徐茂青 馮黔軍

（廣州市紅日燃具有限公司 廣東廣州 510435）

1 引言

物質(zhì)-場模型分析是TRIZ理論中的一個重要的問題構造、描述和分析的工具。在使用物質(zhì)-場模型分析和解決問題的過程中，根據(jù)模型所描述的功能問題的類型來確定問題的性質(zhì)，為設計人員提供解決問題的方向。同時，結合應用物質(zhì)-場對系統(tǒng)功能分析的結果，參考76個標準解，為設計者產(chǎn)生創(chuàng)新思維創(chuàng)造條件。

本文以油煙機產(chǎn)品為研究對象，從產(chǎn)品功能分析入手，采用物質(zhì)-場分析方法，從發(fā)現(xiàn)問題和解決問題兩個方面對油煙機產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計。

2 功能分析

2.1 功能定義

功能是價值工程研究的核心問題。顧客在購買產(chǎn)品時，買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品的功能。在設計科學的研究過程中，人們也逐漸認識到產(chǎn)品設計往往首先由工作原理確定，而工作原理構思的關鍵，是滿足產(chǎn)品的功能要求。產(chǎn)品時功能的載體，功能是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)。

2.2 基于功能的物質(zhì)-場分析模型

所有的功能都可以分解為兩種物質(zhì)和一種場，即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場的三個要素組成，分別是目標、工具和場。技術系統(tǒng)的功能模型可以用一個完整的物質(zhì)-場的三角形來表示，如圖1所示：

其中S和S 代表“物質(zhì)”，是指實現(xiàn)功能的物質(zhì)元素，它們可以是材料、工具、零件、人、環(huán)境等。一般地，S 表示被作用的目標，S表示工具。F代表“場”，是使S和S相互作用以實現(xiàn)功能的能量來源?？梢蕴峁┠芰康膱隹梢杂卸喾N形式，如機械場、熱場、化學場、電場、磁場等。

3 物質(zhì)-場分析模型的建立

按照物質(zhì)-場分析方法，首先建立待設計系統(tǒng)的物質(zhì)-場功能模型。一個系統(tǒng)往往包含多個功能，需要建立每個功能的模型。TRIZ中將功能分為四種基本類型，如圖2所示：

(1)有效完整系統(tǒng)：該功能的三個元素都存在，且都有效，是設計者追求的效果；

(2)不完整系統(tǒng)：組成功能的三個元素中部分元素不存在，需要增加元素來實現(xiàn)有效完整功能，或用一種新功能代替；

(3)無效完整系統(tǒng)：功能中的三個元素都存在，但設計者所追求的作用未能完全實現(xiàn)，如產(chǎn)生的力不足夠大、溫度不足夠高等，需要改進以得到期望的效果；

(4)有害完整系統(tǒng)：功能中的三個元素都存在，但產(chǎn)生與設計者要求相矛盾的有害作用，需要消除有害作用。

圖1 物質(zhì)-場功能模型系統(tǒng)

圖2 四類物質(zhì)-場功能模型

圖3 吸油煙機結構示意圖

4 76個標準解

依據(jù)所建立的物質(zhì)-場功能模型，Altshuller概況出76中標準解法，并分為以下五類：

(1)物質(zhì)-場的構建和拆解：13種標準解；

(2)改進系統(tǒng)物質(zhì)-場：23種標準解；

(3)系統(tǒng)轉換：6種標準解；

(4)檢測與測量：17種標準解；

(5)簡化與改進的策略：17種標準解。

應用物質(zhì)-場模型變換方法時，要根據(jù)實際情況構建物質(zhì)-場模型，分析模型存在的問題，然后依據(jù)標準解法尋求實際問題的解。

5 油煙機產(chǎn)品創(chuàng)新設計

隨著人們生活水平的不斷提高，吸油煙機已經(jīng)成為各家廚房中的必需品。圖3是一種歐式吸油煙機的結構示意圖，油煙由風機提供的離心力經(jīng)油網(wǎng)吸進來，從上面的排煙管排出去。風機部分是吸油煙機的核心部件，決定吸油煙機的風量、風壓、工作效率等整體性能，同時油煙氣體在風機高速運轉過程中產(chǎn)生空氣動力噪聲，使人感到不適?，F(xiàn)應用物質(zhì)-場模型分析法分析并求解該問題。

5.1 總功能定義

定義油煙機的總功能為“吸走油煙”。

5.2 功能分解

油煙機的總功能可以分解為“過濾油煙”，“吸入油煙”，“排出油煙”三個分功能，其中主要功能是“吸排油煙”。

5.3 功能模型建立

上述分功能已是支持功能，可由油網(wǎng)、風機、排煙管等基本部件完成。根據(jù)物質(zhì)-場分析法，得出具體的產(chǎn)品功能模型圖，如圖4所示。

5.4 待改進功能模型確定

從圖4可以看出，系統(tǒng)的主要功能是由風機運轉使內(nèi)部形成負壓，以吸入和排出油煙。有害功能是風機在運轉過程中產(chǎn)生振動和噪聲，以及油煙氣體在風機內(nèi)部運動時產(chǎn)生空氣動力噪聲，影響人們身體健康。其振動和噪聲由于風機的工作原理不易徹底解決，只能通過改進設計部分解決。

