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TRIZ进化理论在粉碎机创新安全设计中的应用
发布时间：2013-10-20 08:41 来源：未知
0、引 言
评估产品现有技术的成熟度，预测未来技术进化的过程，快速开发新一代产品，迎接未来产品竞争的挑战，对任何制造企业竞争力的提高都起着重要的作用。在新产品的开发过程中，准确地预测当前产品的技术水平以及新一代产品的可能进化方向，有助于企业作出科学的研发决策，减少研发周期，避免落后于新技术或竞争对手。
技术预测的研究起始于半个世纪以前，在长期的研究过程中，理论界提出了多种技术预测的方法，其中最有效的是TRIZ（发明问题解决理论）的技术系统进化法则。
1 、TRIZ技术系统进化理论
技术系统是TRIZ中最重要、最基本的概念之一。技术系统是由物质组件组成，为满足人们（社会）的需求而实现某种功能的系统。技术系统可以是产品或生产工艺，也可以是劳动组织系统、生产系统、控制系统等等。TRIZ创始入Altshuller在分析大量专利的过程中发现技术系统是在不断发展变化的，产品及其技术的发展总是遵循着一定的客观规律，而且同一条规律往往在不同的产品或技术领域被反复应用。即任何领域的产品改进、技术的变革都是有规律可循的。如果人们能够掌握这些规律，就能进行产品设计并预测产品的未来发展趋势。
所谓技术系统的进化，就是指实现技术系统功能的各项内容，从低级向高级变化的过程。属于技术系统范畴的任何一种人工制造物（产品、工艺或技术），随着时间的变化，都在不断地向着更高级的方向发展和进化。在过程上，它们的进化都会经历相同的几个阶段，形成S-曲线；在模式上，它们都会遵循8个进化法则。
1.1 S-曲线
每个技术系统的进化一般经历如图1中S-曲线所示的4个阶段：初始期、成长期、成熟期、衰退期。在初始期，新的技术系统刚刚诞生，它能提供一些前所未有的功能或技术系统的改进，但存在效率低，可靠性差的问题，缺乏人力、物力的投入，系统发展缓慢。在成长期，价值和潜力显现，有大量的人、物、财力的投入，效率和性能得到提高，系统高速发展。在成熟期，系统日趋完善，性能水平达到最佳，所获得利润达到最大并有下降趋势。此时大量投入所产生的研究成果，多是一些较低水平的系统优化和优化改进。在衰退期，各项技术已发展到极限，很难有新突破。
s-曲线描述了一个技术系统的完整生命周期，当一个技术系统的进化完成4个阶段后，必然会出现一个新的技术系统来替代它，如此不断的替代。
预测产品和技术所处的生命周期阶段，有4个主要的判别指标，即性能参数、专利数量、发明级别、利润，它们和S-曲线的对应关系如图2所示。
分析技术系统的S-曲线可以帮助企业评估现有技术的成熟度，有利于合理的研发投入和分配，帮助企业作出正确的研发与引进决策，避免因缺乏客观数据而“凭感觉拍脑瓜决策”的现象。
1.2技术系统进化法则
在新一代产品和技术的开发中，可以应用技术系统进化法则。技术系统进化法则的内容，主要体现了技术系统在实现其相应功能的过程中，技术系统改进和发展的趋势。在经典TRIZ中，有八大类技术系统进化法则。运用这些法则，可以帮助人们判断当前研发的产品处于技术系统进化的哪个位置，提供开发新一代产品的新概念和新思路。
1.2.1完备性法则
技术系统要实现某项功能的必要条件是在整个技术系统中一定包含4个相互关联的基本子系统，即动力装置、传输装置、执行装置和控制装置。
基于该法则去分析技术系统，可以判断现有的技术系统是否完整，有助于在设计系统时，确定实现所需技术功能的方法，并达到节约资源的目的。系统的进化方向是不断自我完善，减少人的参与，以提高技术系统的效率。
1.2.2能量传递法则
技术系统实现其基本功能的必要条件之一是能量能够从能量源流向技术系统的所有元件。如果技术系统的某个元件接受不到能量，它就不能产生应有的效用。
基于该法则在设计和改进技术系统时，首先要保证能量可以流向系统的各个元件。系统的进化是沿着缩短能量传递路径、减少能量损失、提高能量传递效率的方向发展。
1.2.3动态性进化法则
技术系统的进化应该沿着结构柔性、可移动性、可控性增加的方向发展，以适应环境状况或执行方式的变化。应用该法则可以指导人们花费很小的代价而取得通用性、高度适应性、可控性的技术系统。
