基于TRIZ理論的環保清潔黑板擦創新設計

王 冰 沈建華 古 斌

(西南科技大學制造過程測試技術教育部重點實驗室 四川綿陽 621010)

粉筆的成分是堿性物質，粉筆灰的微粒具有很強的病菌吸附能力。教室內粉塵濃度研究表明:教師講課時，講臺處的粉筆灰濃度為 15.1～19.3 mg/m3，高于 10 mg/m3的國家衛生標準［1］。粉筆灰屬于堿性物質，含有較大量的重金屬鎘、有害病菌，對教師和學生的耳、鼻、喉部、呼吸系統和皮膚容易造成炎癥。

關于教室粉塵問題，目前有靜電除塵，利用靜電吸附粉塵［2］;大功率吸塵器，將粉塵吸走［3］;雨刷裝置刷擦黑板［2］;將黑板擦固定在導軌上，利用導軌上下和左右移動來擦除粉筆灰［4］。但這些沒有解決粉塵隨處飄散的問題，不能達到控制講臺粉塵低于10 mg/m3的國家衛生標準，不能實現局部擦拭。有些可以吸塵，但這類吸塵黑板擦價格較貴，結構比較復雜［5］。

綜上，我們從控制粉筆灰的污染、實現黑板局部擦除、設計更好的黑板擦毛刷3個方向，本著便宜、方便、清潔的角度進行改進設計。

1 基于TRIZ理論的黑板擦問題分析

1.1 沖突問題描述

TRIZ理論將工程中的沖突分為技術沖突和物理沖突兩類。根據Altshuller的定義，技術沖突是指一個作用同時導致有用和有害兩種結果，常表現為兩個子系統(功能、特性或參數)A與B之間的沖突，當 A 得到改善時，B 隨之被惡化［6－7］。

分析可知，方便、價廉的吸塵黑板擦的“可制造性”和“制造精度”是一對符合上述特點的技術沖突:有用特性“可制造性”(A)的提高將導致有害特性“制造精度”(B)的降低［8］。同理，黑板擦的“可制造性”分別與“裝置的復雜性”、“靜止物體的質量”、“靜止物體的體積”等有害特性也存在技術沖突。

1.2 黑板擦的技術沖突1.2.1

技術沖突矩陣的建立

對于沖突問題的解決，TRIZ將技術特性參數做成沖突矩陣表，矩陣的行數和列數分別對應惡化和改善的39個參數，表中提供了參數之間對應沖突的發明原理解決方案。發明原理是TRIZ的核心內容之一，共有40條，用編號體現在矩陣元素里。運用時，一對沖突最多不超過4條解決原理，以免使用原理過多反而使問題的解決復雜化。

將黑板擦希望改進的特性“可制造性”及其可能產生負面影響的特性“制造精度”、“裝置的復雜性”、“靜止物體的質量”、“靜止物體的體積”等組成TRIZ沖突矩陣表，得到環保清潔黑板擦的沖突矩陣，如表1所示。行與列各技術特性交點處的數字表示解決相應沖突適合使用的發明原理的編號。

該矩陣表達了TRIZ提示的改進原理。通過查找表1沖突特性交匯處各編號所對應原理，尋求對應創新思維方向，得到表2沖突解決原理。

表1 環保清潔黑板擦的沖突矩陣Table 1 Environmentally－clean eraser conflictmatrix

1.2.2 技術沖突的解決

沖突矩陣所提供原理的作用是使原問題朝著改進的方向發展，提示了最有可能解決問題的思維搜索方向，是帶有普遍性的一般解，但是不能直接得到沖突問題的特定解。原理的運用需要結合特定的問題，由設計者沿著這個創造性思維的方向、根據自己的實踐經驗過濾掉一些明顯不符合要求的原理，然后把選定的可行原理應用到待設計的系統中以求得特定解。

通過分析，首先采用表2沖突解決原理中出現了2次的原理:廉價替代品原理。根據廉價替代品原理，環保清潔黑板擦在制作中避免購買成本較高的零部件，優先考慮對毛坯進行加工以得到黑板擦各組成部分。

按照分割原理，環保清潔黑板擦按照擦塵部分、吸塵部分、積塵部分進行設計制作。擦塵部分作用是方便、快捷擦掉粉筆字。擦子的形狀、材料合理與否將決定擦除效果。吸塵部分作用是防止粉塵直接飛散至空氣帶來的粉塵污染，吸收粉塵至指定位置;其主要依據的是微型電動機高速旋轉，帶動扇葉產生向后的強大氣流，使得粉塵沿氣流進入積塵盒。積塵部分的作用是儲存粉塵，排除空氣。我們采用錐形漏斗式過慮裝置使得粉塵進入積塵盒，并停留在積塵盒，在積塵盒外側膠結納米級過濾網排除氣流，并防止粉塵外泄。

在粉塵擦除中，我們將面臨黑板擦怎么快速、方便地在黑板上任意移動，如果擦子直接與黑板接觸，將帶來較大的摩擦阻力，達不到自動的目的。根據改變局部原理，在外殼前端安裝萬向輪，將由萬向輪帶動黑板擦移動，使得使用者不需要施力于黑板。

根據廉價替代品原理，黑板擦的制作將不會使用昂貴的工業零部件，而電動機與扇葉的同軸度在制作、使用中將決定吸塵部分的優劣，如果同軸度誤差過大、連接不緊密將使得扇葉旋轉時產生不穩定，帶來噪音。而工業用微型聯軸器的市場價格至少為15元/個，電動機與扇葉間使用微型聯軸器將導致黑板擦價格的升高，使得本次設計因高于使用者的價格期望而失敗。根據復制原理我們可以使用鋁棒加工聯軸器，在滿足使用性的基礎上，盡可能降低黑板擦成本。

