基于TRIZ理論的城市挖掘機造型設計研究

孟娜娜　胡鶴凡　任晉

摘要：為了滿足用戶對城市挖掘機綜合品質日益提高的要求，本文提出一種基于TRIZ理論的城市挖掘機創新設計方法。首先運用TRIZ理論，39個工程參數建立城市挖掘機問題模型，以現有城市挖掘機的弊端為起點，闡述其問題所在，隨后根據矛盾矩陣解域出第15條、第17條、第13條和第16條發明原理，確定最適合解決城市挖掘機的最終解決方案。提出一種基于TRIZ理論的創新設計模型，對城市挖掘機進行創新設計。最終將TRIZ理論與相關理論相結合，對挖掘機進行建模設計，驗證了應用該方法能夠有效解決城市挖掘機造型中實際問題，為產品設計構思提供創新思路的可行性，并為相關工程機械的開發設計提供參考。

關鍵詞：工業設計;TRIZ理論;產品造型;技術矛盾;城市挖掘機

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0150-03

工程機械行業是我國基礎建設投資的重要支柱產業，伴隨大量外國企業將完善的工業設計理念引入到工業機械領域，重技術輕外觀設計的國內重型工程機械受到了極大的沖擊，提高工程機械產品的外觀造型設計顯得尤為重要。挖掘機是現代化建設施工機械的重要組成部分，應用范圍十分廣泛，建筑行業、道路、橋梁、礦山、水利、城市市政建設等多個領域都與挖掘機有著不可分割的聯系。伴隨經濟的飛速進步發展，消費者對產品的外觀、功能等多個方面的滿意度要求越來越高，而功能永遠是設計的第一要素[1]。在城市挖掘機中，目前仍以履帶式為主，行走緩慢、對城市地面有損傷，質量重耗能高都成為了亟待解決的問題。近年來，TRIZ理論不斷完善，成為了產品設計飛速發展的強有力輔助工具[2]。

本文運用TRIZ理論，以高速度、有效、節能為目的，對城市挖掘機進行研究再創新設計，通過分析其存在的技術矛盾，運用TRIZ工具解決設計過程中存在的問題，并借助計算機輔助設計，對潛在問題進行進一步分析與排查，開發出一種節能高效的城市挖掘機。

1 TRIZ中的沖突解決理論

TRIZ理論是解決發明問題的理論，是根里奇阿奇舒勒于1946年在蘇聯創立的。他與他的門徒一起從成千上萬的專利和自然科學研究中，整理和歸納出的一套以解決發明問題為主要目的的實用性理論和方法體系[3]。

與傳統試錯法不同，TRIZ理論有一套完善的思維路徑，它把某一特定問題轉化成TRIZ標準問題，通過分析改善的工程參數與惡化的工程參數，在矛盾矩陣中找到對應的解域，結合解的思路對設計進行改良或者優化，得到的解域存在有用的也有可能是無用解，甚至于解域中所有的解都不滿足需求需求，這就需重新定義尋找，最后通過驗證或者評價獲得特定的問題解，這個解絕非折中或者生搬硬套的解，而是真正立足于消除一個矛盾的最終理想解。在本文中形成最后的城市挖掘機創新設計思路，并為新產品賦予了新的造型、色彩、材料，實現造型的優化。

“發現問題——分析問題——解決問題”是利用TRIZ理論思維創新設計的完整體系。TRIZ理論認為，創新的產生主要來源于矛盾的解決，大部分矛盾都可以借助已有的模式思維去解決，研究沖突解決理論，可以創造性、有效、科學地解決問題。TRIZ理論將矛盾分為三種：管理矛盾、物理矛盾和技術矛盾，主要研究技術矛盾和物理矛盾[4]。

本文根據TRIZ理論，把產品涉及的技術轉化成標準化的模型，通過39個通用工程參數來具體描述矛盾涉及到的工程參數，并結合矛盾矩陣，根據40個發明原理對應提煉可能的標準化解決方案，為城市挖掘機創新設計提供思路。

2 城市挖掘機功能創新設計中的沖突與解決

TRIZ理論的運用是一個復雜的過程，首先我們在進行產品創新過程中，需要明確亟待解決的問題，找到存在的問題，繼而找到技術矛盾點，再通過矛盾矩陣進行求解，得到創新方法解，最后通過對應40條發明原理進行分析研究，得到解決方案。同時通過模型建立，對其設計的可靠性進行測試等，對方案進行進一步方案的修改與優化。本文主要對城市挖掘機這一具體產品形成的沖突進行研究，利用TRIZ工具對城市挖掘機進行創新設計的流程圖，如圖1。

