基于沖突分析的工程車路面除雪裝置創新研究＊

劉江南，劉秋平

（湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙 410082）

基于沖突分析的工程車路面除雪裝置創新研究＊

劉江南?，劉秋平

（湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙 410082）

針對目前國內路面除雪裝置性能不足的問題，提出將TRIZ理論運用到除雪裝置的進化研究中來解決除雪裝置開發設計中存在的沖突.分析了目前國內路面除雪裝置存在的問題，找到制約除雪裝置進化的內在沖突，并運用TRIZ理論中的通用技術特性參數進行描述.根據沖突的特點，將路面除雪裝置存在的沖突分為技術沖突和物理沖突.分別利用沖突矩陣和分離原理對這些沖突進行求解，從而找到解決這些沖突的發明原理.利用找到的發明原理和結合作者的工程經驗，得到一種新型除雪裝置的進化方案.分析結果表明，該新型路面除雪裝置的進化方案在避障性能、除雪速度和適應性方面都有較大提高.

沖突；進化；工程車；路面除雪裝置；開發研究；TRIZ

每年冬天，城市的路面積雪都會給交通運輸及人們日常生活帶來許多不便，其主要解決方式是由城管部門利用工程車輛及時清理.目前中國研制的除雪工程車存在著除雪速度低、整機利用率低、成本高以及避讓功能不理想等缺點［1］.而國外進口的除雪設備價格昂貴，在中國無法大量使用.為了滿足市場需求，國產除雪裝置急需產品升級，實現技術進化和創新.

TRIZ是俄文“發明問題解決理論”的縮寫.Altshuller為首的專家，經過半個多世紀對數以百萬計的發明專利進行搜集整理、歸納提煉，提出了這個系統化、可操作性強的理論體系［2－5］.該理論既被推廣用于預測產品的發展趨勢，亦被廣泛用于解決產品的創新問題.利用TRIZ分析方法可以快速發現設計中存在的矛盾本質；TRIZ發明原理指出了合理解決這些矛盾與沖突的方向和方法［6］.針對目前中國路面除雪裝置的現狀，本文利用TRIZ理論，對其存在的沖突問題進行分析研究，然后求解出可行的技術進化方案.

1 沖突問題的類型與發明原理

TRIZ理論運用39個通用的技術特性參數描述工程問題，如描述除雪裝置將用到體積、速度、作用力、適應性、通用性、可靠性、復雜性、生產率、葉片剛度等等參數.TRIZ理論認為，參數的沖突（矛盾）是促進產品進化發展的內在因素，產品創新就是解決產品中存在的參數沖突問題［7］.TRIZ理論將產品進化中的沖突問題分為技術沖突和物理沖突2種類型［8］.

技術沖突是指系統中某一參數A（特性、子系統）的改進將導致另一個參數B（特性、子系統）的惡化而產生的矛盾.對于這類矛盾，可以通過表1所示的沖突矩陣表找到相應的發明原理，從而尋求技術沖突的突破方向，求得解決方案.

表1 技術沖突矩陣表Tab.1 Technical contradiction matrixes

物理沖突是指系統對同一個參數（特性、子系統）具有相互排斥（相反或不同）需求的矛盾狀態.解決物理沖突的核心思想是利用分離原理實現矛盾的分離，其解決模式如圖1所示，最終利用創新原理求得解決方案.

圖1 物理沖突的解決模式Fig.1 Solutions to physical contradictions

2 除雪裝置中的技術沖突分析和進化方案研究

2.1 除雪裝置技術沖突的描述

目前常用的除雪設備主要是犁式除雪機和拋雪式除雪機，如圖2和圖3所示.犁式除雪機是一種推鏟式除雪裝置，車輛在路面來回進退、轉彎，利用犁板推動積雪與路面分離、然后將積雪推轉到道路側面堆積起來.這種裝置主要適用于鏟除未經壓實的積雪，特別是密度較小的新降雪，具有價格低、結構簡單、工作可靠的優點，但除雪速度不甚理想.拋雪式除雪機是一種具有輸送、集中和吹拋功能的除雪設備，由螺旋葉片將路面積雪集中輸送到中間，通過高速風機將積雪從風道、拋雪筒吹拋到一定的地方.這種裝置的優點是作業路面寬、除雪速度快，但缺點是拋出去的氣雪混合物不便堆集，只能大面積撒落在空曠的地方，不適宜在城市道路使用.

