇6]以電動(dòng)晾衣機(jī)系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)全流程中設(shè)計(jì)所扮演角色與設(shè)計(jì)價(jià)值構(gòu)建的實(shí)踐過(guò)程為例，探索傳統(tǒng)中小企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中設(shè)計(jì)參與并發(fā)揮價(jià)值的路徑與方法，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)晾衣機(jī)，并在商業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域取得了一定的驗(yàn)證。文中對(duì)電商平臺(tái)的評(píng)價(jià)進(jìn)行分析，得出目前電動(dòng)晾衣機(jī)烘干效率低和干衣數(shù)量少的核心問(wèn)題，運(yùn)用系統(tǒng)功能模型圖與因果分析尋求產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因，并綜合運(yùn)用系統(tǒng)裁剪、物-場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解和技術(shù)矛盾等方法，得出多個(gè)烘干設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)成本、可行性和可靠性的分析，確認(rèn)最終的方案并進(jìn)行量產(chǎn)和專利的布局。

1??TRIZ問(wèn)題模型

1.1?現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

PTC加熱體加熱周?chē)諝?，通過(guò)風(fēng)機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)以及風(fēng)道的導(dǎo)流，如圖1所示，將熱風(fēng)經(jīng)系統(tǒng)的出風(fēng)口移動(dòng)至懸掛衣物表面，通過(guò)熱風(fēng)蒸發(fā)/干燥衣物內(nèi)部水分，降低衣物含水率從而達(dá)到烘干衣物的功能。

1.2?當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

通過(guò)選取電動(dòng)晾衣機(jī)品牌邦先生、好太太、太太樂(lè)在電商平臺(tái)京東、天貓銷量前三的產(chǎn)品，進(jìn)行差評(píng)分析，篩選出100條典型差評(píng)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，如圖2所示，得出電動(dòng)晾衣機(jī)行業(yè)兩個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題：烘干效率低和干衣數(shù)量少。烘干效率低指以200g襯衫為例，烘干區(qū)域平均用時(shí)120min，如圖3所示；干衣數(shù)量少是指受制于出風(fēng)口尺寸及出風(fēng)角度，單側(cè)晾桿普遍只能有效烘干3件衣物，兩側(cè)合計(jì)6件，不到晾曬衣物數(shù)量的25%（以晾曬24件衣物為準(zhǔn)），如圖4所示，針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，文中利用TRIZ理論來(lái)尋求低成本高效益的解決方法。

1.3?系統(tǒng)功能分析

1.3.1?系統(tǒng)組件列表

定義本系統(tǒng)為晾衣機(jī)烘干系統(tǒng)降低衣物含水率。作用對(duì)象為衣物，得出本系統(tǒng)的組件列表，如表1所示。

1.3.2?系統(tǒng)功能模型圖

對(duì)系統(tǒng)各組件之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行分析得到系統(tǒng)功能模型圖，如圖5所示。

對(duì)系統(tǒng)功能模型圖進(jìn)行分析，描述系統(tǒng)組件及其之間的相互關(guān)系，確定導(dǎo)致問(wèn)題存在的功能因素，列舉出系統(tǒng)中存在的所有負(fù)面功能[7]，負(fù)面功能1，PTC加熱體對(duì)塑料外殼的加熱——有害作用；負(fù)面功能2，周?chē)諝鈱?duì)PTC發(fā)熱的冷卻——有害作用；負(fù)面功能3，葉輪對(duì)風(fēng)道的振動(dòng)——有害作用；負(fù)面功能4，風(fēng)道對(duì)安裝支機(jī)的振動(dòng)——有害作用；負(fù)面功能5，安裝支機(jī)對(duì)外殼的振動(dòng)——有害作用；負(fù)面功能6，PTC發(fā)熱體對(duì)空氣的加熱——不足作用；負(fù)面功能7，葉輪電機(jī)對(duì)葉輪的旋轉(zhuǎn)——不足作用；負(fù)面功能8，風(fēng)由進(jìn)風(fēng)風(fēng)道到出風(fēng)風(fēng)道的聚集——不足作用；負(fù)面功能9，風(fēng)由出風(fēng)風(fēng)道到兩側(cè)出風(fēng)口的傳遞——不足作用；負(fù)面功能10，兩側(cè)出風(fēng)口對(duì)衣物的定向——不足作用。

1.4?系統(tǒng)因果分析

1.4.1?系統(tǒng)因果分析圖

因果軸分析用于建立問(wèn)題產(chǎn)生的結(jié)果與根本原因之間的邏輯鏈，尋找邏輯鏈中薄弱環(huán)節(jié)，找出解決問(wèn)題的切入點(diǎn)[8]。根據(jù)系統(tǒng)功能分析圖繪制出系統(tǒng)因果分析圖，如圖6所示。

