基于TRIZ裁剪法的产品简化设计

柏长升 张培德

摘要：TRIZ理论中的裁剪法结合功能分析、资源分析、物场分析等多种工具，来分析和解决技术问题，是降低成本、简化系统的重要工具。本文在讨论裁剪法的基础上，结合电压力锅沸腾模式的创新设计，阐明裁剪法的具体应用。

关键词：TRIZ；裁剪法；简化设计；降低成本

引言

降低成本是每个设计人员必须面对的课题，本文回顾了依据裁剪法流程对电压力锅沸腾模式进行创新设计的过程，其方案已应用到产品上，降低了成本，取得了一定的经济效益。

1 功能分析

功能：某组件（或子系统）改变或者保持另外一个组件（或子系统）的某个参数或状态的行为。

功能分析是从完成功能的角度分析系统，对研究对象的功能进行分解，分析系统和超系统组件的功能、特点及其成本。

2 裁剪法

裁剪：将一个或多个组件去掉，而将其执行的有用功能利用系统或者超系统中的剩余组件来替代；其目的是提高系统理想度。

3 资源分析

资源：指问题所处环境中存在的物体、信息、能源或者材料的属性。TRIZ特别强调被忽视的免费或廉价资源的利用。寻找资源的顺序：系统内部资源--系统外部环境的资源--超系统的资源。

4案例分析

4.1 问题分析

4.1.1、项目基本信息

（1）系统实现的功能：高压煮饭

（2）系统存在的问题：全密闭系统，米饭不沸腾而发灰（不够亮白）

（3）问题出现的条件和时间：煮饭过程中有压力的那段過程

（4）现有方案及其缺点：用电磁铁驱动限压阀间歇排气，成本高，结构复杂，且要连线到锅盖，导致锅盖不可拆洗

（5）对系统的要求：简单可靠成本低

（6）系统的工作原理：钢盖扣合外锅并与内锅、密封圈组成密闭系统，发热盘加热内锅使水蒸发而产生压力，压力驱使外锅产生弹性形变，驱动压力开关（位移传感器）来停止加热而控制压力。

4.2、功能分析

4.2.1 系统定义：

考虑到我们的目标是如何控制压力、实现沸腾，把系统的范围缩小为“蒸煮压力控制系统”，与蒸煮压力控制相关的组件是系统组件，其他组件是超系统组件。

研究系统的状态：设定在锅内有压力的状态，内锅的上方充满水蒸汽。

4.2.2 目标定义

本课题设定电压力锅是用来蒸煮米饭的，其目标是米饭的前身：米水混合物；

要实现的功能是让米水混合物沸腾翻滚，同时与大气连通，达到米饭亮白的效果。

4.2.3 组件分析，列结构表，如下表1：

4.2.4 组件相互作用分析，分析是否接触（是否发生作用），列示意图，如下图2

4.3 创新设计

4.3.1、裁剪

裁剪掉导致系统复杂、成本高的电磁铁和

顶部感温包，再从系统内部或超系统寻找

能替代其功能的组件；

4.3.2、资源分析法

水蒸汽驱动限压阀的功能不足，是水蒸汽的压力不够；

该系统里对限压阀的作用力有重力、钢盖的支撑力、水蒸汽压力；

根据受力分析，重力是向下的力，钢盖的支撑力和水蒸汽压力是向上的力，只有向上的力大于向下的力，才能把限压阀抬起来，限压阀离开钢盖而排气；钢盖的支撑力是改变不了的，只有提高水蒸汽压力；

根据气体方程PV=nRT，要提高压力，必须提高温度；

又根据压力计算公式F=P*S，G=mg，F>G才能把限压阀抬起来排气，实现锅内沸腾，这样可以计算出所需要的压力P沸，然后设定沸腾模式：在压力开关跳断后再加热一定的时间，让锅内压力达到设定的P沸，实现排气沸腾；一段时间后停止加热，因发热盘的热惯性，电压力锅沸腾一段时间后停止沸腾，然后再继续加热到P沸，如此循环，直到沸腾时间结束。

