张金玲 潘曼 陈浩 孙泽成

摘 要： 以静电衣物除尘器设计过程为例，分别从问题描述、系统分析、运用TRIZ工具、技术方案整理与评价四方面介绍TRIZ理论在创新设计中的应用。实践证明，TRIZ理论能够帮助人们多角度分析问题，揭示问题的本质，找到解决问题的方法，有利于培养学生的创新思维，开发出更多创新产品。

关键词： TRIZ； 创新设计； 静电衣物除尘器

中图分类号： TP 472 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）02-0098-04

1 问题描述

TRIZ理论是由前苏联发明家G.S.Altshuller在1946年提出的，主要用于解决实际问题，特别是发现问题，进而实现（技术和管理）创新[1]。它是一种方法学，特别适用于解决工程技术领域的问题。在人们日常生活中离不开衣物除尘装置，目前人们使用的衣物除尘装置多采用粘尘纸、粘毛器、滚刷、毛刷等，这些产品大都需要与衣物直接接触，在吸附灰尘后清洁也颇为困难，极易造成二次污染。对于质地柔软、高档精薄面料的衣物，这些产品就显得不太适宜了。本研究设计的静电衣物除尘器能很好地解决这一问题，它可以不接触衣物靠静电吸附来去除灰尘。本文以静电衣物除尘器的设计为例，详细阐述TRIZ理论在创新设计中的具体应用，以便于人们加深对TRIZ理论的理解。

2 系统分析

2.1 系统完备性法则

任何一个技术系统要实现某项功能的必要条件是：在该系统中一定包含4个相互关联的基本子系统，即动力装置、传输装置、执行装置和控制装置。整个系统需要从能量源接受能量，再由动力装置将能量转换成技术系统所需的使用形式，传输装置将能量传输到执行装置，按照执行装置的特性进行调整，最终作用于产品上[2]。分析过程如图1所示。

2.2 多屏幕法

多屏幕法是系统化的创新思维方式，是一种分析问题的手段，可以更好地帮助使用者质疑和超越常规，克服思维定势，为解决生活和工程中的疑难问题，提供清晰的思维路径。练习多屏幕思维方式，可以锻炼人们的创造力，提高人们解决问题的能力。具有可操作性、实用性强的特点。如图2所示，利用九屏图多层次、多方位地分析了除尘器的系统状况，以便更好地找到解决问题的方法。

2.3 生命曲线分析

每个技术系统都要经历婴儿期、成长期、成熟期、衰退期。 S-曲线完整地描述了一个技术系统中从孕育、成长、成熟到衰退的变化规律的曲线。随着时代的进步，人们越来越重视生活品质的提高，而穿着则是生活品质提高的重要体现。一般衣物除了定期清洗外，还需要日常对衣物表面进行清理除尘。如果开发一种能减轻人力且尽可能少地损耗衣物的除尘器，一定会受到人们的欢迎。因此，静电衣物除尘器应处于生命曲线的成长期和成熟期的交汇处，如图3所示。

3 运用TRIZ工具解决问题

3.1 最终理想解

40个发明原理是运用TRIZ解决问题的基本方法。首先将一个待解决的实际问题转化为问题模型，然后针对不同的问题模型，应用不同的TRIZ工具，得到解决方案模型；最后将这些解决方案模型应用到具体的问题之中，得到问题的解决方案。在除尘器设计过程中，最终目标是去除衣物表面灰尘，最理想化最终结果是实现易操作、节省人力、不损坏衣物表面。在实际工作中除尘器需要与衣物直接接触，出现这种情况的结果是除尘器工作效率低下。避免出现这种情况的条件是，利用电能产生电场，采用静电吸附的工作原理进行除尘工作。在追求最终理想解的过程中，可将实际问题转化技术矛盾和物理矛盾两种问题模型[3]。

3.2 技术矛盾

为了适应各种除尘表面，需要静电衣物除尘器具有功率可调功能。这样不仅能达到高效除尘的效果，还能减少电能消耗。但这样会使静电衣物除尘器整体机械结构设计趋于复杂，转化为TRIZ理论中的标准工作参数是适应性、通用性和系统复杂性之间的技术矛盾，在矛盾矩阵中查到上述冲突的原因，如表1所示。

表1中：数字15为动态原理（使不动的物体成为动的）；29为气压和液压结构原理（用气体结构和液体结构代替物体的固体的部分）；37为热膨胀原理（利用材料的热膨胀（或热收缩））；28为机械系统代替原理（用电场、磁场和电磁场同物体相互作用）。

经过对比，选择代替原理28. 机械系统代替原理作为解决办法。原本除尘轮转速调节需要有减速器机械结构，现在引入单片机控制电机输出转速，用电磁系统代替机械系统，达到提高静电衣物除尘器通用性的同时，简化系统结构的目的。

3.3 物理矛盾

在考虑到静电衣物除尘器应该具有长时间工作的能力，故需要较大的灰尘存储空间和以电池为核心的电路控制系统，这要求静电衣物除尘器具有较大的体积，但是为了便于日常使用，静电衣物除尘器应具有较小的体积。所以采用空间分离的方法，应用嵌套原理作为解决问题的方法。将除尘轮做成空心，将电路控制系统（包括电机、电芯、单片机等）整体封装于密封装置中，并将其安放在除尘轮内。