在“吸排油煙”的物質(zhì)-場模型中，S=油煙，S=風機，F(xiàn)=機械能，用符號系統(tǒng)表示該功能模型如圖5所示：

圖4 產(chǎn)品功能模型圖

圖5 吸排油煙功能模型

該模型表明，在完成有用功能“吸排油煙”的同時，又產(chǎn)生了有害功能“振動噪聲”。

5.5 標準解分析

在TRIZ的76個標準解中選擇適用于該特定問題的標準解，由于此問題中同時存在有用及有害功能，可應用第一類標準解的1.2“消除或抵消有害作用”來解決問題。結合吸油煙機實際結構特點，可以選擇標準解1.2.2（NO.10）和1.2.3（NO.11）。

標準解1.2.2（NO.10）：當前設計中同時存在有用和有害作用，但是不能添加新的物質(zhì)。通過修改S或S 消除有害作用。

標準解1.2.3（NO.11）：有害作用是由一個場引起的，引入要素S 吸收有害效應。

5.6 解決方案

根據(jù)上述兩個標準解，分別得到如下兩種改進方案：

方案1：修改S =風機。

吸油煙機用風機為多翼離心風機，也叫鼠籠式離心風機，主要包括集流器、葉輪、蝸殼三大部件。集流器的作用是保證氣流均勻的進入葉輪進口截面，以降低流動損失和提高葉輪的效率。氣流由集流器進入葉輪時，在集流器背部形成一個渦流區(qū)，進口物流區(qū)域往往影響到葉輪中前盤附近氣流的流動狀況，對風機性能的影響不容忽視。集流器的結構型式、位置型式都會對風機性能有很大影響。多翼葉輪時風機中是旋轉部件，對風機中能量的傳遞起著主要作用。由于多翼葉輪相對寬度較大，使得在葉輪進口處氣流沿軸向分布不均勻，易形成大渦流區(qū)，是風機損失以及噪聲的一個主要來源。葉輪的結構參數(shù)主要有出口安放角、進口安放角、葉片數(shù)、翼型、葉輪寬度等。蝸殼是離心式風機中的一個重要部件，它起著導流與擴壓的作用，蝸殼的形狀直接影響內(nèi)部氣體的流動性能，對多翼離心風機的效率、噪聲有著重要的意義。其中的蝸舌部分是整個蝸殼設計中的重點，蝸舌的形狀是影響風機噪聲的重要因素，包括蝸舌的圓弧半徑、蝸舌包角以及蝸舌間隙等設計參數(shù)。

方案2：引入S =消聲裝置或吸聲材料。

在風機的進出口處或排煙管內(nèi)加裝消聲裝置或吸聲材料。如蝸舌消聲器、1/4波長共振器、Helmholtz消聲器、微穿孔板消聲器等。

5.7 方案評價

上述兩種設計方案均有其特點，可以從可靠性、結構復雜性、可實現(xiàn)難易程度幾個評價指標綜合比較，以確定最優(yōu)設計方案。

方案1：改進風機結構屬于對振動噪聲進行主動控制，從根本上降低振動噪聲，成本相對較高，但一勞永逸，效果好。

方案2：引入消聲裝置或吸聲材料屬于對振動噪聲進行被動控制，成本相對較低，但可靠性差。

作為產(chǎn)品設計人員，應該考慮從根本上解決問題，因此認為方案1為最終設計方案。再根據(jù)具體的分析計算，優(yōu)化影響風機性能各設計參數(shù)，得到最終的改進吸油煙機產(chǎn)品。

6 結論

TRIZ理論中的物質(zhì)-場模型分析方法提供了功能描述的三元素模型，并對功能進行了分類，按照符號系統(tǒng)所建立的功能模型可從76個標準解中找出標準解決原理，將原理具體化可得出特定問題的解或新概念。應用TRIZ理論可以有效的解決工程領域的創(chuàng)新問題，使產(chǎn)品設計人員迅速找出問題、快速獲得理想的解決方案，大大提高了創(chuàng)新的速度以及創(chuàng)新方式的多樣性。

[1] 檀潤華.TRIZ及應用—技術創(chuàng)新過程與方法[M].北京:高等教育出版社,2010年.

[2] 張建輝,檀潤華,陳子順.采用物質(zhì)-場的功能分析法[J].機械設計與研究,2009,25(1):19-23.

[3] 馬蘇常.物質(zhì)-場模型在H電動車企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的應用[J].商場現(xiàn)代化,2008,(556):142-143.

[4] 戴慶輝,耿翔宇.基于TRIZ的中頻加熱彎管機創(chuàng)新設計研究[J].重型機械科技,2007,(2):14-15,21.

[5] 戴慶輝,耿翔宇.TRIZ理論中物質(zhì)-場的不同應用[J].重型機械科技,2006,(3):7-8,11.

[6] 檀潤華,馬建紅,張瑞紅,張換高.產(chǎn)品設計中的物質(zhì)-場分析[J].工程設計,2001,4(29):207-210.