基于TRIZ理論的集裝箱結構設計

沈 微，劉 靜，李思平

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于TRIZ理論的集裝箱結構設計

沈 微，劉 靜，李思平

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

指出集裝箱在使用過程中存在的問題，利用TRIZ理論分析集裝箱的門和鎖在使用過程中存在的技術矛盾，通過矛盾矩陣找到相應的發明原理，并結合實際選擇解決問題的方案，設計出滿足要求的新結構。改造后的集裝箱的裝卸搬運效率大大提升，且安全性能也得到提高。

TRIZ理論；矛盾矩陣；集裝箱；結構設計

1 引言

世界經濟與國際貿易的增速加快，將推動全球集裝箱運輸需求增幅擴大，全球范圍內集裝箱運輸需求將保持4％左右增長速度[1-2]。集裝箱作為工業標準件，具有一定的強度、剛性和規格，且容量大的特點，對大宗工業產品的運輸起著至關重要的作用。隨著物流行業的發展，集裝箱被廣泛應用在各個運輸領域[3]。傳統的集裝箱已無法滿足企業對物品裝卸搬運效率的需求，存在著裝卸搬運貨物效率低、集裝箱的門鎖安全性低、箱內貨物容易被竊取等問題，迫切需要新式結構的集裝箱設計。近年TRIZ理論已成為創新設計的一個非常有效的輔助工具[4-5]。因此，文中利用TRIZ理論對集裝箱的門和鎖進行創新設計，分析問題并改進集裝箱現有結構，得出一個優化方案，提高集裝箱的貨物裝卸搬運效率和安全性能。

2 TRIZ理論概述

TRIZ理論(Theory of Inventive Problem Solving)即發明問題解決理論[6]，它是一種以技術系統為認知分析基礎，以解決問題為首要任務，以不斷提高技術系統的理想度為進化目標，讓所有的產品變得更美的理論與方法學。其核心是建立基于消除技術沖突的邏輯方法，不斷發現問題并加以解決，推動產品不斷提升，實現理想化創新產品設計[7-8]。

TRIZ是一種建立在技術系統演變規律基礎上的問題解決系統，技術系統演變的8個模式、39個通用工程參數、40條發明原理、39×39沖突解決矩陣、76個標準解、發明問題解決算法（TRIZ）及效應數據庫等構成了TRIZ的理論與方法體系[9-10]。

任何問題的解決過程都包含兩部分：問題分析和問題解決[11]。應用TRIZ理論解決問題的步驟主要是：首先對實際問題進行分析；然后將待解決的問題轉化為TRIZ標準問題，應用發明理論，找到對應的TRIZ標準解決方案模型；最后，將這些類似的解決方案模型應用到具體的問題之中，演繹得到問題最終解決方法[12]。TRIZ理論解決問題的具體流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題流程圖

3 基于TRIZ理論的集裝箱結構分析

3.1 問題描述

傳統的集裝箱只能通過打開后端板來裝卸貨物，由于現在的集裝箱箱體制作得越來越長，使得裝卸貨越來越不方便，嚴重影響工作效率。另外，從安全性方面考慮，在貨物配送過程中，集裝箱經常發生貨物被盜事件。現有集裝箱的門鎖比較普通，裝置不夠完善，而且長期暴露在外，容易被分析原理和開鎖規律。隨著偷竊手段的層出不窮和日益變化的社會環境，這種門鎖已經不能滿足貨物安全配送的要求。

3.2 矛盾分析

一般情況下問題的理想狀態不是可以輕易得到的，甚至有的問題沒有確定的理想狀態，并且在分析問題的過程中，經常會出現矛盾和沖突。這時，可以通過矛盾矩陣選擇發明原理來解決沖突，尋找解決問題的方法，實現產品創新設計或改良設計[13]。

根據上述問題，將集裝箱看成一個系統，分為安全系統和操作系統。從這兩個系統分別對集裝箱的結構進行改進，以實現問題的解決。

通常情況下集裝箱裝卸貨是從后端板實現的，工作效率很低。如果把集裝箱的左右側板也同時打開，從三個方向同時裝卸貨，效率肯定會大大提高。然而，左右側板打開的同時會導致左右側板占用側方空間大、集裝箱的構造復雜等問題。另外，集裝箱容易被盜，可以把鎖的結構復雜化。例如：在原來一道鎖的基礎上額外增加一道鎖。然而，鎖的額外增加會造成成本高、裝置的可制造性要求變高等問題。

此時存在著的技術矛盾有：集裝箱裝卸搬運效率的提高與集裝箱構造復雜性的矛盾；增加第二道鎖來提高安全性能與成本高、裝置復雜的矛盾。

上述問題可轉換成用39個通用工程參數來描述[15]，即12形狀（改善參數）與36裝置的復雜性（惡化參數）的沖突；36裝置的復雜性（改善參數）與32可制造性（惡化參數）的沖突。根據TRIZ理論中有關矛盾的定義，確定這是兩對技術矛盾。然后再根據由39個工程參數與40條發明原理建立對應關系而組成的40行40列的矛盾矩陣表去尋找并確定創新原理，矛盾矩陣，具體見表1。

