裁剪法的产品创新设计策略范文

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《工程设计学报》2014年第四期

1基于理想解－裁剪法的产品创新设计策略

1．1系统裁剪法在明确了系统问题存在的部位和改进方向之后，利用系统裁剪法对产品进行裁剪、修整，使其更加简洁、方便或者高功效，或者说使其更加理想化．在TRIZ理论中，对系统裁剪法是这样定义的：通过裁剪系统的某个组件，然后把该组件提供的有用功能重新分配到其他剩余的组件上，来改善技术系统［9］．通常在实施系统裁剪法工作前，要分析系统组件间的关系，包括有用功能、有害功能和不足功能等，建立该系统的功能模型；紧接着以组件功能对系统的重要程度为依据，把组件功能划分为辅助、基本和主要三个功能等级；最后在综合考虑功能类型、功能等级和组件成本的基础之上判断组件是否存在问题．要始终做到分析的时候从功能入手，裁剪的时候从组件入手．在对系统进行功能分析以后，依据由理想解确定的系统问题存在的部位和改进方向，利用如下4种系统裁剪法的具体实施方法：1）若没有动作接收者，则动作接收者也就不需要动作提供者的作用，那么动作提供者可以裁剪掉；2）动作接收者能自我完成动作提供者的功能，动作提供者可被裁剪掉；3）技术系统或者超系统中其他的组件可以完成动作提供者的功能，动作提供者可被裁剪掉；4）技术系统的新添组件可以完成动作提供者的功能［10－11］．对系统问题进行消除，提高系统的理想度，从本质上使系统更加接近其理想解．

1．2产品创新设计策略流程综上所述，首先借助理想解找到系统问题存在的部位和改进的方向，其次对系统进行功能分析找出造成系统问题的问题组件，最后利用系统裁剪法把有问题的组件裁剪掉，达到消除系统问题的目标．基于理想解－裁剪法的产品创新设计策略流程图如图1所示．

2水面油污清洁器的需求分析

现有水面油污清洁器主要由泄漏原油收集装置、油水混合液储存装置和油水混合液分离装置组成．由于水面油污清洁器的质量和体积较大，通常只能安装在载重吨位较大的船只上或者安放在岸边．处于工作状态的水面油污清洁器，首先利用清油船上的回收装置把泄漏原油收集储存起来，然后再通过油水分离器对油水混合液进行分离，最终实现回收泄漏到水里的原油的目标．但是，当水面上发生原油泄漏事故时，需要救援人员在最短的时间内把原油泄漏事故造成的损失降到最低，这就要求水面油污清洁器要方便运输，对正常工作时的海况要求低且工作效率高．现有水面污清洁器比较笨重，明显达不到这样的要求，不能很好地满足市场的需求．

3现有水面油污清洁器的理想解确定

对水面油污清洁器进行需求分析之后，可以从增加水面油污清洁器的有用功能总依据提高水面油污清洁器理想度公式（2），进行以下3个方面的实施：1）降低成本，充分利用内部或外部已存在的、可利用的资源；2）减少有害功能的数量，尽量剔除那些无效、低效、产生副作用的功能；3）降低有害功能的级别，预防和抑制有害功能产生，或将有害功能转化为中性功能．确定水面油污清洁器的理想解为：改进后的水面油污清洁器要达到工作效率高、工作安全性好、制造成本低、自身质量小、工作环境适应性强和携带运输方便等．以水面油污清洁器的理想解为衡量的标准，经考察发现现有的水面油污清洁器由于系统冗余问题导致工作流程复杂、工作安全性低、对工作环境要求高、自身质量大和搬运困难等问题．

4现有水面油污清洁器的功能分析

水面油污清洁器的主要功能是回收水面上泄漏的原油，有害的功能是使用的环节比较复杂，容易掺杂进来空气，操作过程中的稳定性降低．为了消除现有水面油污清洁器存在的问题，通过对现有的水面油污清洁器进行组件功能分析，依据其各个组件的功能，建立水面油污清洁器的组件功能模型，如图2所示。在对现有水面油污清洁器的组件功能分析之后，可以汇总出包含图2中关键组件的功能、功能对象、功能类型、功能等级系数和组件成本等级系数的列表（见表1）．其中，功能等级系数和组件成本等级系数都分为1～10十个等级，等级系数越大，代表该组件的功能越重要，成本越大．依据表1中的信息，利用组件价值工程计算方法进一步确定影响提高水面油污清洁器理想度的问题组件。

5基于裁剪法的水面油污清洁器的改进

根据组件价值工程的计算方法，组件价值系数为组件的功能系数与成本系数的比值，其数学表达式为由表2确定现有水面油污清洁器的涡轮组件和混合液贮存器组件的价值系数小于1，存在比较明显的问题，是需要重点改进的系统组件，其余系统组件的价值系数均大于1，可以暂时不作为改进的对象．接下来，将选择这2个组件作为主要的裁剪研究对象．

