基于冲突分析的工程车路面除雪装置创新研究＊

刘江南，刘秋平

（湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙 410082）

基于冲突分析的工程车路面除雪装置创新研究＊

刘江南†，刘秋平

（湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙 410082）

针对目前国内路面除雪装置性能不足的问题，提出将TRIZ理论运用到除雪装置的进化研究中来解决除雪装置开发设计中存在的冲突.分析了目前国内路面除雪装置存在的问题，找到制约除雪装置进化的内在冲突，并运用TRIZ理论中的通用技术特性参数进行描述.根据冲突的特点，将路面除雪装置存在的冲突分为技术冲突和物理冲突.分别利用冲突矩阵和分离原理对这些冲突进行求解，从而找到解决这些冲突的发明原理.利用找到的发明原理和结合作者的工程经验，得到一种新型除雪装置的进化方案.分析结果表明，该新型路面除雪装置的进化方案在避障性能、除雪速度和适应性方面都有较大提高.

冲突；进化；工程车；路面除雪装置；开发研究；TRIZ

每年冬天，城市的路面积雪都会给交通运输及人们日常生活带来许多不便，其主要解决方式是由城管部门利用工程车辆及时清理.目前中国研制的除雪工程车存在着除雪速度低、整机利用率低、成本高以及避让功能不理想等缺点［1］.而国外进口的除雪设备价格昂贵，在中国无法大量使用.为了满足市场需求，国产除雪装置急需产品升级，实现技术进化和创新.

TRIZ是俄文“发明问题解决理论”的缩写.Altshuller为首的专家，经过半个多世纪对数以百万计的发明专利进行搜集整理、归纳提炼，提出了这个系统化、可操作性强的理论体系［2－5］.该理论既被推广用于预测产品的发展趋势，亦被广泛用于解决产品的创新问题.利用TRIZ分析方法可以快速发现设计中存在的矛盾本质；TRIZ发明原理指出了合理解决这些矛盾与冲突的方向和方法［6］.针对目前中国路面除雪装置的现状，本文利用TRIZ理论，对其存在的冲突问题进行分析研究，然后求解出可行的技术进化方案.

1 冲突问题的类型与发明原理

TRIZ理论运用39个通用的技术特性参数描述工程问题，如描述除雪装置将用到体积、速度、作用力、适应性、通用性、可靠性、复杂性、生产率、叶片刚度等等参数.TRIZ理论认为，参数的冲突（矛盾）是促进产品进化发展的内在因素，产品创新就是解决产品中存在的参数冲突问题［7］.TRIZ理论将产品进化中的冲突问题分为技术冲突和物理冲突2种类型［8］.

技术冲突是指系统中某一参数A（特性、子系统）的改进将导致另一个参数B（特性、子系统）的恶化而产生的矛盾.对于这类矛盾，可以通过表1所示的冲突矩阵表找到相应的发明原理，从而寻求技术冲突的突破方向，求得解决方案.

表1 技术冲突矩阵表Tab.1 Technical contradiction matrixes

物理冲突是指系统对同一个参数（特性、子系统）具有相互排斥（相反或不同）需求的矛盾状态.解决物理冲突的核心思想是利用分离原理实现矛盾的分离，其解决模式如图1所示，最终利用创新原理求得解决方案.

图1 物理冲突的解决模式Fig.1 Solutions to physical contradictions

2 除雪装置中的技术冲突分析和进化方案研究

2.1 除雪装置技术冲突的描述

目前常用的除雪设备主要是犁式除雪机和抛雪式除雪机，如图2和图3所示.犁式除雪机是一种推铲式除雪装置，车辆在路面来回进退、转弯，利用犁板推动积雪与路面分离、然后将积雪推转到道路侧面堆积起来.这种装置主要适用于铲除未经压实的积雪，特别是密度较小的新降雪，具有价格低、结构简单、工作可靠的优点，但除雪速度不甚理想.抛雪式除雪机是一种具有输送、集中和吹抛功能的除雪设备，由螺旋叶片将路面积雪集中输送到中间，通过高速风机将积雪从风道、抛雪筒吹抛到一定的地方.这种装置的优点是作业路面宽、除雪速度快，但缺点是抛出去的气雪混合物不便堆集，只能大面积撒落在空旷的地方，不适宜在城市道路使用.