2.1 闡述現有城市挖掘機存在的矛盾沖突

城市挖掘機主要應用于城市給水工程、市政工程、管線維修工程、天然氣管道鋪設、土木工程、工業建筑（廢料）裝卸、開挖短距離隧道、水利建設、城市拆遷等。目前城市挖掘機仍以履帶式為主，履帶式是挖掘機主要的行走方式，因其接地面積大，在泥濘、濕地等容易陷進去的地方，或者地勢不太平整的地方有很強的優勢，尤其在特殊作業環境中效果很好，比如在礦山或者工況惡劣的地方能勝任，越野能力強，這就使履帶挖掘機可以應用的地方比較廣泛。但在城市使用環境下，挖掘機本身自重較大，另外因履帶是金屬制品，靈活度低，移動性不好，耗能高，最高設計時速才5-7km/h，長距離移動依賴板車，并且履帶傷害城市地面。同時，在市內工程中作業環境相對簡單，對于節能、速度的要求更高一些，初步設想把履帶式環換成輪式，而履帶式挖掘機適用范圍的優勢又受到了限制，形成了矛盾沖突，需要解決。

根據上述問題描述，發現挖掘機在速度/物體耗能上與實用性/多用性存在技術沖突。通過研讀TRIZ中的39個工程參數，將此特定的矛盾沖突問題轉化為一般問題，確定了其中改善的參數涉及1、19、9，惡化參數涉及14、35以及34，本文主要研究改善參數1 9號即運動物體的能量，惡化的參數35號即適用性及多用性。

2.2 解決技術矛盾并確定發明原理

TRIZ理論提供了39個工程參數、矛盾矩陣表和40條發明原理。本文根據城市挖掘機的應用范圍以及實際需求，對比現有的履帶式挖掘即進行分析，并確定改善和惡化的兩個通用工程參數，查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，查詢結果如表1所示，得到對應的解域，其對應的發明原理分別是第15條（動態化）、第1 7條（維數變化）、第13條（逆向思維）和第16條（不足或超額行動），通過對比推敲，設計出了最佳設計方案。矛盾矩陣如表1所示。

當挖掘機把履帶式換成輪式必然面臨著速度變快，消耗能量變低，更節能，但是適用范圍、適應性和多用性又受到了影響，于是產生了技術矛盾。根據矛盾矩陣可得解域為1 5動態化、1 7維數變化、1 3逆向思維、1 6不足或超額行動。

2.3 應用發明原理確定解決思路

第15，1 7，13， 16條發明原理的解釋如表2所示，根據所獲得發明原理逐一提問分析并進行創新提問，尋求領域解[5]。

15、17、13、16解域是矛盾矩陣推薦的共性解決方案。對于城市挖掘機這個具體的設計對象，需要根據實際情況進行進一步的討論。在結合產品設計原則和各個發明原理的內涵，并經過具體分析后，得出1 5號原理的“把物體分成幾個部分，各部分之間可改變相對位置”，17號原理的“將物體從一維變到二維或三維空間”，1 3號原理的“使物體中的運動部分靜止，靜止部分運動”給予了設計靈感，16號相關度不是太高。

城市中目前使用較多的履帶式挖掘機調整成輪式挖掘機，根據15、17、13解域思路，把相對靜止輪子變成可動的，維數上進行調整。

3 城市挖掘機的造型優化設計

傳統的產品創新設計初期需要進行大量的市場調研以獲得老產品使用過程中的不足，并以此為基礎進行創新改造，這種改造性創新顯然滯后，難以適應市場需求的快速發展[6]。本文在TRlZ理論指導下，綜合考慮市政工程中城市挖掘機實際需求的相關因素，做到以市場為導向，結合消費者的審美傾向，對小型挖掘機進行功能與造型相結合的創新設計。

3.1 功能設計

通過分析以及對解域的思考，將履帶式挖掘機換成輪式，并變“靜止”為“運動”，“一維”為“三維”。輪式挖掘機的四個輪子可以行進，是可以運動的部件，但是四個輪子之間相對靜止，彼此之間的距離角度都是固定不變的，又可以認為是“相對靜止”的部分。根據發明原理，打破常規思路，不把四個輪子簡單看作一體的行走工具，而是相對獨立的四個部分，各部分之間可以改變高度、角度位置等。比如，根據坑洼、臺階等特殊場地四輪進行高度以及角度的調節，這樣盡可能使輪式挖掘機適應的環境更多。

輪式挖掘機行對履帶式挖掘機行進速度快，一般時速可達到40—50km/h，機身重量緩解，耗能變低，有效解決了履帶式挖掘機的弊端，更適應城市使用。適應性和多用性因為輪式的使用受到一定影響，但通過高度、角度的調節也有效地解決了這一問題，已基本能夠滿足城市挖掘機日常面臨的特殊工況，如圖2所示。

3.2 外觀設計

此款城市挖掘機設計以問題為導向，結合個性化設計，不是對原有城市挖掘機的簡單包裝，而是從產品形態、品牌logo、肌理、線條、心理感受、作業環境等多因素進行考量。外觀設計不僅僅要有美的形態，還應具備情感性、文化性。此款挖掘機主要應用于城市，應用屬性決定了在外觀設計上既要體現挖掘機本身具有的粗壯、耐用、有力、穩重的特點，也要體現其靈活的視覺效果，所以在外觀造型設計中大量使用曲線造型。

