基于TRIZ裁剪法的產品簡化設計

柏長升 張培德

摘要：TRIZ理論中的裁剪法結合功能分析、資源分析、物場分析等多種工具，來分析和解決技術問題，是降低成本、簡化系統的重要工具。本文在討論裁剪法的基礎上，結合電壓力鍋沸騰模式的創新設計，闡明裁剪法的具體應用。

關鍵詞：TRIZ；裁剪法；簡化設計；降低成本

引言

降低成本是每個設計人員必須面對的課題，本文回顧了依據裁剪法流程對電壓力鍋沸騰模式進行創新設計的過程，其方案已應用到產品上，降低了成本，取得了一定的經濟效益。

1 功能分析

功能：某組件（或子系統）改變或者保持另外一個組件（或子系統）的某個參數或狀態的行為。

功能分析是從完成功能的角度分析系統，對研究對象的功能進行分解，分析系統和超系統組件的功能、特點及其成本。

2 裁剪法

裁剪：將一個或多個組件去掉，而將其執行的有用功能利用系統或者超系統中的剩余組件來替代；其目的是提高系統理想度。

3 資源分析

資源：指問題所處環境中存在的物體、信息、能源或者材料的屬性。TRIZ特別強調被忽視的免費或廉價資源的利用。尋找資源的順序：系統內部資源--系統外部環境的資源--超系統的資源。

4案例分析

4.1 問題分析

4.1.1、項目基本信息

（1）系統實現的功能：高壓煮飯

（2）系統存在的問題：全密閉系統，米飯不沸騰而發灰（不夠亮白）

（3）問題出現的條件和時間：煮飯過程中有壓力的那段過程

（4）現有方案及其缺點：用電磁鐵驅動限壓閥間歇排氣，成本高，結構復雜，且要連線到鍋蓋，導致鍋蓋不可拆洗

（5）對系統的要求：簡單可靠成本低

（6）系統的工作原理：鋼蓋扣合外鍋并與內鍋、密封圈組成密閉系統，發熱盤加熱內鍋使水蒸發而產生壓力，壓力驅使外鍋產生彈性形變，驅動壓力開關（位移傳感器）來停止加熱而控制壓力。

4.2、功能分析

4.2.1 系統定義：

考慮到我們的目標是如何控制壓力、實現沸騰，把系統的范圍縮小為“蒸煮壓力控制系統”，與蒸煮壓力控制相關的組件是系統組件，其他組件是超系統組件。

研究系統的狀態：設定在鍋內有壓力的狀態，內鍋的上方充滿水蒸汽。

4.2.2 目標定義

本課題設定電壓力鍋是用來蒸煮米飯的，其目標是米飯的前身：米水混合物；

要實現的功能是讓米水混合物沸騰翻滾，同時與大氣連通，達到米飯亮白的效果。

4.2.3 組件分析，列結構表，如下表1：

4.2.4 組件相互作用分析，分析是否接觸（是否發生作用），列示意圖，如下圖2

4.3 創新設計

4.3.1、裁剪

裁剪掉導致系統復雜、成本高的電磁鐵和

頂部感溫包，再從系統內部或超系統尋找

能替代其功能的組件；

4.3.2、資源分析法

水蒸汽驅動限壓閥的功能不足，是水蒸汽的壓力不夠；

該系統里對限壓閥的作用力有重力、鋼蓋的支撐力、水蒸汽壓力；

根據受力分析，重力是向下的力，鋼蓋的支撐力和水蒸汽壓力是向上的力，只有向上的力大于向下的力，才能把限壓閥抬起來，限壓閥離開鋼蓋而排氣；鋼蓋的支撐力是改變不了的，只有提高水蒸汽壓力；

