產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的矛盾解決方法*

曹 賀, 池紅巖，張衍祺

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 基礎(chǔ)實驗與工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150022；3.北京南車時代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京 102249)

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的矛盾解決方法*

曹 賀1, 池紅巖2，張衍祺3

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 基礎(chǔ)實驗與工程訓(xùn)練中心，黑龍江 哈爾濱 150022；3.北京南車時代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京 102249)

提出了應(yīng)用物理矛盾描述問題的方法，介紹了TRIZ解決物理矛盾的空間分離原理。對刮板輸送機(jī)的刮板和刮板鏈技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了因果軸分析，定義了強(qiáng)度與運動物體的質(zhì)量這一技術(shù)矛盾，提取出了密度參數(shù)作為物理矛盾，選擇了牽引空間和支撐空間作為2個不交叉的空間。依據(jù)發(fā)明原理，設(shè)計出了可拆卸刮板和組合式刮板鏈裝置，解決了刮板鏈強(qiáng)度不足及刮板磨損的問題。

物理矛盾；空間分離方法；刮板；刮板鏈

1 產(chǎn)品創(chuàng)新中的矛盾

在唯物辯證法中，矛盾就是對立統(tǒng)一。TRIZ[1]中可以這樣理解矛盾，它是指內(nèi)在要素、作用或主張彼此不一致或相反的情境，特別是指“雙失”情況，即因為使用常規(guī)方法來改進(jìn)當(dāng)前問題情境而產(chǎn)生無法忍受的后果。TRIZ把工程中常見的矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾2種[2]。

技術(shù)矛盾是指為了改善系統(tǒng)的一個參數(shù)，導(dǎo)致了另一個參數(shù)的惡化，其描述的是2個參數(shù)的矛盾。物理矛盾是針對系統(tǒng)的某個參數(shù)，提出2種不同的要求，當(dāng)對1個系統(tǒng)的某個參數(shù)有相反要求時就出現(xiàn)了物理矛盾。物理矛盾反映的是唯物辯證法中的對立統(tǒng)一規(guī)律：一方面，物理矛盾講的是相互排斥，即同一性質(zhì)相互對立的狀態(tài)；另一方面，物理矛盾又要求所有相互排斥和對立狀態(tài)的統(tǒng)一，即矛盾雙方存在于同一客體中。

物理矛盾和技術(shù)矛盾是相互聯(lián)系的。用技術(shù)矛盾來描述的問題，同樣也可以用物理矛盾來描述。在很多時候，技術(shù)矛盾是更顯而易見的矛盾，而物理矛盾則是隱藏得更深、更尖銳的矛盾[3]；正因如此，近年來，在應(yīng)用TRIZ解決技術(shù)矛盾的研究較多，而解決物理矛盾的研究少見。

2 應(yīng)用物理矛盾解決問題的條件

當(dāng)1個技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，其表現(xiàn)形式是多種多樣的，解決問題的手段也是多種多樣的，關(guān)鍵是要區(qū)分技術(shù)系統(tǒng)的問題屬性和產(chǎn)生問題的根源，根據(jù)問題所表現(xiàn)出來的參數(shù)屬性、結(jié)構(gòu)屬性和資源屬性等，選擇使用相應(yīng)的模型、工具和方法。

物理矛盾是同一系統(tǒng)同一參數(shù)內(nèi)的矛盾，即參數(shù)內(nèi)矛盾。當(dāng)對系統(tǒng)中的同一個參數(shù)提出互為相反的要求時，就說存在物理矛盾。

為了更詳細(xì)、準(zhǔn)確地描述物理矛盾，Savransky于1982年提出了如下描述方法：1)子系統(tǒng)A必須存在，A不能存在；2)關(guān)鍵子系統(tǒng)A具有性能B，同時應(yīng)具有性能-B，B與-B是相反的性能；3)A必須處于狀態(tài)C及狀態(tài)-C，C與-C是不同的狀態(tài)；4)A不能隨時間變化，A要隨時間變化。

1988年，Teminko提出了基于需要的或有害效應(yīng)的物理矛盾描述方法：1)實現(xiàn)關(guān)鍵功能，子系統(tǒng)要具有一定有用功能(useful function, 簡稱UF)，但為了避免出現(xiàn)有害功能(harmful function, 簡稱HF),子系統(tǒng)又不能具有上述有用功能；2)關(guān)鍵子系統(tǒng)的特性必須是一大值，以能取得UF，但又必須是一小值，以避免出現(xiàn)HF；3)子系統(tǒng)必須出現(xiàn)，以取得UF，但又不能出現(xiàn)，以避免出現(xiàn)HF。