表1 矛盾矩陣

通過矛盾矩陣查找相應的交點解決方案找到16，29，1，28號發明原理可作為解決集裝箱門相應問題的原理，27,26,1,13是解決集裝箱鎖相應問題的原理。發明原理見表2。

表2 發明原理

4 集裝箱門和鎖結構的設計

經過上述發明原理[14]，發現01號和29號是解決集裝箱門相應問題的較好方法。01號原理是分割：（1）將一個物體分成相互獨立的部分。（2）使物體分成容易組裝及拆卸的部分。（3）增加物體相互獨立的程度。29號原理是氣動或液壓結構，物體的固定零部件可用氣動或液壓零部件代替。26號和27號是解決集裝箱門鎖相應問題的較好方法。26號原理是復制，即用簡單的、低廉的復制品代替復雜、昂貴、易碎的或不易操作的物體。27號原理是用低成本、不耐用的物體代替昂貴、耐用的物體。

針對上述兩對沖突，改進方案見表3。

表3 改進方案

4.1 集裝箱門的設計

設集裝箱寬為a，高為b，切割位置距離集裝箱頂板側梁的距離為b1，側翼舉升時占用側方的最大距離為c。側翼的上部分占用側方空間最大時，上部分側翼的最低端與頂板橫梁應處于同一水平線上。上下側板的分割點不同，側開門箱板舉升過程中占用側方空間的最大值不同。合理的選取分割點，使該最大值取最小值時為最優方案。當改進的側開門集裝箱平放在地面時，集裝箱所占空間的大小由分割點以下側板平放在地面上的寬度b-b1和上側板舉升過程中所占用的超出箱體本身的空間寬度c共同決定，且存在著的關系。通過計算找出min{max(c,b-b1)}滿足最大程度地節省側方空間,改造后的集裝箱結構如圖2，集裝箱側視如圖3。

圖2 改造后的集裝箱結構圖

圖3 集裝箱側視圖

由于選取1AA型集裝箱作為研究對象，其外尺寸為12.2m×2.4m×2.6m（長×寬×高）,則取a=2.4，b=2.6。通過計算得出：取b-b1=0.87m,c=0.9m，即在距離下側板底部0.87m處進行切割，使側翼分為上下兩部分，為最節省空間的切割方式。與不切割之前相比，占用側方的空間節省了26.57％，同時左右側板的打開，大大提高了集裝箱裝卸搬運貨物的效率。

4.2 集裝箱鎖的設計

為了降低集裝箱門鎖被盜的風險，在第一和第四鎖桿上分別焊接一個L型鐵桿，L型鐵桿平行于鎖桿一側設置內孔，在后門上焊接一個與內孔相對應的鐵環，形成第二道鎖。第一道鎖的結構和位置都不發生改變。具體情況如圖4所示。設計前的門鎖是將海關關封鎖在手柄和托架座，當不法分子破壞了集裝箱上門鎖結構中手柄與手柄座的連接時，會將手柄座和海關關封作為整體從集裝箱后門拆除并不破壞其結構，當行竊完畢后，會將手柄座和海關關封恢復原狀，使得事主不能及時發現失竊情況。設計后的集裝箱門鎖部分結構如圖5所示，將海關關封鎖在第二道門鎖上，由于L型鐵桿與鎖桿相對固定，并隨鎖桿轉動，在海關關封的約束下，L型鐵桿和鐵環相互配合，使不法分子即使破壞了集裝箱上門鎖機構中手柄與手柄座的連接處，也不能轉動鎖桿將門打開。只有破壞海關關封才能將門鎖打開進入集裝箱內進行竊取，使事主能夠及時發現失竊情況，并報警處理，極大地提高了集裝箱的安全性[15-16]。

圖4 改進后的集裝箱門鎖結構圖

圖5 改進后的集裝箱門鎖部分結構圖

5 結語

目前集裝箱在使用過程中存在著裝卸貨效率低、門鎖的防盜措施不夠完善等問題。利用TRIZ理論分析集裝箱的門和鎖在使用過程中存在的技術矛盾，利用矛盾矩陣找到相應的發明原理，并結合集裝箱存在問題的實際情況選擇適當的發明原理，找到解決問題的新方案，設計出滿足要求的新結構[17]。改造后的集裝箱在提高裝卸搬運效率的基礎上，使左右側板占用側方的空間最小。同時，集裝箱門鎖的改進，大大提高了安全性能，降低了貨物被盜的風險。

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Design of Container Structure Based on TRIZ

Shen Wei,Liu Jing,Li Siping
(School of Engineering&Technology,Northeast University of Forestry,Harbin 150040,China)

In this paper,we pointed out the problems existing in the current application of containers,then used the TRIZ theory to analyzed the technical dilemma in the use of the door and lock with the container,identified the corresponding principle of invention through the contradiction matrix and at the end,in connection with a practical case,designed a new structure that could meet the requirement.

TRIZtheory;contradictionmatrix;container;structuraldesign

U169.3

A

1005-152X(2017)07-0141-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.07.030

2017-05-24

中央高校基本科研業務費專項資金資助（2572017CB07）；黑龍江省留學歸國科學基金項目（LC2013C12）；東北林業大學教育教學研究項目（DGY2016-02）

沈微（1977-），男，吉林人，博士，講師，主要研究方向：物流工程。