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《工程設計學報》2014年第四期

1基于理想解－裁剪法的產品創新設計策略

1．1系統裁剪法在明確了系統問題存在的部位和改進方向之后，利用系統裁剪法對產品進行裁剪、修整，使其更加簡潔、方便或者高功效，或者說使其更加理想化．在TRIZ理論中，對系統裁剪法是這樣定義的：通過裁剪系統的某個組件，然后把該組件提供的有用功能重新分配到其他剩余的組件上，來改善技術系統［9］．通常在實施系統裁剪法工作前，要分析系統組件間的關系，包括有用功能、有害功能和不足功能等，建立該系統的功能模型；緊接著以組件功能對系統的重要程度為依據，把組件功能劃分為輔助、基本和主要三個功能等級；最后在綜合考慮功能類型、功能等級和組件成本的基礎之上判斷組件是否存在問題．要始終做到分析的時候從功能入手，裁剪的時候從組件入手．在對系統進行功能分析以后，依據由理想解確定的系統問題存在的部位和改進方向，利用如下4種系統裁剪法的具體實施方法：1）若沒有動作接收者，則動作接收者也就不需要動作提供者的作用，那么動作提供者可以裁剪掉；2）動作接收者能自我完成動作提供者的功能，動作提供者可被裁剪掉；3）技術系統或者超系統中其他的組件可以完成動作提供者的功能，動作提供者可被裁剪掉；4）技術系統的新添組件可以完成動作提供者的功能［10－11］．對系統問題進行消除，提高系統的理想度，從本質上使系統更加接近其理想解．

1．2產品創新設計策略流程綜上所述，首先借助理想解找到系統問題存在的部位和改進的方向，其次對系統進行功能分析找出造成系統問題的問題組件，最后利用系統裁剪法把有問題的組件裁剪掉，達到消除系統問題的目標．基于理想解－裁剪法的產品創新設計策略流程圖如圖1所示．

2水面油污清潔器的需求分析

現有水面油污清潔器主要由泄漏原油收集裝置、油水混合液儲存裝置和油水混合液分離裝置組成．由于水面油污清潔器的質量和體積較大，通常只能安裝在載重噸位較大的船只上或者安放在岸邊．處于工作狀態的水面油污清潔器，首先利用清油船上的回收裝置把泄漏原油收集儲存起來，然后再通過油水分離器對油水混合液進行分離，最終實現回收泄漏到水里的原油的目標．但是，當水面上發生原油泄漏事故時，需要救援人員在最短的時間內把原油泄漏事故造成的損失降到最低，這就要求水面油污清潔器要方便運輸，對正常工作時的海況要求低且工作效率高．現有水面污清潔器比較笨重，明顯達不到這樣的要求，不能很好地滿足市場的需求．

3現有水面油污清潔器的理想解確定

對水面油污清潔器進行需求分析之后，可以從增加水面油污清潔器的有用功能總依據提高水面油污清潔器理想度公式（2），進行以下3個方面的實施：1）降低成本，充分利用內部或外部已存在的、可利用的資源；2）減少有害功能的數量，盡量剔除那些無效、低效、產生副作用的功能；3）降低有害功能的級別，預防和抑制有害功能產生，或將有害功能轉化為中性功能．確定水面油污清潔器的理想解為：改進后的水面油污清潔器要達到工作效率高、工作安全性好、制造成本低、自身質量小、工作環境適應性強和攜帶運輸方便等．以水面油污清潔器的理想解為衡量的標準，經考察發現現有的水面油污清潔器由于系統冗余問題導致工作流程復雜、工作安全性低、對工作環境要求高、自身質量大和搬運困難等問題．

4現有水面油污清潔器的功能分析

水面油污清潔器的主要功能是回收水面上泄漏的原油，有害的功能是使用的環節比較復雜，容易摻雜進來空氣，操作過程中的穩定性降低．為了消除現有水面油污清潔器存在的問題，通過對現有的水面油污清潔器進行組件功能分析，依據其各個組件的功能，建立水面油污清潔器的組件功能模型，如圖2所示。在對現有水面油污清潔器的組件功能分析之后，可以匯總出包含圖2中關鍵組件的功能、功能對象、功能類型、功能等級系數和組件成本等級系數的列表（見表1）．其中，功能等級系數和組件成本等級系數都分為1～10十個等級，等級系數越大，代表該組件的功能越重要，成本越大．依據表1中的信息，利用組件價值工程計算方法進一步確定影響提高水面油污清潔器理想度的問題組件。

5基于裁剪法的水面油污清潔器的改進

根據組件價值工程的計算方法，組件價值系數為組件的功能系數與成本系數的比值，其數學表達式為由表2確定現有水面油污清潔器的渦輪組件和混合液貯存器組件的價值系數小于1，存在比較明顯的問題，是需要重點改進的系統組件，其余系統組件的價值系數均大于1，可以暫時不作為改進的對象．接下來，將選擇這2個組件作為主要的裁剪研究對象．