图2 犁式除雪机Fig.2 Blade snow plough

图3 抛雪式除雪机Fig.3 Throw snow blower

中国冬季降雪次数相对不多，如果除雪机功能单一，只能用来除雪，那么机器一年里大部分时间处于闲置状态，这就大大增加了除雪作业的成本.由于交通繁忙和降雪时间不确定的原因，新降的积雪会存在不能及时清理而被过往车辆和行人压实的现象，现有的除雪设备对这种积雪状态的变化适应性较差.此外，中国许多城市道路比较狭窄，当除雪机机身过大和除雪速度过低时，会对道路交通造成很大的影响.

根据降雪情况和道路交通情况分析，除雪车的进化设计存在着种种矛盾和冲突：为提高除雪工程车辆的利用率，需要对目前功能单一的问题做出改进，但是当除雪工程车具有多项功能时，会使整个结构变得复杂并将增大工程车的外形体积；为了使除雪装置不仅能清除疏松的积雪，也能清除压实的积雪，需要提高除雪装置对道路积雪状态的适应性，可是当适应性提高时，整个除雪装置的结构必然变得复杂，对单一状态下积雪的除雪效率也会造成影响；若提高除雪工程车辆的除雪速度和减小占道体积，可以降低除雪作业对交通的影响，但车辆的除雪速度与行进阻力成正向比例关系，除雪速度的提高会增加工程车的行驶阻力，而且也会使地面残留积雪增多，从而降低除雪效果；而减小工程车的体积，就需要去除工程车不具有除雪功能的部分和使工程车辆小型化，这样会减少车辆功能和降低工程车的利用率.

通过分析除雪工程车进化设计中的冲突可知：多功能化会使结构复杂和体积增加；提高适应性会增加结构复杂性和降低除雪效果；高速化和小型化会降低除雪效果和工程车利用率、增加行驶阻力.利用TRIZ理论中的39个特性参数可以定义冲突参数为：适应性、通用性与可靠性、系统复杂性、生产率；运动物体体积与系统复杂性、生产率；速度与力、可靠性.这些参数之间的关系，显然都具有技术冲突的特点.

2.2 除雪装置技术冲突矩阵的建立

基于TRIZ描述工程问题的39个通用工程特性参数，分析找出除雪装置希望改进的特性“适应性、通用性”、“速度”、“运动物体体积”和产生负面影响的特性“可靠性”、“复杂性”、“力”、“生产率”，根据TRIZ冲突矩阵表，构建除雪装置的技术冲突矩阵，如表2所示.

该矩阵给出了各对技术冲突所对应的发明原理编号，根据表2的指引，找到各技术冲突所对应的发明原理和创新思维方向，列于表3.

表2 除雪装置的技术冲突矩阵Tab.2 Technical contradiction matrixes of snow plow

表3 技术冲突的进化解决方案Tab.3 Evolution solutions to the technical contradictions

2.3 技术冲突的进化解决方案

冲突矩阵所提供的创新原理指明了技术进化的思维方向，是普遍性的一般解，但并不能直接由此得到冲突问题的具体解决方案.创新思维的应用需要结合特定问题、由设计者利用丰富的专业知识和实践经验对问题进行深入研究，将选定的可行方向应用到待解决的系统中以求得特定解决方案［6－9］.

犁式除雪机主要利用车辆的来回变向进退实现将积雪向路边清扫，除雪速度较低.当提高除雪速度时，单位时间内在犁板前端需要清扫的积雪会增加，从而造成工程车行驶阻力的增加.根据斜面运动的原理，可以通过改变犁板的倾斜角度来减小积雪对工程车的行驶阻力，但是犁板的倾斜角度增大会减小除雪的宽度.根据螺旋输送理论［10－11］，如把犁板前端的积雪由斜面输送改为螺旋输送可以有效地降低积雪对工程车辆行驶阻力的影响.

