产品创新设计中的矛盾解决方法*

曹 贺, 池红岩，张衍祺

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学 基础实验与工程训练中心，黑龙江 哈尔滨 150022；3.北京南车时代机车车辆机械有限公司，北京 102249)

产品创新设计中的矛盾解决方法*

曹 贺1, 池红岩2，张衍祺3

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学 基础实验与工程训练中心，黑龙江 哈尔滨 150022；3.北京南车时代机车车辆机械有限公司，北京 102249)

提出了应用物理矛盾描述问题的方法，介绍了TRIZ解决物理矛盾的空间分离原理。对刮板输送机的刮板和刮板链技术系统进行了因果轴分析，定义了强度与运动物体的质量这一技术矛盾，提取出了密度参数作为物理矛盾，选择了牵引空间和支撑空间作为2个不交叉的空间。依据发明原理，设计出了可拆卸刮板和组合式刮板链装置，解决了刮板链强度不足及刮板磨损的问题。

物理矛盾；空间分离方法；刮板；刮板链

1 产品创新中的矛盾

在唯物辩证法中，矛盾就是对立统一。TRIZ[1]中可以这样理解矛盾，它是指内在要素、作用或主张彼此不一致或相反的情境，特别是指“双失”情况，即因为使用常规方法来改进当前问题情境而产生无法忍受的后果。TRIZ把工程中常见的矛盾分为技术矛盾和物理矛盾2种[2]。

技术矛盾是指为了改善系统的一个参数，导致了另一个参数的恶化，其描述的是2个参数的矛盾。物理矛盾是针对系统的某个参数，提出2种不同的要求，当对1个系统的某个参数有相反要求时就出现了物理矛盾。物理矛盾反映的是唯物辩证法中的对立统一规律：一方面，物理矛盾讲的是相互排斥，即同一性质相互对立的状态；另一方面，物理矛盾又要求所有相互排斥和对立状态的统一，即矛盾双方存在于同一客体中。

物理矛盾和技术矛盾是相互联系的。用技术矛盾来描述的问题，同样也可以用物理矛盾来描述。在很多时候，技术矛盾是更显而易见的矛盾，而物理矛盾则是隐藏得更深、更尖锐的矛盾[3]；正因如此，近年来，在应用TRIZ解决技术矛盾的研究较多，而解决物理矛盾的研究少见。

2 应用物理矛盾解决问题的条件

当1个技术系统出现问题时，其表现形式是多种多样的，解决问题的手段也是多种多样的，关键是要区分技术系统的问题属性和产生问题的根源，根据问题所表现出来的参数属性、结构属性和资源属性等，选择使用相应的模型、工具和方法。

物理矛盾是同一系统同一参数内的矛盾，即参数内矛盾。当对系统中的同一个参数提出互为相反的要求时，就说存在物理矛盾。

为了更详细、准确地描述物理矛盾，Savransky于1982年提出了如下描述方法：1)子系统A必须存在，A不能存在；2)关键子系统A具有性能B，同时应具有性能-B，B与-B是相反的性能；3)A必须处于状态C及状态-C，C与-C是不同的状态；4)A不能随时间变化，A要随时间变化。

1988年，Teminko提出了基于需要的或有害效应的物理矛盾描述方法：1)实现关键功能，子系统要具有一定有用功能(useful function, 简称UF)，但为了避免出现有害功能(harmful function, 简称HF),子系统又不能具有上述有用功能；2)关键子系统的特性必须是一大值，以能取得UF，但又必须是一小值，以避免出现HF；3)子系统必须出现，以取得UF，但又不能出现，以避免出现HF。

物理矛盾可以根据系统所存在的具体问题选择具体的描述方式。物理学中的常用参数主要有几何类、材料及能量类和功能类3大类，每大类中的具体参数和矛盾见表1。

表1 常见的物理矛盾

如何将1个问题转换成物理矛盾是非常重要的。针对实际问题情境，一般可以通过以下步骤逐步完成对其中物理矛盾的准确描述：1)技术系统的因果轴分析；2)从因果轴定义技术矛盾“A+、B-”或“B+、A-”；3)提取物理矛盾，即在这对技术矛盾中找到1个参数及其相反的2个要求“C+”、“C-”；4)定义理想状态，即提取技术系统在每个参数状态的优点，提出技术系统的理想状态。

3 解决物理矛盾的空间分离原理及其解决问题的步骤

解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离。现代TRIZ在总结解决物理矛盾各种方法的基础上，提炼出了分离方法，并将其分为4种基本类型，即空间分离、时间分离、条件分离和系统级别分离。

所谓空间分离方法是将矛盾双方在不同的空间上分离。当关键子系统矛盾的双方在某一空间只出现一方时，可以进行空间分离。使用空间分离前，应先确定矛盾的需求在整个空间是否都在沿着某个方向变化。如果在空间中的某一处，矛盾的一方可以不按一个方向变化，则可以使用空间分离原理来解决问题，即当系统矛盾双方在某一空间出现一方时，空间分离是可能的。

应用空间分离原理解决物理矛盾的步骤如下：1)定义物理矛盾，首先确定矛盾的参数，在此基础上对矛盾的参数相反的要求进行描述；2)对在什么空间上需要满足什么要求进行确定；3)对上述2个空间段是否交叉进行判断，如果2个空间段不交叉，可以应用空间分离原理，否则不可以应用空间分离原理。

