基于物質(zhì)——場分析的油煙機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(gè)重要的問題構(gòu)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(shè)計(jì)人員提供解決問題的方向。同時(shí)，結(jié)合應(yīng)用物質(zhì)-場對系統(tǒng)功能分析的結(jié)果，參考76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，為設(shè)計(jì)者產(chǎn)生創(chuàng)新思維創(chuàng)造條件。

本文以油煙機(jī)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(gè)方面對油煙機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 功能分析

2.1 功能定義

功能是價(jià)值工程研究的核心問題。顧客在購買產(chǎn)品時(shí)，買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品的功能。在設(shè)計(jì)科學(xué)的研究過程中，人們也逐漸認(rèn)識到產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往首先由工作原理確定，而工作原理構(gòu)思的關(guān)鍵，是滿足產(chǎn)品的功能要求。產(chǎn)品時(shí)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(gè)要素組成，分別是目標(biāo)、工具和場。技術(shù)系統(tǒng)的功能模型可以用一個(gè)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(shí)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(biāo)，S表示工具。F代表“場”，是使S和S相互作用以實(shí)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(jī)械場、熱場、化學(xué)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(shè)計(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)-場功能模型。一個(gè)系統(tǒng)往往包含多個(gè)功能，需要建立每個(gè)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(gè)元素都存在，且都有效，是設(shè)計(jì)者追求的效果；

(2)不完整系統(tǒng)：組成功能的三個(gè)元素中部分元素不存在，需要增加元素來實(shí)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(gè)元素都存在，但設(shè)計(jì)者所追求的作用未能完全實(shí)現(xiàn)，如產(chǎn)生的力不足夠大、溫度不足夠高等，需要改進(jìn)以得到期望的效果；

(4)有害完整系統(tǒng)：功能中的三個(gè)元素都存在，但產(chǎn)生與設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4 76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解

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

(1)物質(zhì)-場的構(gòu)建和拆解：13種標(biāo)準(zhǔn)解；

(2)改進(jìn)系統(tǒng)物質(zhì)-場：23種標(biāo)準(zhǔn)解；

(3)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換：6種標(biāo)準(zhǔn)解；

(4)檢測與測量：17種標(biāo)準(zhǔn)解；

(5)簡化與改進(jìn)的策略：17種標(biāo)準(zhǔn)解。

應(yīng)用物質(zhì)-場模型變換方法時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建物質(zhì)-場模型，分析模型存在的問題，然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法尋求實(shí)際問題的解。

5 油煙機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

隨著人們生活水平的不斷提高，吸油煙機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，油煙由風(fēng)機(jī)提供的離心力經(jīng)油網(wǎng)吸進(jìn)來，從上面的排煙管排出去。風(fēng)機(jī)部分是吸油煙機(jī)的核心部件，決定吸油煙機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、工作效率等整體性能，同時(shí)油煙氣體在風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲，使人感到不適?，F(xiàn)應(yīng)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(jī)的總功能為“吸走油煙”。

5.2 功能分解

油煙機(jī)的總功能可以分解為“過濾油煙”，“吸入油煙”，“排出油煙”三個(gè)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(fēng)機(jī)、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(jìn)功能模型確定

從圖4可以看出，系統(tǒng)的主要功能是由風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使內(nèi)部形成負(fù)壓，以吸入和排出油煙。有害功能是風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，以及油煙氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲，影響人們身體健康。其振動(dòng)和噪聲由于風(fēng)機(jī)的工作原理不易徹底解決，只能通過改進(jìn)設(shè)計(jì)部分解決。

在“吸排油煙”的物質(zhì)-場模型中，S=油煙，S=風(fēng)機(jī)，F(xiàn)=機(jī)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(shí)，又產(chǎn)生了有害功能“振動(dòng)噪聲”。

5.5 標(biāo)準(zhǔn)解分析

在TRIZ的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中選擇適用于該特定問題的標(biāo)準(zhǔn)解，由于此問題中同時(shí)存在有用及有害功能，可應(yīng)用第一類標(biāo)準(zhǔn)解的1.2“消除或抵消有害作用”來解決問題。結(jié)合吸油煙機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)解1.2.2（NO.10）和1.2.3（NO.11）。

標(biāo)準(zhǔn)解1.2.2（NO.10）：當(dāng)前設(shè)計(jì)中同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)解1.2.3（NO.11）：有害作用是由一個(gè)場引起的，引入要素S 吸收有害效應(yīng)。

5.6 解決方案

根據(jù)上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，分別得到如下兩種改進(jìn)方案：

方案1：修改S =風(fēng)機(jī)。

吸油煙機(jī)用風(fēng)機(jī)為多翼離心風(fēng)機(jī)，也叫鼠籠式離心風(fēng)機(jī)，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(jìn)入葉輪進(jìn)口截面，以降低流動(dòng)損失和提高葉輪的效率。氣流由集流器進(jìn)入葉輪時(shí)，在集流器背部形成一個(gè)渦流區(qū)，進(jìn)口物流區(qū)域往往影響到葉輪中前盤附近氣流的流動(dòng)狀況，對風(fēng)機(jī)性能的影響不容忽視。集流器的結(jié)構(gòu)型式、位置型式都會對風(fēng)機(jī)性能有很大影響。多翼葉輪時(shí)風(fēng)機(jī)中是旋轉(zhuǎn)部件，對風(fēng)機(jī)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(jìn)口處氣流沿軸向分布不均勻，易形成大渦流區(qū)，是風(fēng)機(jī)損失以及噪聲的一個(gè)主要來源。葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有出口安放角、進(jìn)口安放角、葉片數(shù)、翼型、葉輪寬度等。蝸殼是離心式風(fēng)機(jī)中的一個(gè)重要部件，它起著導(dǎo)流與擴(kuò)壓的作用，蝸殼的形狀直接影響內(nèi)部氣體的流動(dòng)性能，對多翼離心風(fēng)機(jī)的效率、噪聲有著重要的意義。其中的蝸舌部分是整個(gè)蝸殼設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，蝸舌的形狀是影響風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)參數(shù)。

方案2：引入S =消聲裝置或吸聲材料。

在風(fēng)機(jī)的進(jìn)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(jià)

上述兩種設(shè)計(jì)方案均有其特點(diǎn)，可以從可靠性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、可實(shí)現(xiàn)難易程度幾個(gè)評價(jià)指標(biāo)綜合比較，以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

方案1：改進(jìn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)屬于對振動(dòng)噪聲進(jìn)行主動(dòng)控制，從根本上降低振動(dòng)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(dòng)噪聲進(jìn)行被動(dòng)控制，成本相對較低，但可靠性差。

作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該考慮從根本上解決問題，因此認(rèn)為方案1為最終設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)具體的分析計(jì)算，優(yōu)化影響風(fēng)機(jī)性能各設(shè)計(jì)參數(shù)，得到最終的改進(jìn)吸油煙機(jī)產(chǎn)品。

6 結(jié)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(jìn)行了分類，按照符號系統(tǒng)所建立的功能模型可從76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中找出標(biāo)準(zhǔn)解決原理，將原理具體化可得出特定問題的解或新概念。應(yīng)用TRIZ理論可以有效的解決工程領(lǐng)域的創(chuàng)新問題，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)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。

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