基于TRIZ裁剪法的產(chǎn)品簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

柏長(zhǎng)升 張培德

摘要：TRIZ理論中的裁剪法結(jié)合功能分析、資源分析、物場(chǎng)分析等多種工具，來(lái)分析和解決技術(shù)問(wèn)題，是降低成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)的重要工具。本文在討論裁剪法的基礎(chǔ)上，結(jié)合電壓力鍋沸騰模式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，闡明裁剪法的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TRIZ；裁剪法；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；降低成本

引言

降低成本是每個(gè)設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的課題，本文回顧了依據(jù)裁剪法流程對(duì)電壓力鍋沸騰模式進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程，其方案已應(yīng)用到產(chǎn)品上，降低了成本，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 功能分析

功能：某組件（或子系統(tǒng)）改變或者保持另外一個(gè)組件（或子系統(tǒng)）的某個(gè)參數(shù)或狀態(tài)的行為。

功能分析是從完成功能的角度分析系統(tǒng)，對(duì)研究對(duì)象的功能進(jìn)行分解，分析系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件的功能、特點(diǎn)及其成本。

2 裁剪法

裁剪：將一個(gè)或多個(gè)組件去掉，而將其執(zhí)行的有用功能利用系統(tǒng)或者超系統(tǒng)中的剩余組件來(lái)替代；其目的是提高系統(tǒng)理想度。

3 資源分析

資源：指問(wèn)題所處環(huán)境中存在的物體、信息、能源或者材料的屬性。TRIZ特別強(qiáng)調(diào)被忽視的免費(fèi)或廉價(jià)資源的利用。尋找資源的順序：系統(tǒng)內(nèi)部資源--系統(tǒng)外部環(huán)境的資源--超系統(tǒng)的資源。

4案例分析

4.1 問(wèn)題分析

4.1.1、項(xiàng)目基本信息

（1）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：高壓煮飯

（2）系統(tǒng)存在的問(wèn)題：全密閉系統(tǒng)，米飯不沸騰而發(fā)灰（不夠亮白）

（3）問(wèn)題出現(xiàn)的條件和時(shí)間：煮飯過(guò)程中有壓力的那段過(guò)程

（4）現(xiàn)有方案及其缺點(diǎn)：用電磁鐵驅(qū)動(dòng)限壓閥間歇排氣，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要連線(xiàn)到鍋蓋，導(dǎo)致鍋蓋不可拆洗

（5）對(duì)系統(tǒng)的要求：簡(jiǎn)單可靠成本低

（6）系統(tǒng)的工作原理：鋼蓋扣合外鍋并與內(nèi)鍋、密封圈組成密閉系統(tǒng)，發(fā)熱盤(pán)加熱內(nèi)鍋使水蒸發(fā)而產(chǎn)生壓力，壓力驅(qū)使外鍋產(chǎn)生彈性形變，驅(qū)動(dòng)壓力開(kāi)關(guān)（位移傳感器）來(lái)停止加熱而控制壓力。

4.2、功能分析

4.2.1 系統(tǒng)定義：

考慮到我們的目標(biāo)是如何控制壓力、實(shí)現(xiàn)沸騰，把系統(tǒng)的范圍縮小為“蒸煮壓力控制系統(tǒng)”，與蒸煮壓力控制相關(guān)的組件是系統(tǒng)組件，其他組件是超系統(tǒng)組件。

研究系統(tǒng)的狀態(tài)：設(shè)定在鍋內(nèi)有壓力的狀態(tài)，內(nèi)鍋的上方充滿(mǎn)水蒸汽。

4.2.2 目標(biāo)定義

本課題設(shè)定電壓力鍋是用來(lái)蒸煮米飯的，其目標(biāo)是米飯的前身：米水混合物；

要實(shí)現(xiàn)的功能是讓米水混合物沸騰翻滾，同時(shí)與大氣連通，達(dá)到米飯亮白的效果。

4.2.3 組件分析，列結(jié)構(gòu)表，如下表1：

4.2.4 組件相互作用分析，分析是否接觸（是否發(fā)生作用），列示意圖，如下圖2

4.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.3.1、裁剪

裁剪掉導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、成本高的電磁鐵和

頂部感溫包，再?gòu)南到y(tǒng)內(nèi)部或超系統(tǒng)尋找

能替代其功能的組件；

4.3.2、資源分析法

水蒸汽驅(qū)動(dòng)限壓閥的功能不足，是水蒸汽的壓力不夠；

該系統(tǒng)里對(duì)限壓閥的作用力有重力、鋼蓋的支撐力、水蒸汽壓力；

根據(jù)受力分析，重力是向下的力，鋼蓋的支撐力和水蒸汽壓力是向上的力，只有向上的力大于向下的力，才能把限壓閥抬起來(lái)，限壓閥離開(kāi)鋼蓋而排氣；鋼蓋的支撐力是改變不了的，只有提高水蒸汽壓力；