5．1涡轮的裁剪涡轮作为辅助油、水混合液进入收集口的组件，它虽然加快了油、水混合液进入收集口的速度，但同时也造成大量的空气掺杂进被涡轮搅动的油、水混合液中，最终使得水面油污清除装置内部组件的腐蚀速度加快，缩短了水面油污清洁器使用寿命．利用系统裁剪法的第3条：“技术系统或者超系统中其他的组件可以完成动作提供者的功能”，把涡轮裁剪掉．实施原理如图3所示．涡轮被裁剪掉后，工作时的水面油污清洁器就会出现油、水混合液进入收集口速度缓慢的现象，也就是收集口对油、水混合液收集的有用作用不足．利用物－场模型分析法对该问题进行分析．物－场模型分析法是TRIZ理论中一种重要的发明问题分析工具，它将所有的功能分解为3个基本要素：2种物质和1种场，3种基本要素相互作用，可以简洁描述和分析问题，并且可以采用76个标准解进行求解．经过分析之后，可以构建由收集口、机械场1和油、水混合液组成的该问题的物－场模型，如图4所示。从图4问题物－场模型中可以看出，物－场模型中的3种基本要素都存在，这是一个完整的模型；但是收集口对油、水混合液的作用不足，不能快速有效地让油、水混合液进入油、水分离腔，因此，这是一个非有效完整的物－场模型．针对效应不足的物－场模型，76个标准解当中的第2级标准解可以对其直接进行改善，能够提升油、水混合液进入收集口的速率并且不增加（或较小增加）水面油污清洁器的复杂性．通过对76个标准解的查找，发现如下的标准解：S2．1．1如果必须强化物－场模型，可以通过将物－场模型中的一个元素转化为一个独立控制的完整模型，形成链式物－场模型．利用该标准解就可以解决物－场模型存在的效应不足问题，如图5所示．在链式物－场模型的引导思考下，发现每当海面上发生石油泄漏事故，救助人员首先要利用传统的围栏对泄漏原油进行合围处理，防止其进一步扩散，然后才开展其他相应的救助工作．改进后的水面油污清洁器采用了可自动收紧的新型围栏装置代替不能自动收紧的传统围栏．工作时，改进后的水面油污清洁器通过可以自动收紧的特殊结构的新型围栏来驱使油、水混合液加速进入油水分离器的入口即收集口，利用新型围栏的自动收紧力替代涡轮旋转的有用功能，这样就很好地避免了由于涡轮旋转而造成油、水混合液中夹杂气泡的不安全因素出现．

5．2混合液贮存器的裁剪混合液贮存器在水面油污清洁器这个技术系统中主要负责把经过收集口收集来的油、水混合液和少量的气体进行短暂的贮存之后，传送给清油船上或岸边的油水分离器部分．在贮存的过程中可以排出油、水混合液中掺杂的少量空气，减少水面油污清洁器工作过程中的不安全因素．虽然混合液贮存器在该技术系统中起积极、有益的作用，但是它的防泄漏要求较高，造成整个技术系统的成本增加，不方便大批量的制造和利用．利用系统裁剪法的第2条：“动作接受者能自我完成动作提供者的功能，动作提供者可被裁剪掉”，可以有效降低现行的水面油污清洁器的成本．实施原理如图6所示．改进后的水面油污清洁器裁剪掉了混合液贮存器，油、水混合液经收集口直接进入油水分离器的分离腔，由于油水分离器的收集口在油、水混合液的液面以下，可以有效地避免空气的掺杂．这样在降低水面油污清洁器成本和质量的同时也提高了该技术系统工作时的安全性．

6新型水面油污清洁器

通过利用理想解和系统裁剪法对水面油污清洁器进行改进设计之后，减小了水面油污清洁器体积和质量，将水面油污清洁器与船体“一对一”的工作方式转换成了“一对多”，间接地降低了船体的成本等级系数．对比改进前后水面油污清洁器的理想度：改进前的理想度为。改进后的水面油污清洁器主要由新型围栏，电动回收装置，收集口，离心式油、水分离装置和储油桶六个部分组成．整个技术系统中只有储油桶部分是安放在储油船上的，其他部分全都漂浮在有油污的海面上．由于油、水分离器的收集口位于水面下方，油、水混合液依靠自重和电动围栏收紧带来的挤压力进入分离室，利用离心作用来加快油、水的分离．最后通过分离室底部的波轮上升来依次排出油液和海水．水面油污清洁器的外观简图如图8所示．

7结束语

本文在“发明问题解决理论”的基础之上，提出了一种基于理想解－裁剪法的产品创新设计策略，并应用该策略对现有水面油污清洁器依次进行需求分析、功能分析与汇总之后，成功地裁剪掉了存在问题的水面油污清洁器组件，提升了水面油污清洁器的理想化水平．此外，对新型水面油污清洁器的具体结构进行了简单设计，使其结构更加紧凑，自动化程度更高，可以更加高效地处理海上石油泄漏事故，减少环境污染带来的危害．

作者：王伟李文强李彦陈喜辛越峰单位：四川杰士裕丰农业科技有限公司