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家用小型豆浆机采用TRIZ创新理论的改进设计方案

豆浆机是家用小型电器的代表。尽管其种类和功能越来越多,但是在使用原理、外形,尤其是碎豆原理方面,尚缺乏大胆的创新。在知识快速更新的今天,只有将传统创新设计法与科学、先进的设计法相结合,才能提高新产品设计的质量和效率。

基于TRIZ创新理论的家用小型豆浆机的改进设计(图1)

TRIZ 理论就是近年来发展较快的一种创新理论,尤其适合运用于机械工程领域。由于TRIZ方法的先进性,使得原先豆浆机设计的思路方向与最终理想解的偏差得以减小,创新变得容易,比直接利用专业知识求解的效率更高,而且最终解的质量也更高。

一、现今豆浆机优缺点及分析

现今市场上流通的豆浆机种类很多,它们能够方便、快捷、经济地为家居生活提供豆浆,但是通过调查分析,它们仍然存在以下缺点 :

a. 由于其碎豆原理采用的是钝刀技术,因而使用时产生的噪声比较大。

b. 现今豆浆机内部结构复杂,隐蔽角落比较多,不易拆卸,因而不易清洗。

c. 豆浆的制作需要一定量的水,因此有固定的水位线,使得现今产品的容积固定,因而一种豆浆机只能适用于特定数目的人群,即适用面不广。

针对以上的市场分析,主要从碎豆的原理上进行改进,将现今采用的钝刀技术改为研碎效果更好、噪声小的双层研磨技术,并通过改变产品的外形,在不影响其水位线的基础上,使豆浆机的容积可以改变,外形得以简化,从而有效地解决了上述的噪声大、杂质多、适应人群不广、不易清洗等问题。

二、TRIZ 理论简介

TRIZ是前苏联专家在研究了大量专利的基础上所提出的发明问题解决理论。TRIZ 的方法是高效的,它用系统的方法和工具来彻底解决那些常人“看似无法解决的问题”。阿奇舒勒矛盾矩阵、40 个发明原理、物- 场模型分析、76 个标准解法、ARIZ 和科学知识原理库等方法,能帮助我们快速获得创造性的解决方案。TRIZ 理论提出了39 个通用工程参数描述冲突,并进行了编号,分别用No. 1~No. 39表示。实际应用中,首先把组成冲突的双方的内部性能用其中的2 个参数来表示,然后根据技术冲突的特性参数,通过TRIZ 的冲突矩阵,确定相应的发明原理,从而完成该创新设计。

基于TRIZ创新理论的家用小型豆浆机的改进设计(图2)

图1  TRIZ 理论求解模式

本设计应用TRIZ 理论的求解模式如图1 所示,通过对实际问题进行抽象,将实际问题转化为TRIZ的标准问题,再利用TRIZ 工具得到TRIZ的标准解,然后针对实际问题,应用专业知识,将标准解再转化为实际问题的最终解。

三、基于TRIZ 发明矩阵理论的创新设计

现今的豆浆机均是集碎豆、加热、熬香为一体的多功能小型电器。自上而下,本小组设计的豆浆机的配件有机头、杯体、防溢电极、磨盘连接轴、双层磨盘、过滤网罩、加热盘等(整体结构简图如图2所示) 。本小组利用TRIZ 原理,解决了设计所涉及到的技术冲突,并获得了产品设计的最优解(技术冲突解决原理框图如图3 所示) 。

基于TRIZ创新理论的家用小型豆浆机的改进设计(图3)

图2  新型豆浆机结构简图

1.新型豆浆机简图说明

a. 整机高度为275mm , 杯体最大内径为150mm ,最小内径为130mm。

b. 上、下杯体均为双层壁,能改变容积,但2杯体并不分开为两部分,以便安装控制线路。为美观起见,外壁材料选用不透明塑料,整个机器的连接处均采用密封装置。

2.碎豆原理的改进

根据TRIZ 理论,对于本机构,工程参数描述如下。

基于TRIZ创新理论的家用小型豆浆机的改进设计(图4)

图3  TRIZ 技术冲突解决原理框图

 a. 希望改进的特性 :

(1) 时间损失(改进时间的损失是指减少实现此项功能所花费的时间) ;

(2) 可靠性(指系统在规定的方法及状态下完成规定功能的能力) ;

(3) 物体产生的有害因素(是由物体或系统操作的一部分产生的,将降低物体或系统的效率或完成功能的质量) 。

b. 3 种特性的改善将会导致以下特性的降低 :结构的稳定性、可制造性、装置的复杂性。

本设计的技术冲突:

a. 如果缩短该操作完成的时间,必然需要提高碎豆的速率,则结构的稳定性降低。

b. 如果提高该结构的可靠性,则需要增加其安全系数,那么会对部件的体积、质量、材料有更高要求,会增加其复杂性,并且会降低其可制造性。

确定矩阵元素:

a. 技术冲突的特征参数 。

(1) 质量提高的参数———时间损失;