4 新型刮板和刮板链装置设计

刮板输送机是一种有挠性牵引机构的连续运输机械，其作用是为采煤工作面和采区巷道运煤。刮板输送机的牵引机构是绕经机头链轮和机尾链轮进行循环运动的无极闭合的刮板链，承载机构是溜槽[4]。刮板链是刮板输送机的重要组成部分，也是输送机的薄弱环节。刮板链在运行过程中受到不稳定冲击载荷，因此其运行稳定性对整个刮板输送机的运行有着重要影响。如果刮板链发生断链现象将严重影响采掘工作面的正常生产[5-6]，因此高性能刮板和刮板链的设计和研发，对刮板输送机的可靠、稳定和高效运行具有极其重要的意义。

4.1 物理矛盾的描述

1)技术系统的因果轴分析。刮板输送机的运行方式是物料和刮板都在槽内滑行，运行阻力和磨损都很大，由此得到如下因果链：刮板输送机运行需要刮板链的牵引力→物料和刮板都在溜槽内滑行→运行阻力和磨损很大→刮板磨损、刮板链断裂→高强度的刮板和刮板链→增大刮板和刮板链的质量→运行负载增大。

2)从因果轴定义技术矛盾“A+、B-”或“B+、A-”。根据因果分析，找出此技术系统的现有解决方案改善的参数——强度，以及恶化的参数——运动物体的质量，强度与运动物体的质量构成了一对技术矛盾。

3)提取物理矛盾。刮板和刮板链材料的密度既要大，又要小。

4)定义理想状态。设计一种刮板和刮板链装置，使其质量不增加的情况下强度提高。

4.2 应用空间分离原理分析物理矛盾

1)定义物理矛盾，即刮板和刮板链材料的密度既要大，又要小。

2)对在什么空间上需要满足什么要求进行确定。选择2个空间，一个是牵引空间，另一个是支撑空间。对于牵引空间，要求刮板耐磨损，刮板链强度大；对于支撑空间，要求刮板和刮板链质量轻。

3)对上述2个空间段是否交叉进行判断，上述牵引空间和支撑空间不交叉，可以应用空间分离原理。

4.3 新型刮板和刮板链装置

为减小刮板底部的磨损，在刮板底部安装滚轮。刮板侧面的磨损考虑采用可拆卸刮板，由刮板本体和副板组成。为提高刮板链的强度，同时又不增加其质量，设计由三角链和链环组成组合式刮板链，如图1所示。刮板由刮板本体和两侧的副板组成，由卡柱插装联接。刮板链由三角链和链环组合而成，链环与刮板本体由长插销插装联接，三角链与刮板本体由长插销插装联接，链环另一端与三角链另一端由长插销插装联接，三角链之间由短插销相互插装联接，刮板本体下表面左右两侧各插装连接有滚轮，副板内侧表面上下处固定连接有插柱，插柱上表面设有通孔并由卡柱固定插装在刮板本体左右两侧表面内，插柱同时插装在连接刮板本体与链环和三角链的长插销内，插装在刮板本体内长插销两端为方形，副板内侧插柱为方形，卡柱可装卸于刮板本体内。

图1 刮板输送机刮板和刮板链装置

5 结语

产品创新设计的过程就是解决矛盾的过程，通过技术系统的因果轴分析，定义技术矛盾，提取物理矛盾，对在什么空间上需要满足什么要求进行确定，判断2个空间段是否交叉，应用创新原理提出了创新设计构成了产品创新设计中的矛盾解决方法。通过对刮板输送机刮板和刮板链装置技术系统进行一系列分析，设计出可拆卸刮板和组合式刮板链装置，解决了刮板链强度不足及刮板磨损的问题，验证了矛盾解决方法的有效性。

[1] 赵新军. 技术创新理论(TRIZ)及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[2] 刘训涛,曹贺,陈国晶. TRIZ理论及应用[M]. 北京：北京大学出版社, 2011.

[3] 创新方法研究会. 创新方法教程[M]. 北京：高等教育出版社, 2012.

[4] 于学谦. 矿山运输机械[M]. 北京：中国矿业大学出版社, 1993.

[5] 王金华. 我国煤矿开采机械装备及自动化技术新进展[J]. 煤炭科学技术, 2013，41(1)：1-4.

[6] 阚文浩. 刮板输送机刮板链故障分析与技术改进[J]. 煤矿机械, 2013，34(2)：174-175.

*黑龙江省教育厅科学研究项目(12533056)

责任编辑马彤

MethodoftheContradictionSolutionintheDesignofProductInnovation

CAO He1, CHI Hongyan2, ZHANG Yanqi3

(1.College of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022,China;2.Basic Experiment and Engineering Training Centre,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China;3.Beijing CSR Times Electric Locomotive Vehicle Machinery Co., Ltd., Beijing 102249, China)

The method of physical contradiction problem description was put forward, and spatial separation principle of TRIZ was introduced to solve physical contradiction. The scraper conveyor and scraper chain technology system were analyzed by the cause and effects, the technical contradiction of strength and weight of moving object were defined, the density was extracted as the physical contradiction, the traction space and support space were selected as the two non-cross space, based on the invention principles, a demountable scraper and combined scraper chain device was designed, which solves the problem of insufficient strength of scraper chain and scraper wear.

physical contradictions，spatial separation method，scraper，scraper chain

TH 12

：A

曹贺(1978-)，女，硕士，副教授，主要从事机械创新设计等方面的研究。

2014-09-18