基于TRIZ理論的渣土車凹形清洗槽優化設計

李嘉輝，尹容衡

（武漢紡織大學外經貿學院工程學院，武漢 430200）

0 引言

截至2020 年底，我國渣土車運行量達到千萬輛次。隨著時代的發展，環保的要求也在不斷的提高，城市市容市貌的綠色環保標準也逐年上升，市政部門對渣土車的清洗檢查以及渣土車運輸資格評定更加嚴格，各施工單位對渣土車車輪的清洗工作顯得尤為重要。尤其是渣土車在運輸土方離開施工單位時車輪上往往會粘上泥土，對此需要借助外力才能把泥土從車輪上分離開，才能完成對車輪的清洗，實現從源頭減少渣土車把泥土帶出施工單位和泥土掉落在市政道路上的可能性，降低渣土車在運輸途中給市容市貌帶來負面影響，維護市政道路的整潔。

在實地考察中發現，現階段主要的洗車方式有兩種。其中一種為普通凹形清洗槽，造價較低，但需要渣土車在凹形清洗槽上快速來回行駛，對于駕駛員來說，需要來回切換車輛擋位，會使駕駛員在清洗過程中感到繁瑣。另一種則是采用洗車平臺結構通過使用洗輪機對車輪進行清洗，但相對與普通凹形清洗槽，洗車平臺整體造價較高，而且長期工作下來發現從渣土車清洗下來的泥土與細石會積累在洗車平臺內部，且由于其內部結構間隔小，人工難以清理平臺底部堆積物。

因此如何提高凹形清洗槽的使用效率和清洗效率，且不需對凹形清洗槽結構做出大改動，從而形成了一個亟需解決的問題。本文通過流程分析發現問題，并通過TRIZ 理論與沖突矩陣尋找解決方案，設計一套能使渣土車能在不同狀態下適應不同需求的凹形清洗槽，為同類設計提供一種簡便高效的創新設計思路。

1 TRIZ理論

TRIZ 理論(發明問題解決理論)在分析問題、解決問題方面提供了一個新的方法和提示，TRIZ 理論指出創新是有規律性的，要善于抓住這種規律性，利用現有資源，擴展設計者的思路[1]。

TRIZ 專門用于研究創新設計的理論，該理論將創新設計的工作原理過程具體化，并提出了規則、算法與發明原理供設計人員使用[2]，已成為一種較完普的創新設計理論。其主要研究的內容包含沖突解決原理、技術進化理論、物質-場分析、功能分析、理想解、資源分析、標準解、效應等方面[3]。

TRIZ理論將導致技術矛盾的因素總結為39個通用工程參數，建立了矛盾矩陣表，提供了40個解決技術矛盾的創新原理[4]。矛盾矩陣是40×40的矩陣，矩陣的第一行表示39個需要改進的技術參數，第一列表示39個引起惡化的技術參數，行與列的交叉處形成技術矛盾，并列有解決技術矛盾所推薦的創新原理序列號[5]。

傳統的產品設計流程可整理為：尋找問題——分析問題并提出初步解決方案——方案細化（結構，造型，材料等方面）——方案篩選與評價——完成設計。結合傳統產品設計流程和TRIZ理論創建一套產品創新設計流程模型。一旦選定TRIZ 理論中某一或某幾個原理以后，根據選用的原理指明一般問題的思維方向與思考特定的問題以獲得其具體解，如圖1 所示，給出了求解技術沖突的過程[6]。該流程遵循TRIZ 理論解決工程問題的一般步驟，從產品分析入手，發現問題的根源，從問題分析中尋找理想解，逐層深入[7]，直至產生可行的解決方案。其產品設計流程的目標性強，簡潔高效，規避了傳統設計方法的盲目性和無效性[8]。