4 技术方案整理与评价

4.1 全部技术方案及评价

4.1.1 能适应各种工作表面的除尘器

方案一：传统的粘贴式衣物除尘器在除尘工作时费时费力，而且对衣物表面有较大的损伤。

方案二：市面上有一种自摩擦静电式衣物除尘器虽然能提高除尘效率，但依然需要与衣物直接接触，不适用于精薄面料的衣物除尘。

运用TRIZ发明解决原理1分割原理得到如下方案：

方案三：通过将传统的静电式除尘器的起电工序与除尘工序分离的方法，由电机驱动除尘轮转动，除尘轮与摩擦棒接触，通过摩擦使除尘轮产生静电，当转至工作面，除尘轮不需直接接触衣物就可吸附上面的灰尘，之后除尘轮又转入外壳以内，与内部的除尘刷接触，从而实现产生静电与除尘分割开来。

经过对比，方案三可实现各种材质衣物表面的除尘工作，且不伤衣物。

4.1.2 根据衣物清洁难易程度可输出不同功率的除尘器

方案一：采用齿轮减速机械传动结构，设计简单，但结构复杂，且结构整体体积较大。

方案二：采用降压直流电机，易于调整电机输出转速，但电机成本较高。

运用表1中的28机械系统的代替原理得到如下方案：

方案三：引入单片机作为电路控制中心，通过单片机调整电芯输出电压，进而改变输出功率。

经过对比，方案三不仅极大地简化了静电衣物除尘器内部的转速调节机构，而且节约空间。

4.1.3 体积尽量小巧，力求便携、实用

方案一：传统的解决方法是缩小马达、电芯以及机械机构的体积，但是却会极大地提高制造成本。

运用TRIZ理论中的嵌套原则得到如下方案：

方案二：将电芯、控制芯片以及电机等电控元件整体封装，通过螺纹连接与外壳连成一体，并设置在除尘轮内。

经过对比，方案二通过将电路系统整体封装于密封装置中，并放置在空心的除尘轮内，既提高了静电衣物除尘器整体的集成性，又缩小了装置的体积。

4.2 最终确定方案

综合以上缺陷，利用TRIZ理论设计了以下这款新型静电衣物除尘器。

4.2.1 组成及结构

如图4所示，静电衣物除尘器由以下各部分组成：外壳1，除尘轮2，摩擦棒3，清洁门4，除尘刷5，电芯6、电机7、控制芯片8，端盖9，调速开关10，电源指示灯11，充电插孔12，密封装置13。组装后如图5所示。图5中，装置最外层是外壳，外壳包裹着除尘轮，除尘轮一端嵌入壳体，另一端与电机相啮合，它是用以在工作中依靠静电吸附灰尘；摩擦棒一端嵌入端盖，另一端嵌入外壳内，它与除尘轮相接触，工作时除尘轮在电机的带动下旋转，与摩擦棒接触通过摩擦使除尘轮带上静电；在壳体背面有清洁门，它是用来储存和清理除尘刷刷下来的灰尘；在清洁门打开一侧，装有可拆卸除尘刷，用以刷去除尘轮上粘附的灰尘；除尘轮内部是密封装置，装置内设有电芯、电机、控制芯片等电器元件，电芯采用18650电芯，控制芯片是51单片机，该芯片能调整电芯的输出电压，电机是直流电机，随着输入电压的不同，可以输出不同的转速，它们被封装在一起并与外壳通过螺纹连为一体；壳体靠近手柄处，还设有控制除尘轮转速的调速开关以及电池使用状态指示灯，手柄末端设有充电插孔。

4.2.2 工作原理

在装置工作时，首先打开手柄处的调速开关，然后根据除尘表面情况选择合适的工作档位，控制芯片通过控制电芯的输出电压，从而控制电机转速，电机通过键连接带动除尘轮旋转，与摩擦棒通过摩擦产生静电，与外部工作面靠近时，由除尘轮上的静电吸附衣物上的灰尘，之后除尘轮转入外壳内部，与除尘刷相接触，刷掉除尘轮上的灰尘，并暂时储存在由清洁门和外壳组成的储灰槽中。这样装置完成了一次工作循环，之后除尘轮继续旋转，进行下一次的工作循环。

5 结束语

把TRIZ理论应用于产品创新设计[4]，有助于人们分析问题情境，快速发现问题本质或矛盾，能够准确确定问题探索方向，突破思维障碍，打破思维定势，以新的视觉分析问题、解决问题[5]。静电衣物除尘器的设计成功的运用了这一理论，使其达到了预期的技术要求，同时简化了我们的设计过程。

参考文献：

[1] 孙峰华，王亮申，顾九春. TRIZ研究的历史现状及前瞻[J]. 鲁东大学学报，2010，26（1）：79-86.

[2] 韩博. TRIZ理论中技术系统完备性法则的应用研究[J]. 技术与市场，2014 21（4）：34-35.

[3] 周永清. TRIZ中矛盾理论及应用[J]. 科学与管理，2010（3）：15-17.

[4] 胡艳莹，师忠秀，吴艳芹，等. 基于TRIZ的机械产品创新设计方案的确定[J]. 机械工程师，2006（9）：94-96.

[5] 赵敏. TRIZ入门及实践[M]. 北京：科学出版社，2009：前言.

（责任编辑：徐兴华）