圖2 犁式除雪機Fig.2 Blade snow plough

圖3 拋雪式除雪機Fig.3 Throw snow blower

中國冬季降雪次數相對不多，如果除雪機功能單一，只能用來除雪，那么機器一年里大部分時間處于閑置狀態，這就大大增加了除雪作業的成本.由于交通繁忙和降雪時間不確定的原因，新降的積雪會存在不能及時清理而被過往車輛和行人壓實的現象，現有的除雪設備對這種積雪狀態的變化適應性較差.此外，中國許多城市道路比較狹窄，當除雪機機身過大和除雪速度過低時，會對道路交通造成很大的影響.

根據降雪情況和道路交通情況分析，除雪車的進化設計存在著種種矛盾和沖突：為提高除雪工程車輛的利用率，需要對目前功能單一的問題做出改進，但是當除雪工程車具有多項功能時，會使整個結構變得復雜并將增大工程車的外形體積；為了使除雪裝置不僅能清除疏松的積雪，也能清除壓實的積雪，需要提高除雪裝置對道路積雪狀態的適應性，可是當適應性提高時，整個除雪裝置的結構必然變得復雜，對單一狀態下積雪的除雪效率也會造成影響；若提高除雪工程車輛的除雪速度和減小占道體積，可以降低除雪作業對交通的影響，但車輛的除雪速度與行進阻力成正向比例關系，除雪速度的提高會增加工程車的行駛阻力，而且也會使地面殘留積雪增多，從而降低除雪效果；而減小工程車的體積，就需要去除工程車不具有除雪功能的部分和使工程車輛小型化，這樣會減少車輛功能和降低工程車的利用率.

通過分析除雪工程車進化設計中的沖突可知：多功能化會使結構復雜和體積增加；提高適應性會增加結構復雜性和降低除雪效果；高速化和小型化會降低除雪效果和工程車利用率、增加行駛阻力.利用TRIZ理論中的39個特性參數可以定義沖突參數為：適應性、通用性與可靠性、系統復雜性、生產率；運動物體體積與系統復雜性、生產率；速度與力、可靠性.這些參數之間的關系，顯然都具有技術沖突的特點.

2.2 除雪裝置技術沖突矩陣的建立

基于TRIZ描述工程問題的39個通用工程特性參數，分析找出除雪裝置希望改進的特性“適應性、通用性”、“速度”、“運動物體體積”和產生負面影響的特性“可靠性”、“復雜性”、“力”、“生產率”，根據TRIZ沖突矩陣表，構建除雪裝置的技術沖突矩陣，如表2所示.

該矩陣給出了各對技術沖突所對應的發明原理編號，根據表2的指引，找到各技術沖突所對應的發明原理和創新思維方向，列于表3.

表2 除雪裝置的技術沖突矩陣Tab.2 Technical contradiction matrixes of snow plow

表3 技術沖突的進化解決方案Tab.3 Evolution solutions to the technical contradictions

2.3 技術沖突的進化解決方案

沖突矩陣所提供的創新原理指明了技術進化的思維方向，是普遍性的一般解，但并不能直接由此得到沖突問題的具體解決方案.創新思維的應用需要結合特定問題、由設計者利用豐富的專業知識和實踐經驗對問題進行深入研究，將選定的可行方向應用到待解決的系統中以求得特定解決方案［6－9］.

犁式除雪機主要利用車輛的來回變向進退實現將積雪向路邊清掃，除雪速度較低.當提高除雪速度時，單位時間內在犁板前端需要清掃的積雪會增加，從而造成工程車行駛阻力的增加.根據斜面運動的原理，可以通過改變犁板的傾斜角度來減小積雪對工程車的行駛阻力，但是犁板的傾斜角度增大會減小除雪的寬度.根據螺旋輸送理論［10－11］，如把犁板前端的積雪由斜面輸送改為螺旋輸送可以有效地降低積雪對工程車輛行駛阻力的影響.