1. 2.4提高理想度法则
技术系统是沿着提高其理想度的方向进化的。通常采用如下公式来衡量产品的理想化程度：理想度=所有有用功能／（所有有害功能+成本）
最理想的技术系统是作为物理实体并不存在，但却能够实现所有必要的功能。理想化最终结果是技术系统某参数的改进，不会对系统的其他参数产生不利影响。明确问题的理想化最终结果，有可能引导人们得到最优的、有远见的问题解决方案。提高理想度的进化路线是去掉实现有用功能的特定设备，利用现有的能量和资源来实现有用功能。
1. 2.5子系统不均衡进化法则
任何技术系统所包含的各个子系统都不是同步、均衡进化的。整个系统的进化速度取决于系统中发展最慢的子系统。这种不均衡的进化经常会导致子系统之间的矛盾出现，解决矛盾将使整个系统得到突破性的进化。
基于该法则可以帮助设计人员及时发现技术系统中不理想的子系统，并以较先进的子系统替代，从而能以最小的成本，实现对特定参数的改进。
1. 2.6向超系统进化法则
所谓超系统，广义上讲是超过这个系统之外的其他系统。技术系统在进化过程中，可以和超系统组件合并来获得大量可用资源，或者将某项功能的子系统剥离出来，转移至超系统中，这样，能够使该子系统摆脱自身在进化过程中遇到的限制，更好地实现原来的功能。
1.2.7向微观级进化法则
技术系统在进化发展过程中，沿着减小元件尺寸的方向进化。技术系统的元件，倾向于达到原子和基本粒子的尺度，进化的终点是不作为物理实体存在，而是通过场来实现其必要的功能。向微观级进化的路线是由整体-多个部分一粉末-液体一气体-场-虚空。
1. 2.8协调性进化法则
技术系统向着子系统各参数协调、系统参数与超系统参数相协调的方向发展进化�；诟梅ㄔ蛏杓坪透慕际跸低呈�，某一组件的参数值的选择要参考系统其他组件参数的值。子系统各参数之间的协调，包括结构形状、频率、材料性质、质量上的相互协调等。
1.3产品预测流程
第1步，分析系统（产品）的功能、可用资源、矛盾。
第2步，选择一条技术系统进化路线，分析当前系统特征，确定系统所处的位置。
第3步，按照第二步路线对应的趋势和方向，预测下一代产品应具有的特征，寻找构思。
第4步，参照每个进化路线，依次对产品进行步骤2和3，进行系统定位和预测。
第5步，将步骤4得到的所有构思集中组合分析，得到完整的新一代产品概念方案。
第6步，根据步骤5得到的概念方案，选择需要进行可行性研究的范围，列入产品规划。
1.4 S-曲线和进化法则
8个进化法则在S-曲线各个阶段使用频率不同，在初始期使用频率较高的是完备性法则、能量传递法则和协调性法则；在成长期使用频率较高的是提高理想度法则、动态性进化法则和子系统不均衡进化法则；在成熟期使用频率较高的是向微观级进化法则；在衰退期使用频率较高的是向超系统进化法则。
2、技术系统进化法则在粉碎机创新
安全设计中的应用
2.1问题描述
随着能源需求压力加大和林木质能源显著优势的逐渐突出，国内外加快了对林木再生能源研发的步伐。而大部分林木生物质原料在开发利用前期都需要进行粉碎加工处理，以便进一步加工利用。迄今市场上还没有专为林木生物质能源产业化设计制造的粉碎机，多用秸秆还田粉碎机、林业碎木机械以及饲料产业的牧草秸秆粉碎揉搓设备等替代，其中锤片式粉碎机应用最为广泛。
锤片式粉碎机结构如图3所示。工作时，将物料由进料口送人粉碎室，首先被锤片打击，得到一定程度的粉碎，同时以较高的速度甩向固定在粉碎室内部的齿板和筛网上，受到齿板的碰撞和筛网的搓擦而进一步粉碎。在粉碎室中如此重复进行，直至粉碎到可通过筛孔为止。
粉碎机在工作过程中转子转速很高且有多把刀具同时高速切削物料，极易发生安全事故。因此，在产品设计时必须充分考虑安全性。鉴于安全系统具有非线性、混沌、分形、模糊性等复杂特性，而安全科学具有高度综合、跨学科和横断、交叉以及复杂的系统性，因此，笔者尝试应用TRIZ进化理论进行创新安全设计。
2.2 S-曲线分析
所设计的林木生物质粉碎机是一种为满足新需求出现的新产品，现有技术系统有许多设计问题和难题，可靠性差、效率低，缺乏人力、物力、财力的投入，发展缓慢。按照S-曲线各个阶段的特征，现有产品处于初始期。