圖1 凹形清洗槽系統創新設計流程

2 凹形清洗槽結構創新設計

2.1 洗車過程分析

在實地考察中發現，現階段主要的洗車方式有兩種。其中一種為普通凹形清洗槽，造價較低，但需要渣土車在凹形清洗槽上來回行駛。在渣土車在凹形清洗槽上長期來回行駛的情況下，渣土車會對凹形清洗槽底部水泥結構造成一定的破壞。當凹形清洗槽底部水泥結構被破壞到一定程度時還需要對凹形清洗槽進行排水維修，且在修復凹形清洗槽期間渣土車將面臨無清洗槽可用的局面，嚴重耽誤了修復時期的渣土車清洗工作和降低了施工現場的運輸效率。對于駕駛員來說，車輛在使用凹形清洗槽清洗渣土車車輪時需要來回切換車輛擋位，在增加駕駛員工作量的同時，駕駛員會在清洗過程中感到繁瑣。另一種則是采用洗車平臺結構通過使用洗輪機對車輪進行清洗，車輛只需要慢慢走過洗車平臺既可完成清洗，但洗輪機造價較高，而且長期工作下來發現從渣土車清洗下來的泥土與細石會積累在洗車平臺內部，且由于洗車平臺內部間隔小的特點，人工難以清理平臺內部泥沙堆積物。

同時在現場考察中發現清洗槽在清洗渣土車車輪時具有單行性的特點，當前方渣土車在清洗的過程中發現有石頭卡在兩輪間等重大問題時，前車需要停下處理問題，后方待洗車輛會受到前方事故車輛的影響，導致后方車輛均要延長自己的洗車總時間，從而降低了整個清洗槽的清洗效率和降低了渣土車的運輸效率。以上兩類問題是本次優化設計希望解決的問題。

2.2 用戶分析

通過實地考察發現，87%的現場洗車環節裝有凹形清洗槽，且發現其中有92%裝有凹形清洗槽的現場都以凹形清洗槽作為主要洗車環節。同時發現有76%現場即使裝有洗輪機但使用的次數并不多。綜合上述因素，凹形清洗槽結構更貼合現場真實使用場景。因此，針對凹形清洗槽的優化設計更應該針對渣土車在清洗槽上來回行駛會破壞清洗槽底部進行改造。

2.3 技術矛盾與解決方案

TRIZ 理論創新設計的一般步驟是借助TRIZ 工具，將實際問題抽象成TRIZ問題模型，得出設計過程中存在的技術矛盾[9]。從阿奇舒勒矛盾矩陣中找出對應的創新設計原理，發掘問題的解法[10]。

2.3.1 確定一般問題

從凹形清洗槽結構上考慮，當渣土車在清洗上快速來回行駛以達到沖洗掉車輪上泥土時，渣土車對凹形清洗槽底部水泥結構的沖擊會造成清洗槽一定破壞，久而久之會使該清洗槽底部水泥結構破碎程度逐漸增大，碎塊質量分布由粗粒端向細粒移動[11]，會有更多的水泥?？ㄔ谲囂ゼy路上，給駕駛員帶來一定的安全隱患。為減少凹形清洗槽的底部水泥結構被渣土車來回行駛破壞，決定摒棄傳統只依靠凹形清洗槽洗輪的形式，優化清洗槽性能，考慮取代替渣土車來回行駛的結構。

從效率上考慮，渣土車在凹形清洗槽內來回行駛增加了單輛渣土車占用清洗槽的時間。在同一時間段其他待洗渣土車只能在清洗槽外等待，不得進入清洗槽進行清洗作業。假設此時前方車輛出現兩輪間卡石或其他重大問題，前方車輛不得不停下車輛進行維修，會直接延長后方待洗車輛的等待時間，嚴重影響了整個渣土車清洗槽的工作效率，于是考慮新增人字形結構。

人字形道路結構的左側與右側的分叉角度可根據施工現場的使用環境、可用面積、當地市政道路要求等來決定。根據真實空曠場地模擬當人字形道路結構的左側與右側的分叉角度采用30°～45°時，較為符合駕駛員的駕駛習慣與駕駛視野。