通過分析表3，首先采用分割原理，把除雪機中實現除雪功能的裝置分割出來，建立除雪裝置與其他工程車輛的通用性接口，使除雪車易于實現多功能化；結合犁式除雪機和拋雪式除雪機的特點，將除雪裝置分割為3部分：鏟雪裝置（見圖4）、拋雪裝置（見圖5）、攪雪輸送裝置（見圖6）.鏟雪裝置的主要作用是利用除雪裝置前端的犁板隨著車輛的前進把積雪從路面鏟起并使其沿著犁板弧面和傾斜角度向上堆積，攪雪輸送裝置的作用是通過推雪鏟和螺旋鉸刀的共同作用將積雪水平輸送到指定位置，然后通過拋雪裝置拋落到遠處.

圖4 鏟雪裝置Fig.4 Snowshoveling device

圖5 拋雪裝置Fig.5 Snowblowing device

城市道路交通繁忙且路邊基礎設施比較多，不適合進行拋雪處理.在分割原理的基礎上，利用抽取原理抽取出鏟雪裝置、攪雪輸送裝置這2個有利部分，去除不利的拋雪裝置部分構成一種創新的除雪結構形式，攪雪輸送裝置直接將積雪輸送至道路側面，如圖7所示.

圖6 攪雪裝置Fig.6 Snowstiring device

圖7 一種創新除雪結構形式Fig.7 A new structure for snowplow

由于市內的車流量和行人比較多，許多路段的積雪還來不及及時清掃就已經被行駛車輛和行人壓實.根據對路面積雪狀態特性的研究［12］，壓實積雪比新降積雪的密度大許多，且積雪一般凝結成塊.為便于利用上述除雪裝置實現清掃，利用預先作用原理和周期作用原理，加載周期性作用力，將積雪預先打碎.再根據多功能原理，設計改進攪雪輸送裝置，使其具有擊碎功能：將螺旋葉片做成鋸齒狀，使其對壓實的積雪具有切削作用；在螺旋葉片曲面和螺旋軸上焊接尖錐狀結構，以便把進入攪雪輸送裝置內的塊狀積雪打碎，如圖8所示.

圖8 鋸齒狀螺旋葉片Fig.8 Sawtooth helical blade

這種解決方案使車輛在工作時只需一直往前行走，鏟雪、攪雪和送雪同時連續工作，所以大大提高除雪速度，同時保障除雪效果.

3 除雪裝置中的物理沖突分析和進化方案研究

3.1 除雪裝置物理沖突的描述

為了實現積雪與路面的分離，必需保證鏟雪裝置與路面之間緊密接觸.但是，城市道路常有減速路障，有時存在其他障礙物或凹凸不平等現象，鏟雪裝置在除雪過程中需要避開這些障礙.將鏟雪裝置的越障過程設計為：當遇到障礙時，鏟雪裝置在障礙物的作用下與路面分離、向上抬起；通過障礙后，鏟雪裝置下降恢復與路面的接觸.為了保證除雪效果，希望鏟雪裝置快速回復；但是，如果鏟雪裝置在回復過程中速度過快，將會與路面產生很大的沖擊.通過分析發現，與地面接觸時發生碰撞的是鏟雪裝置的鏟刃部分.若鏟刃的剛度越大，則與路面的沖擊越嚴重，所以可以通過降低鏟刃的剛度來減小這種沖擊；但是，若鏟刃的剛度過小，將會影響鏟雪的效果.根據TRIZ理論對物理沖突的定義和對鏟雪裝置避障過程分析發現，鏟雪裝置在避障過程中的回復速度和鏟刃的剛度就是存在的2個物理沖突.

3.2 除雪裝置物理沖突的進化解決方案

3.2.1 回復速度的進化解決方案

根據圖1提供的解決物理沖突的思路，可以采用時間分離原理，將鏟雪裝置的回復分為2個階段，第1階段是高速回復階段，第2階段是接觸回復階段.高速回復階段是指當鏟板的鏟刃離路面距離大于30 mm那段過程，接觸回復階段是指鏟板的鏟刃離路面距離從30 mm到接觸路面的那段過程.