建议加大研发力度，设法提高系统的有用功能，降低成本和有害功能。
2.3技术系统进化预测
应用完备性法则、能量传递法则、协调性法则、提高理想度法则和动态性进化法则分析当前技术系统特征，确定系统所处的位置；预测下一代产品可能的结构状态或应用的原理，产生创新设计方案。
2.3.1应用完备性法则
系统的动力装置是电动机，传输装置足主轴传动系统，执行装置是粉碎刀具，缺少控制其他组件协调动作以实现系统功能的控制装置。应用完备性法则进行进化预测和产品构思，可以增加系统的控制装置，向人工更少介入的方向发展。
构思方案：应用变速电动机，根据产量和粉碎粒度的不同要求选择不同的主轴转速。
2.3.2应用能量传递法则
系统的进化是沿着缩短能量传递路径，减少能量损失，提高能量传递效率的方向发展。
减少能量损失的途径有：①缩短能量传递路径，减少传递过程中的能量损失；②最好用一种能量或场贯穿系统的整个工作过程，减少能量形式的转换导致的能量损失；③如果系统组件可以更换，可将不易控制的场更换为更易控制的场，按照机械场一声场一热场一化学场一电场一磁场／电磁场的顺序，场的可控性增加，能量传递效率提高。
目前粉碎设备用的是机械场，有效能量的利用率大约仅占0. 3%~0.6%。这是由于在物料粉碎过程中，会产生发热、振动和摩擦等作用，约有95%~99%的能量转化为热而逸散，使能源大量消耗。
构思方案：可采用热场，利用爆炸、压力方式粉碎物料，提高能量传递效率。
2.3.3应用协调性进化法则
技术系统的进化是沿着各个子系统相互之间更加协调，以及系统与环境更加协凋的方向发展。子系统形状协调进化路线为相同形状-自兼容形状_兼容形状一特殊形状；表面形状的进化路线为平滑表面一带有突起的表面一粗糙表面-带有活性物质的表面；内部结构的进化路线为实心物体-物体内部中空-+内部结构多孔结构_毛细结构-+动态内部结构；几何形状的进化路线为点一线一面一体，几何形状复杂化。
由形状协调进化路线得到构思方案：粉碎刀具由现在的规则平面、实心锤片（图4a）进化为曲面、内部中空的形状（图4b），增加刀刃的数量，使单位时间内单位面积上有效粉碎次数增加，提高粉碎效率。
2.3.4应用提高理想度法则
要提高系统的理想度，可以在不削弱系统主要功能的前提下，将系统的某些组件操作简单化。
现有的有筛粉碎机，在粉碎粒度小于20目的物料时，筛网极容易堵塞，使粒度合格的物料不能及时通过筛网，造成过粉碎。由于物料过筛能力下降，会导致生产率急剧降低，功耗大幅度增加，并且容易造成电机超负荷、卡死，增加安全隐患。
由提高理想度进化路线得到构思方案：采用无筛结构，可通过风选或粉碎后再筛分来获得所需粒度的物料。
2.3.5应用动态性进化法则
增加系统动态性可以通过以下方法：①将固定状态变为可动状态；②将系统分割成可动元件；③引进一个可动物体；④应用物理效应。
由动态性进化法则得到构思方案：利用振动电机，带动筛网高频微幅振动，提高合格物料的过筛能力。
2.4新产品的概念方案
1)在物料规�；阜鬯楣讨校钔怀龅奈侍馐窍阜鬯榱６群凸改芰Φ拿��？赏ü谋涞毒呓峁梗刺岣叻鬯樾�；采用振动电机带动筛网高频微幅振动，来提高过筛能力；采用变速电动机，满足产量和粉碎粒度的不同要求。
2)当细粉碎粒度和过筛能力的矛盾加剧，可采用无筛结构粉碎机，通过风选或粉碎后再筛分来获得所需粒度的物料。
3)采用热场，考虑利用爆炸、压力方式粉碎物料。
3、结论
1)产品及其技术的发展遵循着一定的客观规律，在进化过程中一般会经历初始期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段，形成s-曲线。分析技术系统的S-曲线可以帮助企业评估现有技术的成熟度，作出正确的研发与引进决策。
2) TRIZ技术系统进化法则可以提供开发产品的新概念和新思路，预测新一代产品可能的结构状态或应用的原理，使产品创新设计过程更具有可操作性。
3)笔者将TRIZ技术系统进化理论与产品创新安全设计相融合，运用TRIZ理论的S曲线分析现有产品处于初始期，应加大研发力度，设法提高系统的有用功能，降低成本和有害功能。应用完备性法则、能量传递法则、协调性法则、提高理想度法则和动态性进化法则得到了多个新产品的概念方案。