通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)因果分析圖，確定本系統(tǒng)中導(dǎo)致問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因?yàn)椋訜狍w性能不足、風(fēng)速不穩(wěn)定、進(jìn)風(fēng)量不足、風(fēng)道聚集空氣不足、出風(fēng)口長(zhǎng)度過(guò)短、缺乏換向裝置。

1.4.2?確定問(wèn)題突破點(diǎn)

通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)功能分析、因果分析，明確了系統(tǒng)中組件之間的相互關(guān)系及存在的負(fù)面功能，深入挖掘了問(wèn)題出現(xiàn)的多層次原因。綜合考慮系統(tǒng)可用資源的基礎(chǔ)上，確定了問(wèn)題解決的突破點(diǎn)[9]有3點(diǎn)，第一，發(fā)熱體加熱空氣不充分，風(fēng)速不穩(wěn)定，使得到達(dá)衣物表面的風(fēng)溫不足；第二，風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理，造成送風(fēng)距離不足；第三，出風(fēng)口設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致出風(fēng)區(qū)域范圍不足。

2??運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新解決問(wèn)題

2.1?系統(tǒng)裁剪

系統(tǒng)裁剪即根據(jù)系統(tǒng)需要嘗試將系統(tǒng)中的某組件裁剪，同時(shí)把它有用的功能提取出來(lái)，讓系統(tǒng)中的其他組件或者超系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，從而達(dá)到降低成本、提高理想度的目的[10]。常見(jiàn)的系統(tǒng)裁剪策略有1唇亡齒寒、2自力更生和3移花接木三個(gè)策略[11]。

2.1.1?系統(tǒng)裁剪方案一

運(yùn)用系統(tǒng)裁剪實(shí)施規(guī)則3移花接木，裁剪掉PTC加熱體，改用加熱效率更高、體積更小、更穩(wěn)定的金屬加熱管，改善加熱體對(duì)空氣加熱不充分的不足作用，如圖7所示；裁剪后的電動(dòng)晾衣機(jī)系統(tǒng)功能模型圖，如圖8所示。

2.1.2?系統(tǒng)裁剪方案二

運(yùn)用系統(tǒng)裁剪實(shí)施規(guī)則2自力更生，裁剪掉安裝支機(jī)，其支撐作用直接由外殼完成，降低成本。確定待裁剪元件繪制系統(tǒng)的功能模型圖裁剪方案，如圖9所示；裁剪后的電動(dòng)晾衣機(jī)系統(tǒng)功能模型圖，如圖10所示。

2.2?物-場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解

阿奇舒勒認(rèn)為，兩個(gè)物體間的作用都可用兩個(gè)物質(zhì)（對(duì)象物質(zhì)S1和工具物質(zhì)S2）和另一個(gè)場(chǎng)的基本模式來(lái)描述。在分析某個(gè)具體的技術(shù)系統(tǒng)時(shí)，建立的模型就叫做物-場(chǎng)模型。標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)則是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)明問(wèn)題進(jìn)行求解的工具，阿奇舒勒總結(jié)了76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，包括13個(gè)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解，23個(gè)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解，6個(gè)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解，17個(gè)四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解，17個(gè)五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解[11]。

針對(duì)問(wèn)題突破點(diǎn)3，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解S1.1.3在物質(zhì)外部引入附加物，在出風(fēng)口增加導(dǎo)風(fēng)擺葉，形成可變換角度的擺葉出風(fēng)口，得到方案3，如圖11所示，改善出風(fēng)角度單一、熱風(fēng)作用范圍小的不足作用，新的物-場(chǎng)模型，如圖12所示。

針對(duì)負(fù)面功能1，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.1在系統(tǒng)的兩個(gè)物質(zhì)間引入外部現(xiàn)成的物質(zhì)，在外殼與加熱管之間增加一種散熱效果好、耐高溫的金屬隔熱板，得到方案4，如圖13所示，減少加熱管對(duì)外殼的加熱作用，避免外殼材料因溫度過(guò)高引起熱危險(xiǎn)的有害作用，新的物-場(chǎng)模型，如圖14所示。

2.3?技術(shù)矛盾解決

2.3.1?技術(shù)矛盾

當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)工程參數(shù)得到改善時(shí)，可能會(huì)引起另外一個(gè)工程參數(shù)的惡化，這種情況下存在的矛盾被稱為“技術(shù)矛盾”。在本系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的出風(fēng)風(fēng)速，改善送風(fēng)距離，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的出風(fēng)溫度惡化，形成了技術(shù)矛盾1；為了提高系統(tǒng)風(fēng)道的風(fēng)壓，改善送風(fēng)距離，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的出風(fēng)量惡化，形成技術(shù)矛盾2。

2.3.2?矛盾矩陣

通過(guò)查詢40個(gè)發(fā)明原理[11]，選擇技術(shù)矛盾參數(shù)組合，得到技術(shù)矛盾1的矛盾矩陣，如表2所示；技術(shù)矛盾2的矛盾矩陣，如表3所示。