通过分析表3，首先采用分割原理，把除雪机中实现除雪功能的装置分割出来，建立除雪装置与其他工程车辆的通用性接口，使除雪车易于实现多功能化；结合犁式除雪机和抛雪式除雪机的特点，将除雪装置分割为3部分：铲雪装置（见图4）、抛雪装置（见图5）、搅雪输送装置（见图6）.铲雪装置的主要作用是利用除雪装置前端的犁板随着车辆的前进把积雪从路面铲起并使其沿着犁板弧面和倾斜角度向上堆积，搅雪输送装置的作用是通过推雪铲和螺旋铰刀的共同作用将积雪水平输送到指定位置，然后通过抛雪装置抛落到远处.

图4 铲雪装置Fig.4 Snowshoveling device

图5 抛雪装置Fig.5 Snowblowing device

城市道路交通繁忙且路边基础设施比较多，不适合进行抛雪处理.在分割原理的基础上，利用抽取原理抽取出铲雪装置、搅雪输送装置这2个有利部分，去除不利的抛雪装置部分构成一种创新的除雪结构形式，搅雪输送装置直接将积雪输送至道路侧面，如图7所示.

图6 搅雪装置Fig.6 Snowstiring device

图7 一种创新除雪结构形式Fig.7 A new structure for snowplow

由于市内的车流量和行人比较多，许多路段的积雪还来不及及时清扫就已经被行驶车辆和行人压实.根据对路面积雪状态特性的研究［12］，压实积雪比新降积雪的密度大许多，且积雪一般凝结成块.为便于利用上述除雪装置实现清扫，利用预先作用原理和周期作用原理，加载周期性作用力，将积雪预先打碎.再根据多功能原理，设计改进搅雪输送装置，使其具有击碎功能：将螺旋叶片做成锯齿状，使其对压实的积雪具有切削作用；在螺旋叶片曲面和螺旋轴上焊接尖锥状结构，以便把进入搅雪输送装置内的块状积雪打碎，如图8所示.

图8 锯齿状螺旋叶片Fig.8 Sawtooth helical blade

这种解决方案使车辆在工作时只需一直往前行走，铲雪、搅雪和送雪同时连续工作，所以大大提高除雪速度，同时保障除雪效果.

3 除雪装置中的物理冲突分析和进化方案研究

3.1 除雪装置物理冲突的描述

为了实现积雪与路面的分离，必需保证铲雪装置与路面之间紧密接触.但是，城市道路常有减速路障，有时存在其他障碍物或凹凸不平等现象，铲雪装置在除雪过程中需要避开这些障碍.将铲雪装置的越障过程设计为：当遇到障碍时，铲雪装置在障碍物的作用下与路面分离、向上抬起；通过障碍后，铲雪装置下降恢复与路面的接触.为了保证除雪效果，希望铲雪装置快速回复；但是，如果铲雪装置在回复过程中速度过快，将会与路面产生很大的冲击.通过分析发现，与地面接触时发生碰撞的是铲雪装置的铲刃部分.若铲刃的刚度越大，则与路面的冲击越严重，所以可以通过降低铲刃的刚度来减小这种冲击；但是，若铲刃的刚度过小，将会影响铲雪的效果.根据TRIZ理论对物理冲突的定义和对铲雪装置避障过程分析发现，铲雪装置在避障过程中的回复速度和铲刃的刚度就是存在的2个物理冲突.

3.2 除雪装置物理冲突的进化解决方案

3.2.1 回复速度的进化解决方案

根据图1提供的解决物理冲突的思路，可以采用时间分离原理，将铲雪装置的回复分为2个阶段，第1阶段是高速回复阶段，第2阶段是接触回复阶段.高速回复阶段是指当铲板的铲刃离路面距离大于30 mm那段过程，接触回复阶段是指铲板的铲刃离路面距离从30 mm到接触路面的那段过程.