利用預先應急措施原則，可采用非線性彈性元件和非線性阻尼元件構成避障系統.在高速回復階段，鏟雪裝置整個系統的彈性力大、阻尼比小，從而提高回復速度；在接觸回復階段，系統的彈性力小、阻尼大，以減小對路面的沖擊.

根據空間分離原理，將車輛行走過程分為工作過程和避障過程.在工作過程，鏟雪裝置正常工作；在避障過程，鏟雪裝置抬起和回復.

利用預先作用原理，通過在工程車前端安置障礙探測器等措施，提前預判路面情況.在路障出現時，鏟雪裝置能夠提前做出避障動作.

3.2.2 鏟刃剛度的進化解決方案

解決鏟刃的剛度這個物理矛盾，可采用整體與部分分離原理，將鏟板分為3個部分：鏟刃、聯接區、剛性固定區.通過利用復合材料構造聯接區，使其不僅具有吸收鏟刃與地面接觸碰撞力的彈性性能，而且具有維持鏟雪裝置正常工作的剛性性能.根據預先作用原理，鏟雪裝置在避障回復過程中鏟刃部分自動收縮，當鏟雪裝置回復到初始位置時，鏟刃部分也自動回復到初始位置.

通過利用時間分離原理、整體與部分分離原理對鏟雪裝置避障的物理沖突問題的研究，同時根據預先應急措施原理和復合材料，得到鏟雪裝置的一種避障解決方案，如圖9所示.在鏟雪裝置工作過程中：若路面無障礙，則鏟刃1受到路面與積雪的反作用力趨于穩定，鏟雪裝置維持正常工作狀態；當鏟雪裝置遇到障礙物時，鏟刃在障礙物的作用下，使非線性阻尼裝置5和非線性彈性元件6伸長，從而使鏟體繞連架桿4的鉸接點轉動而抬起來避開障礙物；在鏟雪裝置避過障礙物后，鏟體在5和6以及鏟體自質量的作用下快速回復到正常工作位置，在回復過程中鏟刃和路面之間會發生激烈的碰撞，彈性聯接區2能夠通過它的變形吸收鏟刃與路面剛性碰撞過程中產生的能量，從而有效地降低碰撞對路面和鏟雪裝置造成的傷害.

圖9 鏟雪裝置的一種避障解決方案Fig.9 An obstacle-avoidance solution to snowshoveling device

4 結 論

針對中國目前除雪裝置存在的問題，利用TRIZ理論進行分析，提煉出其中3組技術沖突和2個物理沖突：適應性、通用性與可靠性、系統復雜性、生產率；運動物體體積與系統復雜性、生產率；速度與力、可靠性；回復速度、鏟刃剛度.對這些沖突問題建立了沖突矩陣，通過運用創新原理和分離原理，對存在的沖突問題提出了可行的解決方案，成功地實現了除雪裝置的技術進化與創新.

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Study of the Contradiction and Innovation of the Road Snowplow of Engineering Vehicles

LIU Jiang-nan?，LIU Qiu-ping

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China）

To resolve the problem of inadequate performance of road snowplow of engineering vehicles on current Chinese market，this paper used the theory of TRIZ to study the evolution of road snowplow of engineering vehicles.The theory makes the evolution by resolving the conflicts of snowplow development and design.This paper first analyzed the problems between the road and the vehicle，found the internal conflicts to restrict the evolution and sorts out the conflicts according to the characteristic，and used TRIZ theory to describe this characteristic by general technology parameters.In the second part，the author used conflict matrix and the separation principle to solve the corresponding technological and physical conflict，and found solutions to the inventive principles according to different types of conflict.Finally，according to the principle of the invention and combined with the engineering experience，we obtained the evolution of new snowplow of engineering vehicle programs.The analysis shows this new program of the vehicle has made rapid progress in avoiding obstacle performance，speed of removing snow and adaptability of snow.

contradictions；evolution；engineering vehicle；road snowplow；research and development； TRIZ

TH122

A

1674-2974（2011）06-0033-05＊

2010-11-14

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2010CB832705）

劉江南（1965－），女，湖南長沙人，湖南大學教授

?通訊聯系人，E-mail：liujiangnan＠hnu.edu.cn