基于TRIZ理论的环保清洁黑板擦创新设计

王 冰 沈建华 古 斌

(西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室 四川绵阳 621010)

粉笔的成分是碱性物质，粉笔灰的微粒具有很强的病菌吸附能力。教室内粉尘浓度研究表明:教师讲课时，讲台处的粉笔灰浓度为 15.1～19.3 mg/m3，高于 10 mg/m3的国家卫生标准［1］。粉笔灰属于碱性物质，含有较大量的重金属镉、有害病菌，对教师和学生的耳、鼻、喉部、呼吸系统和皮肤容易造成炎症。

关于教室粉尘问题，目前有静电除尘，利用静电吸附粉尘［2］;大功率吸尘器，将粉尘吸走［3］;雨刷装置刷擦黑板［2］;将黑板擦固定在导轨上，利用导轨上下和左右移动来擦除粉笔灰［4］。但这些没有解决粉尘随处飘散的问题，不能达到控制讲台粉尘低于10 mg/m3的国家卫生标准，不能实现局部擦拭。有些可以吸尘，但这类吸尘黑板擦价格较贵，结构比较复杂［5］。

综上，我们从控制粉笔灰的污染、实现黑板局部擦除、设计更好的黑板擦毛刷3个方向，本着便宜、方便、清洁的角度进行改进设计。

1 基于TRIZ理论的黑板擦问题分析

1.1 冲突问题描述

TRIZ理论将工程中的冲突分为技术冲突和物理冲突两类。根据Altshuller的定义，技术冲突是指一个作用同时导致有用和有害两种结果，常表现为两个子系统(功能、特性或参数)A与B之间的冲突，当 A 得到改善时，B 随之被恶化［6－7］。

分析可知，方便、价廉的吸尘黑板擦的“可制造性”和“制造精度”是一对符合上述特点的技术冲突:有用特性“可制造性”(A)的提高将导致有害特性“制造精度”(B)的降低［8］。同理，黑板擦的“可制造性”分别与“装置的复杂性”、“静止物体的质量”、“静止物体的体积”等有害特性也存在技术冲突。

1.2 黑板擦的技术冲突1.2.1

技术冲突矩阵的建立

对于冲突问题的解决，TRIZ将技术特性参数做成冲突矩阵表，矩阵的行数和列数分别对应恶化和改善的39个参数，表中提供了参数之间对应冲突的发明原理解决方案。发明原理是TRIZ的核心内容之一，共有40条，用编号体现在矩阵元素里。运用时，一对冲突最多不超过4条解决原理，以免使用原理过多反而使问题的解决复杂化。

将黑板擦希望改进的特性“可制造性”及其可能产生负面影响的特性“制造精度”、“装置的复杂性”、“静止物体的质量”、“静止物体的体积”等组成TRIZ冲突矩阵表，得到环保清洁黑板擦的冲突矩阵，如表1所示。行与列各技术特性交点处的数字表示解决相应冲突适合使用的发明原理的编号。

该矩阵表达了TRIZ提示的改进原理。通过查找表1冲突特性交汇处各编号所对应原理，寻求对应创新思维方向，得到表2冲突解决原理。

表1 环保清洁黑板擦的冲突矩阵Table 1 Environmentally－clean eraser conflictmatrix

1.2.2 技术冲突的解决

冲突矩阵所提供原理的作用是使原问题朝着改进的方向发展，提示了最有可能解决问题的思维搜索方向，是带有普遍性的一般解，但是不能直接得到冲突问题的特定解。原理的运用需要结合特定的问题，由设计者沿着这个创造性思维的方向、根据自己的实践经验过滤掉一些明显不符合要求的原理，然后把选定的可行原理应用到待设计的系统中以求得特定解。

通过分析，首先采用表2冲突解决原理中出现了2次的原理:廉价替代品原理。根据廉价替代品原理，环保清洁黑板擦在制作中避免购买成本较高的零部件，优先考虑对毛坯进行加工以得到黑板擦各组成部分。

按照分割原理，环保清洁黑板擦按照擦尘部分、吸尘部分、积尘部分进行设计制作。擦尘部分作用是方便、快捷擦掉粉笔字。擦子的形状、材料合理与否将决定擦除效果。吸尘部分作用是防止粉尘直接飞散至空气带来的粉尘污染，吸收粉尘至指定位置;其主要依据的是微型电动机高速旋转，带动扇叶产生向后的强大气流，使得粉尘沿气流进入积尘盒。积尘部分的作用是储存粉尘，排除空气。我们采用锥形漏斗式过虑装置使得粉尘进入积尘盒，并停留在积尘盒，在积尘盒外侧胶结纳米级过滤网排除气流，并防止粉尘外泄。

在粉尘擦除中，我们将面临黑板擦怎么快速、方便地在黑板上任意移动，如果擦子直接与黑板接触，将带来较大的摩擦阻力，达不到自动的目的。根据改变局部原理，在外壳前端安装万向轮，将由万向轮带动黑板擦移动，使得使用者不需要施力于黑板。

根据廉价替代品原理，黑板擦的制作将不会使用昂贵的工业零部件，而电动机与扇叶的同轴度在制作、使用中将决定吸尘部分的优劣，如果同轴度误差过大、连接不紧密将使得扇叶旋转时产生不稳定，带来噪音。而工业用微型联轴器的市场价格至少为15元/个，电动机与扇叶间使用微型联轴器将导致黑板擦价格的升高，使得本次设计因高于使用者的价格期望而失败。根据复制原理我们可以使用铝棒加工联轴器，在满足使用性的基础上，尽可能降低黑板擦成本。