2.3.3?概念方案

運(yùn)用發(fā)明原理31.多孔材料原理，產(chǎn)生新的解決方案5，如圖15所示，即在發(fā)熱管上采用多層散熱片，增加發(fā)熱體接觸空氣表面積，充分加熱的同時(shí)，最大程度不影響進(jìn)風(fēng)。

運(yùn)用發(fā)明原理2.抽取原理，產(chǎn)生新的解決方案6，如圖16所示，即將烘干系統(tǒng)從主機(jī)中抽取出來(lái)形成單獨(dú)下置烘干模塊，有效解決進(jìn)風(fēng)不足的問(wèn)題。

運(yùn)用發(fā)明原理30.柔性殼體或薄膜結(jié)構(gòu)原理，產(chǎn)生新的解決方案7，即在主機(jī)下方增加一個(gè)柔性烘干罩，使得局部范圍內(nèi)形成封閉狀態(tài)，加速空氣循環(huán)。

運(yùn)用發(fā)明原理14.曲面化原理，產(chǎn)生新的解決方案8，如圖17所示，即風(fēng)道采用曲面設(shè)計(jì)，參考空氣動(dòng)力學(xué)，在葉輪離心力方向進(jìn)行導(dǎo)流，最大程度提高導(dǎo)流效率。

運(yùn)用發(fā)明原理4.不對(duì)稱原理，產(chǎn)生新的解決方案9，如圖18所示，即采用離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，有效解決風(fēng)道風(fēng)壓不足的問(wèn)題。

2.4?物理矛盾解決

為了實(shí)現(xiàn)某種功能，對(duì)同一對(duì)象（或者同一個(gè)子系統(tǒng)）的同一個(gè)工程參數(shù)提出了互斥的要求，即為物理矛盾[12]。在本系統(tǒng)中，為了增加系統(tǒng)送風(fēng)距離，要求風(fēng)速要大，與此同時(shí)，為了提高到達(dá)衣物表面的風(fēng)溫，要求風(fēng)速不能太大。因此，本系統(tǒng)中存在對(duì)同一參數(shù)“風(fēng)速”的互斥要求，即存在物理矛盾。運(yùn)用時(shí)間分離原理對(duì)應(yīng)的19.周期性動(dòng)作原理，產(chǎn)生新的解決方案10，即雙模式控制方式，風(fēng)機(jī)采用急速模式和標(biāo)準(zhǔn)模式，急速模式風(fēng)機(jī)100%轉(zhuǎn)速輸出，標(biāo)準(zhǔn)模式75%轉(zhuǎn)速輸出。

2.5?系統(tǒng)進(jìn)化法則及S曲線解決

S曲線是產(chǎn)品生命周期理論的核心部分，在具體應(yīng)用過(guò)程中可以分析判斷產(chǎn)品處于生命周期的哪個(gè)階段，推測(cè)系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)[13]，如圖19所示，并可以根據(jù)不同階段的特點(diǎn)和要求，為研發(fā)及商業(yè)決策提供參考作用。

根據(jù)S曲線和系統(tǒng)進(jìn)化法則，運(yùn)用提高動(dòng)態(tài)性法則，產(chǎn)生新的概念方案11，即動(dòng)態(tài)烘干控制系統(tǒng)，通過(guò)溫濕度傳感器、重量傳感器及全自動(dòng)控制算法等，實(shí)現(xiàn)衣物表面溫濕度及重量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并按照衣物烘干不同階段自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)熱體功率及出風(fēng)口方向，達(dá)到快速烘干的同時(shí)能耗最低。

3??方案評(píng)價(jià)

綜合成本、可行性、可靠性以及作用效果等多個(gè)維度，最終采納由“1、2、3、4、5、8、10”所組成的綜合方案，如表4所示，開(kāi)發(fā)了全域擺風(fēng)的高性能烘干晾衣機(jī)，如圖20～圖21所示。

4??結(jié)語(yǔ)

文中運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新工具，針對(duì)電動(dòng)晾衣機(jī)烘干效率低和干衣數(shù)量少的問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)裁剪、物-場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解和技術(shù)矛盾等方法，結(jié)合成本、可行性等多個(gè)維度，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款高性能烘干晾衣機(jī)，通過(guò)TRIZ創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)的晾衣機(jī)取得了12項(xiàng)相關(guān)專利，具體為發(fā)明專利5項(xiàng)，CN114320961A?、CN113862975A?、CN112251999B、CN112391817B、CN113818222A；實(shí)用新型專利7項(xiàng)，CN215051461U、CN215051462U、CN215058251U、CN216040320U、CN215714116U、CN214655867U?、CN212611547U；同時(shí)該方案作為創(chuàng)新項(xiàng)目參加2022中國(guó)創(chuàng)新方法大賽浙江賽區(qū)決賽榮獲三等獎(jiǎng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了使用TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)電動(dòng)晾衣機(jī)的可行性，同時(shí)也可以為相關(guān)電動(dòng)晾衣機(jī)設(shè)計(jì)提供參考，提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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