4.4 概念验证

4.4.1、问题测试：

按上述方案测试，电压力锅沸腾煮饭时主要存在不沸腾或沸腾过度而喷水的问题，情况如下：

（1）在2杯以上4杯以下米量煮饭时，过程有喷气；5杯以上不喷气；

（2）在1-2杯米煮饭时，有喷水现象；

4.4.2、问题分析：

先排除假故障，确定是否设计问题：即分析实际组件参数是否符合设计要求：

包括限压阀重量、压力开关跳断时压力、感温包精度、程序控制模式是否复合设计要求。

经测试，仅程序控制模式有问题：沸腾阶段要求排气5分钟，实际排气14分钟。

4.5次级问题改进

4.5.1、明确问题：

出现在沸腾阶段，小米量时沸腾过度导致喷水，大米量时沸腾不够，导致米饭不均匀。

4.5.2、问题分析：

这显然不是技术矛盾，也不是物理矛盾，是系统可控性不足；

查表，采用76个标准解中的2.4.7，利用自然现象或物理效应，来增强物场模型；

4.5.3、资源分析

在电压力锅煮饭沸腾阶段，存在的物理效应资源有：

（1）负温度系数热敏电阻：温度越高，电阻越小

（2）水的饱和水蒸汽压与温度有对应关系，如下表3：

4.5.4、方案思路：

饱和蒸汽压与温度有一一对应关系，在100-120℃范围内，1 ℃ 大致对应5kPa（因为温度精确到1 ℃ 已能满足电压力锅温度精确控制要求，所以取1 ℃ 对应5kPa 是可行的）。

目前产生的设计问题是沸腾控制不足，是因为采用固定的再加热时间（压力开关断开后再加热一段时间），这样难以满足不同的米水量和不同的环境温度，因为不同的米水量在压力开关跳断时其温度是不一样的，发热盘的热惯性对不同米水量的影响也是不一样的，但把限压阀顶起的压力（温度）是一样的；因此，增加温度场信息，利用现有底部感温包，优化方案如下：

在压力开关跳断时，检测此时的底部感温包温度T，在此基础上再加热到（T+ 8 ℃），就停止加热，底部感温包温度下降到（T+ 4 ℃）时，再恢复加热，如此循环，直到沸腾时间结束。

分析：压力开关的跳断压力是55-60kPa，限压阀的排气泄压压力为90±10kPa，这样两者之间最小压力差为20kPa，等效为4 ℃，最大压力差45kPa，等效为9 ℃，但为了防止感温包精度偏差，取8 ℃。

4.6落地验收

煮饭测试结果：有效沸腾，没有喷水现象；经批量验证，均复合标准要求，设计达到预期目标。

然后申请专利，申请号为CN201510992062.X

5小结

在实际运用中，为解决降低成本、简化产品的技术难题，首先要进行功能分析，建立功能模型，然后用裁剪法，裁剪掉成本高、复杂的组件，再结合资源分析、矛盾理论、物场分析及标准解等工具，其中最密切相关的是资源分析法，因为裁剪法要求裁剪组件后，将其执行的有用功能利用系统或者超系统中的剩余组件来替代，从而必须用到资源分析法，寻找可以替代的组件；初学者是在问题分析前就列出系统内外资源，这样未必能列全，有些资源也未必有用，如果在问题分析和裁剪后，针对要实现的功能，再去有针对性地挖掘资源，效果更佳。

参考文献：

[1]孙永伟，谢尔盖·伊克万科，TIRZ打开创新之门的金钥匙，科学出版社，2015.11

[2]卡伦·加德，TRIZ---众创思维与技法，国防工业出版社，2015.9

[3]赵敏，张武城，王冠殊，TRIZ进阶及实践---大道至简的发明方法，机械工业出版社

[4]韩彦良，基于TRIZ理论裁剪法的产品创新设计，制造业自动化，2013-01（上）

[5]于菲，石卫刚，面向新产品概念设计优化的裁剪方法研究，科学技术与工程，2017年1月