為了使黑板擦可實現局部擦除，根據改變參數原理，黑板擦的總體尺寸不宜過大，體積應盡量小。

沖突矩陣表中相變原理沒有用到。原因是根據實際設計條件和經驗，未找到對應的特殊解。設計制作時，TRIZ原理的運用必須與專業知識緊密結合，才可能得到有價值的解決方案。可見，設計者對問題的深入思考、創造性的思維及豐富的實踐經驗在應用TRIZ理論時是非常重要的。

過慮裝置是本設計的關鍵之一，能否方便地使氣流進入積塵盒決定粉塵可否吸入積塵盒。之前，我們采用錐形漏斗式過慮裝置使得粉塵進入積塵盒，并停留在積塵盒，但在實際制造中，錐形漏斗式過慮裝置會阻擋氣流流向積塵盒，使得氣流向前竄動，達不到預定要求。這也表明TRIZ理論給我們提供了解決問題的方向，但問題只有在實際實施中才能完全展現出來，必須結合實際狀況來提出有針對性的方法，才能很好地解決問題。我們可以采用如下思路:根據局部原理中使物體或外部介質的活動部分成為不動的，而使不動的成為可動的，在使用時將過濾裝置變得活動，從而改變過濾裝置所處狀態，使得氣流可以最有效地進入積塵盒，對于黑板擦中的過濾也即不工作時，過濾裝置要密封，工作時，過濾裝置要最大可能打開，為此借用百葉窗工作原理可以有效解決該問題，百葉窗過濾裝置示意圖如圖1所示。

圖1 過濾裝置示意圖Fig.1 Schematic of filtration device

1.3 黑板擦的物理沖突

1.3.1 物理沖突的描述

TRIZ理論的物理沖突涉及系統中的一個子系統(功能、特性或參數)，指的是為了實現某種功能，一個子系統應該具有一種特性，但同時要求出現與該特性相反的特性［7－8］。我們所設計的黑板擦既要便于控制，又要方便擦除粉筆字。一方面，黑板擦的體積越大，擦塵速度越快;另一方面，大體積的黑板擦難以實現局部擦除。顯然，黑板擦的體積符合上述描述，是本設計的物理沖突。

1.3.2 物理沖突的解決

通過分析，為解決黑板擦的體積問題，可以采用空間分離原理，改進擦子的形狀，在使用材料盡可能少的情況下，將擦子擦除面積設計得盡可能大。為此，我們選擇擦子形狀為人字形，人字形最大的好處是無論黑板擦怎么移動，均可達到最大化擦除。另外，通過改進擦子的材料，使用擦除便捷的毛絨也可以幫助改進設計。

2 環保清潔黑板擦的最優設計方案

基于上述技術沖突和物理沖突問題的解決，得到了環保清潔黑板擦創新方案的多個特定解。

基于這些創新原理，得出了最優的設計方案，其中之一如圖2所示。環保清潔黑板擦的吸塵部分由微型電動機、電動機支架、葉輪及其連接部分組成。擦塵部分由外殼、萬向輪、擦子組成。積塵部分由過慮裝置、后蓋、儲塵室及過濾網組成。環保清潔黑板擦實物圖如圖3所示，控制電路部分如圖4所示。

圖2 環保清潔黑板擦裝配簡圖Fig.2 Assembly diagram ofenvironmentally－ clean blackboard eraser

圖3 環保清潔黑板擦實物圖Fig.3 The pictures of environmentally－clean Blackboard eraser

圖4 電路圖Fig.4 Circuit diagram

環保清潔黑板擦的工作原理如下:以裝在手柄底部電池盒的9 V電池作為扇葉吸附動力，依靠3個萬向輪及人字形擦子實現其在黑板上的任意移動和最大擦除，通過轉動過濾裝置旋鈕90°實現百葉窗開閉而收集粉塵。

3 結語

運用TRIZ理論，指出設計黑板擦的技術沖突和物理沖突，采用沖突解決方法得出了一種環保清潔黑板擦的設計方案。該方案設計出的黑板擦具有操作簡便性、環保性、成本低廉性，實際使用效果良好。

［1］龔文蘭，劉慧中.教室內的粉塵污染［J］.環境保護科學，1990，16(2):32.

［2］中國包裝和食品機械公司.防粉塵靜電吸附裝置:中國，CN93242671.9［P］.1995 －1 －25.

［3］袁湘月，年興，朱怡霖，等.新型除塵黑板擦的研究與改進［J］.機電產品開發與創新，2012，(4):11－13.

［4］上海市南匯區航頭學校.快捷黑板擦:中國，CN200920214370.X［P］.2010 －10 －13.

［5］黃斌，王冰，郭慶，等.新型無塵自動黑板擦的設計［A］.全國先進制造技術高層論壇暨第十屆制造業自動化與信息化技術研討會論文集［C］.2011.

［6］劉江南，趙世雄，劉秋平.基于TRIZ的救援搶險車樹木打冰除雪裝置研究［J］.中國機械工程學報，2011，22(18):2167－2170.

［7］TERNINKO J.Su － Field Analysis［J］.TRIZ Journal，2000，(2):23－29.

［8］涂銘旌，唐英，孟江平.創造發明的思路與方法［J］.西南科技大學學報，2012，(2):1－4.