3.3 色彩設計

工程機械不同于一般工業設計產品，色彩還應滿足使用者的精神需求，以及所需品牌的文化企業、合理的色彩，也使產品的“形”更加突出。目前，很多企業也通過色彩來改進設計，形成自己特有的品牌色彩，吸引更多的客戶。此城市挖掘機是以徐工為研究背景，所以在顏色以徐工慣用的黃色和灰色為基調，色彩搭配簡單明快，車身logo印制在挖掘機機械臂上，與徐工系列產品形成統一的視覺效果，凸顯徐工的企業品牌，形成一定的品牌效應。

4 城市挖掘機的設計實現

城市挖掘機的造型設計應用于產品，但是最終服務的卻是用戶人，所以整個設計不論從造型、色彩還是功能完善上更應體現人的需求。本設計力求產品外觀、功能達到技術與藝術的結合。在功能設計上考慮時速/節能，同時滿足多適應性;在外觀上注重粗壯、穩定以及靈活的特點，同時注重色彩對產品的輔助作用，滿足消費者生理與心理多方面的需求。在設計過程中采用CAD/CAE/犀牛電腦技術輔助設計，如圖3所示。

經過整體造型形象設計及多次方案修改，最終設計結果如圖4所示。

5 結語

TRIZ理論可以打破常規設計思維，分析日常生活中遇到的難題，利用新的創新模式去解決問題，縮短創新時間，突破設計瓶頸，保證創新有效性。本文在TRIZ沖突解決理論的指導下，將城市挖掘機行走部件進行重新設計，能夠有效地解決履帶式挖掘機傷害城市地面、耗能、行走緩慢等問題。在解決城市挖掘機市政工程需求的基礎上，提出了較之前產品更為合理及便利的輪式挖掘機結構及外觀上的創新設計方案。

主要結論如下：

1）創新來源于解決問題，消滅沖突，設計不能只停留在表面或者空想上，而是應該從問題出發，從功能出發，從實用性出發，從根源入手解決問題。

2） TRIZ是比較系統的分析方法，與其它理論相比，它可以將問題進行拆解、劃分、歸類，通過體系化的模式、有規律地解決沖突問題[7]。相較其它創新理論較為隨機性和偶然性的激勵方法，TRIZ理論在解決過程規范化、合理化.高效化。

3）與以往單純從外觀對產品進行創新設計不同，本文不僅僅關注造型和色彩，而是更著重于從問題出發，從城市挖掘機的實際需求出發，對問題進行科學理性分析，引入TRIZ理論科學地引導創新，從多個解域思考問題的解決方案，靈活運用最恰當、最直接有效的TRIZ工具解決問題。從本文中可知，在對城市挖掘機進行創新設計時首先要分析目前城市市政工程中常用挖掘機有哪些問題，有哪些問題以及迫切需要什么功能。結合39個工程參數，矛盾矩陣表和TRIZ理論40條發明原理得出解域，在得出解域的基礎上通過分析、對比、推敲得到理想解即最佳解決方案。經研究探索，在對工程機械進行創新設計時，TRIZ理論是有效的，且是有針對性和方向性的，是科學、理性、高效的設計方法，能為設計師提供方便快捷的方式，解決設計難題。該模型的建立將提高機械結構設計中矛盾的解決效率，促進制造業的發展[8]。

4）在設計過程中，在對城市挖掘機進行創新設計時，利用TRIZ理論相對其它創新方法來說更能提供明確的解決目標和方向，更具有實際意義。當然，設計師想要得心應手地應用TRIZ工具對產品進行創新設計，還需要不斷努力摸索，深入研究及積累一定的經驗。

參考文獻

[1]曹國忠，張曙，解秋蕊，基于沖突解決理論的產品造型設計方法研究[J]，包裝工程，2018，39（14）：1-7.

[2]齊瑞文，楊明朗，黃婉春.TRIZ創新理論在臥式卷煙包裝盒設計中的運用[J].包裝工程，2006，27 （1）： 140-141，161.

[3]張建敏，王建偉，楊勤，等，基于TRIZ理論的手扶式旋耕機造型設計研究[J]，包裝工程，2019，40 （04）：133-139.

[4]韓衛國，蘇顏麗，李輝，等.基于TRIZ沖突解決理論的抽油煙機創新設計[J].機械設計，2016，33（11）：114-117.

[5]趙榮麗，成思源，李克天，等，基于TRIZ沖突解決理論的平板電腦包裝創新設計[J].包裝工程，2012，33 （04）：39 -42.

[6]陳剛，孫金紅，孟為國，等.基于用戶需求分析的手扶微耕機設計方法[J]，機械設計，2016，33 （11）：7-12.

[7]胡正銀，方曙，張嫻，等.個性化語義TRIZ構建研究[J|，國書情報工作，2015，59 （07）：123- 131.

[8]張魏，任工昌，張強，等.TRIZ與情景分解法在換刀機械手設計中的應用[J].制造技術與機床，2018，（11）：53-57.