(2) 带来负面影响的参数———可制造性。

b. 由冲突矩阵确定可用发明原理 ,分别为“不对称”、“机械系统的替代”、“抛弃与修复”、“参数变化”。

对“机械系统的替代”、“抛弃与修复”2 种发明原理的分析表明,若要解决豆浆机现有的缺陷,那么原先所采用的钝刀技术是不可行的。因而,我们运用“机械系统的替代”原理,采用双层研磨的机械系统,代替原有的刀片。


双层研磨系统部件尺寸说明(双层研磨系统简图如图2 所示) : 上研磨体直径80mm , 总厚度30mm(上下块体厚度比为5 :1) ,连接轴直径8mm;下研磨体直径60mm ,总厚度35mm(上下块体厚度比为5 :1) ;上下研磨体间距为30mm。

工作流程及分析:

a. 适量的原料自漏斗状导槽进入已经运转的上研磨体,运转速度大约为30r/ min ,经过1~2min的研磨,原料的粉碎率达到65 %~80 %。(天行健咨询一家专注于精益生产管理,六西格玛管理培训咨询与项目辅导的管理咨询公司)

b. 经过上研磨体的粉碎,豆浆以及部分碎豆顺着导槽进入下研磨体,其转速与上研磨体相同,粉碎率为70 %~80 % ,由此可以计算得到本机器的碎豆率为

最小粉碎率= 65 % + 35 % ×70 % = 89. 5 %

最大粉碎率= 80 % + 20 % ×80 % = 96 %。

总工作时间为2~4min。与采用钝刀技术的豆浆机相比,该机构粉碎率较高,因而制作出的豆浆口感较好。

3. 豆浆机的外形结构改进

根据TRIZ 理论,对于本机构,工程参数描述如下。

a. 希望改进的特性:形状(物体外部轮廓或系统的外貌) 。

b. 该特性的改善将会导致以下特性的降低:可靠性、可制造性。

本设计的技术冲突:

a. 如果改变杯体的外形整体性,那么其各部分的连接和密封性能都将会降低。

b. 如果改变杯体的外观整体性,那么其制造难度及复杂性也会上升。

确定矩阵元素:

a. 技术冲突的特征参数。

(1) 质量提高的参数———形状;

(2) 带来负面影响的参数———可靠性。

b. 由冲突矩阵确定可用发明原理 ,分别为“分割”、“预补偿”、“未达到或超过的作用”、“参数变化”。

对“分割”和“参数变化”2 种原理的分析表明,在必须改变杯体形状和保证杯体可靠性的2 个前提下,将整个杯体分割成几个局部或者改变其参数是值得优先考虑的方案。基于此,我们设计了可变容积的杯体,简图如图4 所示。

基于TRIZ创新理论的家用小型豆浆机的改进设计(图5)

图4  可变杯体简图

可变杯体简图说明:

a. 部件尺寸,杯体最大直径为150mm ,最小直径为130mm ,高度为170mm ,壁厚为1. 5mm。其中,上体高度为80mm ,下杯体110mm。为实现其体积可变性,上、下杯体以螺纹连接,连接部分为20mm ,以实现其体积可变性。

b. 为保证机器的密封性,螺纹连接使用密封式螺纹连接。(天行健咨询一家专注于精益生产管理,六西格玛管理培训咨询与项目辅导的管理咨询公司)

豆浆机的杯体以圆柱体为计算模板:杯体最大体积为πR2 ×h = 13 423. 5cm3 ;杯体的最小体积为πR2 ×h = 9 021. 22cm3 。

容积能够改变,其主要的优点是能适应不同家庭、不同人数的使用,扩大了市场的适用范围,降低了成本,减少了原料的浪费。并且由于外形的简单优化,不存在隐蔽角落,容易清洗。

加热盘的优点:

现今豆浆机加热用的加热管类似日常烧开水用的“热的快”,电阻丝包含在金属管里面,壁较薄,使用时,由于浸在水里,管壁经常有水垢和豆浆的残渣,而且由于不工作时加热管暴露在空气中,容易被氧化,使管壁越来越薄,电阻丝容易露出来,从而引发事故。而采用底盘加热,加热元件被严密包起来,既与水隔离,也不存在空气氧化问题,使用寿命比管加热长得多。至于维修,底盘加热实际就是一个包起来的电炉盘,冷却后从底部打开,换根电阻丝,再装好即可。因而选用底盘加热更具优势。

4  家用小型豆浆机采用TRIZ创新理论的改进设计方案结束语

本豆浆机采用了新的工艺,使其原先在使用中被发现的噪声大、杂质多、不易清洗、人群适应面不广等问题得以合理解决,并且按照市场原料价格,该豆浆机制作一次豆浆的成本为0. 2 元,因而若长期使用,经济效益是很明显的。

通过对国内豆浆机技术的研究进展进行分析,针对现行豆浆机的缺点和市场需求,依据TRIZ 创新设计理论,我们特开发了这种新型豆浆机,它除了具备其他豆浆机的优点之外,还具备以下特点:采用双层研磨技术,碎豆效率高,噪声小;制作成本低;杯体容积可变,可以根据不同需求改变杯体的容积,并可改变加热方式,以延长其使用寿命。总之,该豆浆机更能适应人们的日常居家生活。