利用预先应急措施原则，可采用非线性弹性元件和非线性阻尼元件构成避障系统.在高速回复阶段，铲雪装置整个系统的弹性力大、阻尼比小，从而提高回复速度；在接触回复阶段，系统的弹性力小、阻尼大，以减小对路面的冲击.

根据空间分离原理，将车辆行走过程分为工作过程和避障过程.在工作过程，铲雪装置正常工作；在避障过程，铲雪装置抬起和回复.

利用预先作用原理，通过在工程车前端安置障碍探测器等措施，提前预判路面情况.在路障出现时，铲雪装置能够提前做出避障动作.

3.2.2 铲刃刚度的进化解决方案

解决铲刃的刚度这个物理矛盾，可采用整体与部分分离原理，将铲板分为3个部分：铲刃、联接区、刚性固定区.通过利用复合材料构造联接区，使其不仅具有吸收铲刃与地面接触碰撞力的弹性性能，而且具有维持铲雪装置正常工作的刚性性能.根据预先作用原理，铲雪装置在避障回复过程中铲刃部分自动收缩，当铲雪装置回复到初始位置时，铲刃部分也自动回复到初始位置.

通过利用时间分离原理、整体与部分分离原理对铲雪装置避障的物理冲突问题的研究，同时根据预先应急措施原理和复合材料，得到铲雪装置的一种避障解决方案，如图9所示.在铲雪装置工作过程中：若路面无障碍，则铲刃1受到路面与积雪的反作用力趋于稳定，铲雪装置维持正常工作状态；当铲雪装置遇到障碍物时，铲刃在障碍物的作用下，使非线性阻尼装置5和非线性弹性元件6伸长，从而使铲体绕连架杆4的铰接点转动而抬起来避开障碍物；在铲雪装置避过障碍物后，铲体在5和6以及铲体自质量的作用下快速回复到正常工作位置，在回复过程中铲刃和路面之间会发生激烈的碰撞，弹性联接区2能够通过它的变形吸收铲刃与路面刚性碰撞过程中产生的能量，从而有效地降低碰撞对路面和铲雪装置造成的伤害.

图9 铲雪装置的一种避障解决方案Fig.9 An obstacle-avoidance solution to snowshoveling device

4 结 论

针对中国目前除雪装置存在的问题，利用TRIZ理论进行分析，提炼出其中3组技术冲突和2个物理冲突：适应性、通用性与可靠性、系统复杂性、生产率；运动物体体积与系统复杂性、生产率；速度与力、可靠性；回复速度、铲刃刚度.对这些冲突问题建立了冲突矩阵，通过运用创新原理和分离原理，对存在的冲突问题提出了可行的解决方案，成功地实现了除雪装置的技术进化与创新.

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Study of the Contradiction and Innovation of the Road Snowplow of Engineering Vehicles

LIU Jiang-nan†，LIU Qiu-ping

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China）

To resolve the problem of inadequate performance of road snowplow of engineering vehicles on current Chinese market，this paper used the theory of TRIZ to study the evolution of road snowplow of engineering vehicles.The theory makes the evolution by resolving the conflicts of snowplow development and design.This paper first analyzed the problems between the road and the vehicle，found the internal conflicts to restrict the evolution and sorts out the conflicts according to the characteristic，and used TRIZ theory to describe this characteristic by general technology parameters.In the second part，the author used conflict matrix and the separation principle to solve the corresponding technological and physical conflict，and found solutions to the inventive principles according to different types of conflict.Finally，according to the principle of the invention and combined with the engineering experience，we obtained the evolution of new snowplow of engineering vehicle programs.The analysis shows this new program of the vehicle has made rapid progress in avoiding obstacle performance，speed of removing snow and adaptability of snow.

contradictions；evolution；engineering vehicle；road snowplow；research and development； TRIZ

TH122

A

1674-2974（2011）06-0033-05＊

2010-11-14

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2010CB832705）

刘江南（1965－），女，湖南长沙人，湖南大学教授

†通讯联系人，E-mail：liujiangnan＠hnu.edu.cn