2.3.2 獲得一般解

基于對以上兩個參數的強化而對產品結構的創新設計，勢必導致裝置的復雜性等一系列不利參數的新增。對應39個通用工程特征參數，選擇運動物體的作用時間（15）、操作流程的方便性（33）為優化參數。能量損失（22）、控制和測量的復雜性（37）作為惡化參數，選取相應的設計原理，對凹形清洗槽進行創新設計。如表1所示。根據文獻[12]，對應阿奇舒勒矛盾矩陣獲得查詢結果，選取對應適合本裝置結構優化的創新原理有抽?。ú鸪觯┰?、復制原理和動態原理。

表1 凹形清洗槽系統矛盾解決矩陣表

2.3.3 獲得工程解

根據抽取（拆出）原理（2），對產品進行分割，對存在的缺陷逐個擊破，分步解決問題。結合人字形道路結構，把渣土車遇到重大問題需要在清洗槽的出口停下解決剝離開，放到人字形道路的另一側進行解決。如圖2所示，既符合清洗槽工作時的單向性，也能使得當前車出現問題也不會影響后車清洗。

圖2 主道人字形結構

根據復制原理（26），使用低廉的替代品代替造價比較高的洗車平臺。通過對洗車平臺進行分析，得到在凹形清洗槽的兩側安裝洗車噴頭的啟發。在優化結構的基礎上，不增加裝置的復雜程度。

根據動態原理（15），結合可旋轉噴頭。在凹形清洗槽的兩側安裝上可在一定角度范圍內來回噴水的噴頭，用噴頭的轉動來代替渣土車在凹形清洗槽上的來回運動，減少渣土車在凹形清洗槽上快速運動的次數，從而減少渣土車對凹形清洗槽底部水泥結構的沖擊破壞，起到保護凹形清洗槽底部的作用且延長凹形清洗槽的使用壽命。

3 平臺延伸設計

3.1 紅外感應設計

通過在清洗槽的進口與出口均安裝一個紅外感應裝置，用于控制安裝在清洗槽內部兩側旋轉噴頭的開與關。入口處紅外感應負責“開”，當有車輛到達清洗槽時被紅外感應到，噴頭自動開始工作，車輪沾滿泥土的渣土車只需要慢慢走過凹形清洗槽就能沖洗掉車輪上的泥土。出口處紅外感應負責“關”，當車輛離開清洗槽，紅外感應識別，噴頭停止工作，但在程序設計上入口處紅外感應裝置一直優先與出口處紅外感應裝置，以此來保證只要有車輛需要清洗，噴頭就能正常工作。

3.2 圖像識別設計

通過在凹形清洗槽的出口安裝圖像識別裝置，用于觀察渣土車在經過清洗槽清洗后是否洗干凈。利用圖像采樣技術代替人眼來判斷渣土車是否清洗干凈，若清洗干凈則把信號燈變綠，若清洗不干凈變成紅。實現渣土車司機在不下車的情況下也能清楚知道自己所駕駛的車輛是否清洗干凈，是否需要下車進行再處理。

4 結束語

本文針對在實地考察中發現渣土車清洗車輪時存在的問題——渣土車需要在凹形清洗槽上來回行駛才能把車輪上的泥土分離開。對凹形清洗槽優化設計時運用了TRIZ 工具與沖突矩陣，很快找到了解決問題的方法與思路。該理論可對產品的優化設計是否符合實際市場需求以及產品是否能達到使用要求進行判斷，從而引導設計人員更精準的把握產品要求和優化設計方向。同時在解決實際問題過程中，利用阿奇舒勒矛盾矩陣，以及TRIZ理論總結的40 條發明原理，創建一套創新設計流程模型，在經過問題分析后選取合適的創新原理獲得問題的最優解。在創新設計時使用該流程將會有助于設計人員解決目前產品實際問題，促進創新。