5．1渦輪的裁剪渦輪作為輔助油、水混合液進入收集口的組件，它雖然加快了油、水混合液進入收集口的速度，但同時也造成大量的空氣摻雜進被渦輪攪動的油、水混合液中，最終使得水面油污清除裝置內部組件的腐蝕速度加快，縮短了水面油污清潔器使用壽命．利用系統裁剪法的第3條：“技術系統或者超系統中其他的組件可以完成動作提供者的功能”，把渦輪裁剪掉．實施原理如圖3所示．渦輪被裁剪掉后，工作時的水面油污清潔器就會出現油、水混合液進入收集口速度緩慢的現象，也就是收集口對油、水混合液收集的有用作用不足．利用物－場模型分析法對該問題進行分析．物－場模型分析法是TRIZ理論中一種重要的發明問題分析工具，它將所有的功能分解為3個基本要素：2種物質和1種場，3種基本要素相互作用，可以簡潔描述和分析問題，并且可以采用76個標準解進行求解．經過分析之后，可以構建由收集口、機械場1和油、水混合液組成的該問題的物－場模型，如圖4所示。從圖4問題物－場模型中可以看出，物－場模型中的3種基本要素都存在，這是一個完整的模型；但是收集口對油、水混合液的作用不足，不能快速有效地讓油、水混合液進入油、水分離腔，因此，這是一個非有效完整的物－場模型．針對效應不足的物－場模型，76個標準解當中的第2級標準解可以對其直接進行改善，能夠提升油、水混合液進入收集口的速率并且不增加（或較小增加）水面油污清潔器的復雜性．通過對76個標準解的查找，發現如下的標準解：S2．1．1如果必須強化物－場模型，可以通過將物－場模型中的一個元素轉化為一個獨立控制的完整模型，形成鏈式物－場模型．利用該標準解就可以解決物－場模型存在的效應不足問題，如圖5所示．在鏈式物－場模型的引導思考下，發現每當海面上發生石油泄漏事故，救助人員首先要利用傳統的圍欄對泄漏原油進行合圍處理，防止其進一步擴散，然后才開展其他相應的救助工作．改進后的水面油污清潔器采用了可自動收緊的新型圍欄裝置代替不能自動收緊的傳統圍欄．工作時，改進后的水面油污清潔器通過可以自動收緊的特殊結構的新型圍欄來驅使油、水混合液加速進入油水分離器的入口即收集口，利用新型圍欄的自動收緊力替代渦輪旋轉的有用功能，這樣就很好地避免了由于渦輪旋轉而造成油、水混合液中夾雜氣泡的不安全因素出現．

5．2混合液貯存器的裁剪混合液貯存器在水面油污清潔器這個技術系統中主要負責把經過收集口收集來的油、水混合液和少量的氣體進行短暫的貯存之后，傳送給清油船上或岸邊的油水分離器部分．在貯存的過程中可以排出油、水混合液中摻雜的少量空氣，減少水面油污清潔器工作過程中的不安全因素．雖然混合液貯存器在該技術系統中起積極、有益的作用，但是它的防泄漏要求較高，造成整個技術系統的成本增加，不方便大批量的制造和利用．利用系統裁剪法的第2條：“動作接受者能自我完成動作提供者的功能，動作提供者可被裁剪掉”，可以有效降低現行的水面油污清潔器的成本．實施原理如圖6所示．改進后的水面油污清潔器裁剪掉了混合液貯存器，油、水混合液經收集口直接進入油水分離器的分離腔，由于油水分離器的收集口在油、水混合液的液面以下，可以有效地避免空氣的摻雜．這樣在降低水面油污清潔器成本和質量的同時也提高了該技術系統工作時的安全性．

6新型水面油污清潔器

通過利用理想解和系統裁剪法對水面油污清潔器進行改進設計之后，減小了水面油污清潔器體積和質量，將水面油污清潔器與船體“一對一”的工作方式轉換成了“一對多”，間接地降低了船體的成本等級系數．對比改進前后水面油污清潔器的理想度：改進前的理想度為。改進后的水面油污清潔器主要由新型圍欄，電動回收裝置，收集口，離心式油、水分離裝置和儲油桶六個部分組成．整個技術系統中只有儲油桶部分是安放在儲油船上的，其他部分全都漂浮在有油污的海面上．由于油、水分離器的收集口位于水面下方，油、水混合液依靠自重和電動圍欄收緊帶來的擠壓力進入分離室，利用離心作用來加快油、水的分離．最后通過分離室底部的波輪上升來依次排出油液和海水．水面油污清潔器的外觀簡圖如圖8所示．

7結束語

本文在“發明問題解決理論”的基礎之上，提出了一種基于理想解－裁剪法的產品創新設計策略，并應用該策略對現有水面油污清潔器依次進行需求分析、功能分析與匯總之后，成功地裁剪掉了存在問題的水面油污清潔器組件，提升了水面油污清潔器的理想化水平．此外，對新型水面油污清潔器的具體結構進行了簡單設計，使其結構更加緊湊，自動化程度更高，可以更加高效地處理海上石油泄漏事故，減少環境污染帶來的危害．

作者：王偉李文強李彥陳喜辛越峰單位：四川杰士裕豐農業科技有限公司