根據(jù)氣體方程PV=nRT，要提高壓力，必須提高溫度；

又根據(jù)壓力計(jì)算公式F=P*S，G=mg，F(xiàn)>G才能把限壓閥抬起來(lái)排氣，實(shí)現(xiàn)鍋內(nèi)沸騰，這樣可以計(jì)算出所需要的壓力P沸，然后設(shè)定沸騰模式：在壓力開(kāi)關(guān)跳斷后再加熱一定的時(shí)間，讓鍋內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的P沸，實(shí)現(xiàn)排氣沸騰；一段時(shí)間后停止加熱，因發(fā)熱盤(pán)的熱慣性，電壓力鍋沸騰一段時(shí)間后停止沸騰，然后再繼續(xù)加熱到P沸，如此循環(huán)，直到沸騰時(shí)間結(jié)束。

4.4 概念驗(yàn)證

4.4.1、問(wèn)題測(cè)試：

按上述方案測(cè)試，電壓力鍋沸騰煮飯時(shí)主要存在不沸騰或沸騰過(guò)度而噴水的問(wèn)題，情況如下：

（1）在2杯以上4杯以下米量煮飯時(shí)，過(guò)程有噴氣；5杯以上不噴氣；

（2）在1-2杯米煮飯時(shí)，有噴水現(xiàn)象；

4.4.2、問(wèn)題分析：

先排除假故障，確定是否設(shè)計(jì)問(wèn)題：即分析實(shí)際組件參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求：

包括限壓閥重量、壓力開(kāi)關(guān)跳斷時(shí)壓力、感溫包精度、程序控制模式是否復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)測(cè)試，僅程序控制模式有問(wèn)題：沸騰階段要求排氣5分鐘，實(shí)際排氣14分鐘。

4.5次級(jí)問(wèn)題改進(jìn)

4.5.1、明確問(wèn)題：

出現(xiàn)在沸騰階段，小米量時(shí)沸騰過(guò)度導(dǎo)致噴水，大米量時(shí)沸騰不夠，導(dǎo)致米飯不均勻。

4.5.2、問(wèn)題分析：

這顯然不是技術(shù)矛盾，也不是物理矛盾，是系統(tǒng)可控性不足；

查表，采用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中的2.4.7，利用自然現(xiàn)象或物理效應(yīng)，來(lái)增強(qiáng)物場(chǎng)模型；

4.5.3、資源分析

在電壓力鍋煮飯沸騰階段，存在的物理效應(yīng)資源有：

（1）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：溫度越高，電阻越小

（2）水的飽和水蒸汽壓與溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下表3：

4.5.4、方案思路：

飽和蒸汽壓與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在100-120℃范圍內(nèi)，1 ℃ 大致對(duì)應(yīng)5kPa（因?yàn)闇囟染_到1 ℃ 已能滿(mǎn)足電壓力鍋溫度精確控制要求，所以取1 ℃ 對(duì)應(yīng)5kPa 是可行的）。

目前產(chǎn)生的設(shè)計(jì)問(wèn)題是沸騰控制不足，是因?yàn)椴捎霉潭ǖ脑偌訜釙r(shí)間（壓力開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后再加熱一段時(shí)間），這樣難以滿(mǎn)足不同的米水量和不同的環(huán)境溫度，因?yàn)椴煌拿姿吭趬毫﹂_(kāi)關(guān)跳斷時(shí)其溫度是不一樣的，發(fā)熱盤(pán)的熱慣性對(duì)不同米水量的影響也是不一樣的，但把限壓閥頂起的壓力（溫度）是一樣的；因此，增加溫度場(chǎng)信息，利用現(xiàn)有底部感溫包，優(yōu)化方案如下：

在壓力開(kāi)關(guān)跳斷時(shí)，檢測(cè)此時(shí)的底部感溫包溫度T，在此基礎(chǔ)上再加熱到（T+ 8 ℃），就停止加熱，底部感溫包溫度下降到（T+ 4 ℃）時(shí)，再恢復(fù)加熱，如此循環(huán)，直到沸騰時(shí)間結(jié)束。

分析：壓力開(kāi)關(guān)的跳斷壓力是55-60kPa，限壓閥的排氣泄壓壓力為90±10kPa，這樣兩者之間最小壓力差為20kPa，等效為4 ℃，最大壓力差45kPa，等效為9 ℃，但為了防止感溫包精度偏差，取8 ℃。

4.6落地驗(yàn)收

煮飯測(cè)試結(jié)果：有效沸騰，沒(méi)有噴水現(xiàn)象；經(jīng)批量驗(yàn)證，均復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

然后申請(qǐng)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201510992062.X

5小結(jié)

在實(shí)際運(yùn)用中，為解決降低成本、簡(jiǎn)化產(chǎn)品的技術(shù)難題，首先要進(jìn)行功能分析，建立功能模型，然后用裁剪法，裁剪掉成本高、復(fù)雜的組件，再結(jié)合資源分析、矛盾理論、物場(chǎng)分析及標(biāo)準(zhǔn)解等工具，其中最密切相關(guān)的是資源分析法，因?yàn)椴眉舴ㄒ蟛眉艚M件后，將其執(zhí)行的有用功能利用系統(tǒng)或者超系統(tǒng)中的剩余組件來(lái)替代，從而必須用到資源分析法，尋找可以替代的組件；初學(xué)者是在問(wèn)題分析前就列出系統(tǒng)內(nèi)外資源，這樣未必能列全，有些資源也未必有用，如果在問(wèn)題分析和裁剪后，針對(duì)要實(shí)現(xiàn)的功能，再去有針對(duì)性地挖掘資源，效果更佳。

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