根據氣體方程PV=nRT，要提高壓力，必須提高溫度；

又根據壓力計算公式F=P*S，G=mg，F>G才能把限壓閥抬起來排氣，實現鍋內沸騰，這樣可以計算出所需要的壓力P沸，然后設定沸騰模式：在壓力開關跳斷后再加熱一定的時間，讓鍋內壓力達到設定的P沸，實現排氣沸騰；一段時間后停止加熱，因發熱盤的熱慣性，電壓力鍋沸騰一段時間后停止沸騰，然后再繼續加熱到P沸，如此循環，直到沸騰時間結束。

4.4 概念驗證

4.4.1、問題測試：

按上述方案測試，電壓力鍋沸騰煮飯時主要存在不沸騰或沸騰過度而噴水的問題，情況如下：

（1）在2杯以上4杯以下米量煮飯時，過程有噴氣；5杯以上不噴氣；

（2）在1-2杯米煮飯時，有噴水現象；

4.4.2、問題分析：

先排除假故障，確定是否設計問題：即分析實際組件參數是否符合設計要求：

包括限壓閥重量、壓力開關跳斷時壓力、感溫包精度、程序控制模式是否復合設計要求。

經測試，僅程序控制模式有問題：沸騰階段要求排氣5分鐘，實際排氣14分鐘。

4.5次級問題改進

4.5.1、明確問題：

出現在沸騰階段，小米量時沸騰過度導致噴水，大米量時沸騰不夠，導致米飯不均勻。

4.5.2、問題分析：

這顯然不是技術矛盾，也不是物理矛盾，是系統可控性不足；

查表，采用76個標準解中的2.4.7，利用自然現象或物理效應，來增強物場模型；

4.5.3、資源分析

在電壓力鍋煮飯沸騰階段，存在的物理效應資源有：

（1）負溫度系數熱敏電阻：溫度越高，電阻越小

（2）水的飽和水蒸汽壓與溫度有對應關系，如下表3：

4.5.4、方案思路：

飽和蒸汽壓與溫度有一一對應關系，在100-120℃范圍內，1 ℃ 大致對應5kPa（因為溫度精確到1 ℃ 已能滿足電壓力鍋溫度精確控制要求，所以取1 ℃ 對應5kPa 是可行的）。

目前產生的設計問題是沸騰控制不足，是因為采用固定的再加熱時間（壓力開關斷開后再加熱一段時間），這樣難以滿足不同的米水量和不同的環境溫度，因為不同的米水量在壓力開關跳斷時其溫度是不一樣的，發熱盤的熱慣性對不同米水量的影響也是不一樣的，但把限壓閥頂起的壓力（溫度）是一樣的；因此，增加溫度場信息，利用現有底部感溫包，優化方案如下：

在壓力開關跳斷時，檢測此時的底部感溫包溫度T，在此基礎上再加熱到（T+ 8 ℃），就停止加熱，底部感溫包溫度下降到（T+ 4 ℃）時，再恢復加熱，如此循環，直到沸騰時間結束。

分析：壓力開關的跳斷壓力是55-60kPa，限壓閥的排氣泄壓壓力為90±10kPa，這樣兩者之間最小壓力差為20kPa，等效為4 ℃，最大壓力差45kPa，等效為9 ℃，但為了防止感溫包精度偏差，取8 ℃。

4.6落地驗收

煮飯測試結果：有效沸騰，沒有噴水現象；經批量驗證，均復合標準要求，設計達到預期目標。

然后申請專利，申請號為CN201510992062.X

5小結

在實際運用中，為解決降低成本、簡化產品的技術難題，首先要進行功能分析，建立功能模型，然后用裁剪法，裁剪掉成本高、復雜的組件，再結合資源分析、矛盾理論、物場分析及標準解等工具，其中最密切相關的是資源分析法，因為裁剪法要求裁剪組件后，將其執行的有用功能利用系統或者超系統中的剩余組件來替代，從而必須用到資源分析法，尋找可以替代的組件；初學者是在問題分析前就列出系統內外資源，這樣未必能列全，有些資源也未必有用，如果在問題分析和裁剪后，針對要實現的功能，再去有針對性地挖掘資源，效果更佳。

參考文獻：

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