物理矛盾可以根據(jù)系統(tǒng)所存在的具體問題選擇具體的描述方式。物理學(xué)中的常用參數(shù)主要有幾何類、材料及能量類和功能類3大類，每大類中的具體參數(shù)和矛盾見表1。

表1 常見的物理矛盾

如何將1個問題轉(zhuǎn)換成物理矛盾是非常重要的。針對實際問題情境，一般可以通過以下步驟逐步完成對其中物理矛盾的準(zhǔn)確描述：1)技術(shù)系統(tǒng)的因果軸分析；2)從因果軸定義技術(shù)矛盾“A+、B-”或“B+、A-”；3)提取物理矛盾，即在這對技術(shù)矛盾中找到1個參數(shù)及其相反的2個要求“C+”、“C-”；4)定義理想狀態(tài)，即提取技術(shù)系統(tǒng)在每個參數(shù)狀態(tài)的優(yōu)點，提出技術(shù)系統(tǒng)的理想狀態(tài)。

3 解決物理矛盾的空間分離原理及其解決問題的步驟

解決物理矛盾的核心思想是實現(xiàn)矛盾雙方的分離。現(xiàn)代TRIZ在總結(jié)解決物理矛盾各種方法的基礎(chǔ)上，提煉出了分離方法，并將其分為4種基本類型，即空間分離、時間分離、條件分離和系統(tǒng)級別分離。

所謂空間分離方法是將矛盾雙方在不同的空間上分離。當(dāng)關(guān)鍵子系統(tǒng)矛盾的雙方在某一空間只出現(xiàn)一方時，可以進(jìn)行空間分離。使用空間分離前，應(yīng)先確定矛盾的需求在整個空間是否都在沿著某個方向變化。如果在空間中的某一處，矛盾的一方可以不按一個方向變化，則可以使用空間分離原理來解決問題，即當(dāng)系統(tǒng)矛盾雙方在某一空間出現(xiàn)一方時，空間分離是可能的。

應(yīng)用空間分離原理解決物理矛盾的步驟如下：1)定義物理矛盾，首先確定矛盾的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對矛盾的參數(shù)相反的要求進(jìn)行描述；2)對在什么空間上需要滿足什么要求進(jìn)行確定；3)對上述2個空間段是否交叉進(jìn)行判斷，如果2個空間段不交叉，可以應(yīng)用空間分離原理，否則不可以應(yīng)用空間分離原理。

4 新型刮板和刮板鏈裝置設(shè)計

刮板輸送機(jī)是一種有撓性牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)運輸機(jī)械，其作用是為采煤工作面和采區(qū)巷道運煤。刮板輸送機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)是繞經(jīng)機(jī)頭鏈輪和機(jī)尾鏈輪進(jìn)行循環(huán)運動的無極閉合的刮板鏈，承載機(jī)構(gòu)是溜槽[4]。刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)的重要組成部分，也是輸送機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。刮板鏈在運行過程中受到不穩(wěn)定沖擊載荷，因此其運行穩(wěn)定性對整個刮板輸送機(jī)的運行有著重要影響。如果刮板鏈發(fā)生斷鏈現(xiàn)象將嚴(yán)重影響采掘工作面的正常生產(chǎn)[5-6]，因此高性能刮板和刮板鏈的設(shè)計和研發(fā)，對刮板輸送機(jī)的可靠、穩(wěn)定和高效運行具有極其重要的意義。

4.1 物理矛盾的描述

1)技術(shù)系統(tǒng)的因果軸分析。刮板輸送機(jī)的運行方式是物料和刮板都在槽內(nèi)滑行，運行阻力和磨損都很大，由此得到如下因果鏈：刮板輸送機(jī)運行需要刮板鏈的牽引力→物料和刮板都在溜槽內(nèi)滑行→運行阻力和磨損很大→刮板磨損、刮板鏈斷裂→高強(qiáng)度的刮板和刮板鏈→增大刮板和刮板鏈的質(zhì)量→運行負(fù)載增大。

2)從因果軸定義技術(shù)矛盾“A+、B-”或“B+、A-”。根據(jù)因果分析，找出此技術(shù)系統(tǒng)的現(xiàn)有解決方案改善的參數(shù)——強(qiáng)度，以及惡化的參數(shù)——運動物體的質(zhì)量，強(qiáng)度與運動物體的質(zhì)量構(gòu)成了一對技術(shù)矛盾。