为了使黑板擦可实现局部擦除，根据改变参数原理，黑板擦的总体尺寸不宜过大，体积应尽量小。

冲突矩阵表中相变原理没有用到。原因是根据实际设计条件和经验，未找到对应的特殊解。设计制作时，TRIZ原理的运用必须与专业知识紧密结合，才可能得到有价值的解决方案。可见，设计者对问题的深入思考、创造性的思维及丰富的实践经验在应用TRIZ理论时是非常重要的。

过虑装置是本设计的关键之一，能否方便地使气流进入积尘盒决定粉尘可否吸入积尘盒。之前，我们采用锥形漏斗式过虑装置使得粉尘进入积尘盒，并停留在积尘盒，但在实际制造中，锥形漏斗式过虑装置会阻挡气流流向积尘盒，使得气流向前窜动，达不到预定要求。这也表明TRIZ理论给我们提供了解决问题的方向，但问题只有在实际实施中才能完全展现出来，必须结合实际状况来提出有针对性的方法，才能很好地解决问题。我们可以采用如下思路:根据局部原理中使物体或外部介质的活动部分成为不动的，而使不动的成为可动的，在使用时将过滤装置变得活动，从而改变过滤装置所处状态，使得气流可以最有效地进入积尘盒，对于黑板擦中的过滤也即不工作时，过滤装置要密封，工作时，过滤装置要最大可能打开，为此借用百叶窗工作原理可以有效解决该问题，百叶窗过滤装置示意图如图1所示。

图1 过滤装置示意图Fig.1 Schematic of filtration device

1.3 黑板擦的物理冲突

1.3.1 物理冲突的描述

TRIZ理论的物理冲突涉及系统中的一个子系统(功能、特性或参数)，指的是为了实现某种功能，一个子系统应该具有一种特性，但同时要求出现与该特性相反的特性［7－8］。我们所设计的黑板擦既要便于控制，又要方便擦除粉笔字。一方面，黑板擦的体积越大，擦尘速度越快;另一方面，大体积的黑板擦难以实现局部擦除。显然，黑板擦的体积符合上述描述，是本设计的物理冲突。

1.3.2 物理冲突的解决

通过分析，为解决黑板擦的体积问题，可以采用空间分离原理，改进擦子的形状，在使用材料尽可能少的情况下，将擦子擦除面积设计得尽可能大。为此，我们选择擦子形状为人字形，人字形最大的好处是无论黑板擦怎么移动，均可达到最大化擦除。另外，通过改进擦子的材料，使用擦除便捷的毛绒也可以帮助改进设计。

2 环保清洁黑板擦的最优设计方案

基于上述技术冲突和物理冲突问题的解决，得到了环保清洁黑板擦创新方案的多个特定解。

基于这些创新原理，得出了最优的设计方案，其中之一如图2所示。环保清洁黑板擦的吸尘部分由微型电动机、电动机支架、叶轮及其连接部分组成。擦尘部分由外壳、万向轮、擦子组成。积尘部分由过虑装置、后盖、储尘室及过滤网组成。环保清洁黑板擦实物图如图3所示，控制电路部分如图4所示。

图2 环保清洁黑板擦装配简图Fig.2 Assembly diagram ofenvironmentally－ clean blackboard eraser

图3 环保清洁黑板擦实物图Fig.3 The pictures of environmentally－clean Blackboard eraser

图4 电路图Fig.4 Circuit diagram

环保清洁黑板擦的工作原理如下:以装在手柄底部电池盒的9 V电池作为扇叶吸附动力，依靠3个万向轮及人字形擦子实现其在黑板上的任意移动和最大擦除，通过转动过滤装置旋钮90°实现百叶窗开闭而收集粉尘。

3 结语

运用TRIZ理论，指出设计黑板擦的技术冲突和物理冲突，采用冲突解决方法得出了一种环保清洁黑板擦的设计方案。该方案设计出的黑板擦具有操作简便性、环保性、成本低廉性，实际使用效果良好。

［1］龚文兰，刘慧中.教室内的粉尘污染［J］.环境保护科学，1990，16(2):32.

［2］中国包装和食品机械公司.防粉尘静电吸附装置:中国，CN93242671.9［P］.1995 －1 －25.

［3］袁湘月，年兴，朱怡霖，等.新型除尘黑板擦的研究与改进［J］.机电产品开发与创新，2012，(4):11－13.

［4］上海市南汇区航头学校.快捷黑板擦:中国，CN200920214370.X［P］.2010 －10 －13.

［5］黄斌，王冰，郭庆，等.新型无尘自动黑板擦的设计［A］.全国先进制造技术高层论坛暨第十届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集［C］.2011.

［6］刘江南，赵世雄，刘秋平.基于TRIZ的救援抢险车树木打冰除雪装置研究［J］.中国机械工程学报，2011，22(18):2167－2170.

［7］TERNINKO J.Su － Field Analysis［J］.TRIZ Journal，2000，(2):23－29.

［8］涂铭旌，唐英，孟江平.创造发明的思路与方法［J］.西南科技大学学报，2012，(2):1－4.