3)提取物理矛盾。刮板和刮板鏈材料的密度既要大，又要小。

4)定義理想狀態(tài)。設(shè)計一種刮板和刮板鏈裝置，使其質(zhì)量不增加的情況下強(qiáng)度提高。

4.2 應(yīng)用空間分離原理分析物理矛盾

1)定義物理矛盾，即刮板和刮板鏈材料的密度既要大，又要小。

2)對在什么空間上需要滿足什么要求進(jìn)行確定。選擇2個空間，一個是牽引空間，另一個是支撐空間。對于牽引空間，要求刮板耐磨損，刮板鏈強(qiáng)度大；對于支撐空間，要求刮板和刮板鏈質(zhì)量輕。

3)對上述2個空間段是否交叉進(jìn)行判斷，上述牽引空間和支撐空間不交叉，可以應(yīng)用空間分離原理。

4.3 新型刮板和刮板鏈裝置

為減小刮板底部的磨損，在刮板底部安裝滾輪。刮板側(cè)面的磨損考慮采用可拆卸刮板，由刮板本體和副板組成。為提高刮板鏈的強(qiáng)度，同時又不增加其質(zhì)量，設(shè)計由三角鏈和鏈環(huán)組成組合式刮板鏈，如圖1所示。刮板由刮板本體和兩側(cè)的副板組成，由卡柱插裝聯(lián)接。刮板鏈由三角鏈和鏈環(huán)組合而成，鏈環(huán)與刮板本體由長插銷插裝聯(lián)接，三角鏈與刮板本體由長插銷插裝聯(lián)接，鏈環(huán)另一端與三角鏈另一端由長插銷插裝聯(lián)接，三角鏈之間由短插銷相互插裝聯(lián)接，刮板本體下表面左右兩側(cè)各插裝連接有滾輪，副板內(nèi)側(cè)表面上下處固定連接有插柱，插柱上表面設(shè)有通孔并由卡柱固定插裝在刮板本體左右兩側(cè)表面內(nèi)，插柱同時插裝在連接刮板本體與鏈環(huán)和三角鏈的長插銷內(nèi)，插裝在刮板本體內(nèi)長插銷兩端為方形，副板內(nèi)側(cè)插柱為方形，卡柱可裝卸于刮板本體內(nèi)。

圖1 刮板輸送機(jī)刮板和刮板鏈裝置

5 結(jié)語

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的過程就是解決矛盾的過程，通過技術(shù)系統(tǒng)的因果軸分析，定義技術(shù)矛盾，提取物理矛盾，對在什么空間上需要滿足什么要求進(jìn)行確定，判斷2個空間段是否交叉，應(yīng)用創(chuàng)新原理提出了創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)成了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的矛盾解決方法。通過對刮板輸送機(jī)刮板和刮板鏈裝置技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行一系列分析，設(shè)計出可拆卸刮板和組合式刮板鏈裝置，解決了刮板鏈強(qiáng)度不足及刮板磨損的問題，驗證了矛盾解決方法的有效性。

[1] 趙新軍. 技術(shù)創(chuàng)新理論(TRIZ)及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 劉訓(xùn)濤,曹賀,陳國晶. TRIZ理論及應(yīng)用[M]. 北京：北京大學(xué)出版社, 2011.

[3] 創(chuàng)新方法研究會. 創(chuàng)新方法教程[M]. 北京：高等教育出版社, 2012.

[4] 于學(xué)謙. 礦山運輸機(jī)械[M]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1993.

[5] 王金華. 我國煤礦開采機(jī)械裝備及自動化技術(shù)新進(jìn)展[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2013，41(1)：1-4.

[6] 闞文浩. 刮板輸送機(jī)刮板鏈故障分析與技術(shù)改進(jìn)[J]. 煤礦機(jī)械, 2013，34(2)：174-175.

*黑龍江省教育廳科學(xué)研究項目(12533056)

責(zé)任編輯馬彤

MethodoftheContradictionSolutionintheDesignofProductInnovation

CAO He1, CHI Hongyan2, ZHANG Yanqi3

(1.College of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022,China;2.Basic Experiment and Engineering Training Centre,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China;3.Beijing CSR Times Electric Locomotive Vehicle Machinery Co., Ltd., Beijing 102249, China)

The method of physical contradiction problem description was put forward, and spatial separation principle of TRIZ was introduced to solve physical contradiction. The scraper conveyor and scraper chain technology system were analyzed by the cause and effects, the technical contradiction of strength and weight of moving object were defined, the density was extracted as the physical contradiction, the traction space and support space were selected as the two non-cross space, based on the invention principles, a demountable scraper and combined scraper chain device was designed, which solves the problem of insufficient strength of scraper chain and scraper wear.

physical contradictions，spatial separation method，scraper，scraper chain

TH 12

：A

曹賀(1978-)，女，碩士，副教授，主要從事機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計等方面的研究。

2014-09-18