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        基于物質(zhì)——場分析的油煙機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

        2013-04-01 01:10:24徐茂青馮黔軍
        家電科技 2013年7期
        關(guān)鍵詞:吸油煙機(jī)油煙機(jī)油煙

        徐茂青 馮黔軍

        (廣州市紅日燃具有限公司 廣東廣州 510435)

        1 引言

        物質(zhì)-場模型分析是TRIZ理論中的一個(gè)重要的問題構(gòu)造、描述和分析的工具。在使用物質(zhì)-場模型分析和解決問題的過程中,根據(jù)模型所描述的功能問題的類型來確定問題的性質(zhì),為設(shè)計(jì)人員提供解決問題的方向。同時(shí),結(jié)合應(yīng)用物質(zhì)-場對(duì)系統(tǒng)功能分析的結(jié)果,參考76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解,為設(shè)計(jì)者產(chǎn)生創(chuàng)新思維創(chuàng)造條件。

        本文以油煙機(jī)產(chǎn)品為研究對(duì)象,從產(chǎn)品功能分析入手,采用物質(zhì)-場分析方法,從發(fā)現(xiàn)問題和解決問題兩個(gè)方面對(duì)油煙機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

        2 功能分析

        2.1 功能定義

        功能是價(jià)值工程研究的核心問題。顧客在購買產(chǎn)品時(shí),買的不是產(chǎn)品本身,而是產(chǎn)品的功能。在設(shè)計(jì)科學(xué)的研究過程中,人們也逐漸認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往首先由工作原理確定,而工作原理構(gòu)思的關(guān)鍵,是滿足產(chǎn)品的功能要求。產(chǎn)品時(shí)功能的載體,功能是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)。

        2.2 基于功能的物質(zhì)-場分析模型

        所有的功能都可以分解為兩種物質(zhì)和一種場,即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場的三個(gè)要素組成,分別是目標(biāo)、工具和場。技術(shù)系統(tǒng)的功能模型可以用一個(gè)完整的物質(zhì)-場的三角形來表示,如圖1所示:

        其中S和S 代表“物質(zhì)”,是指實(shí)現(xiàn)功能的物質(zhì)元素,它們可以是材料、工具、零件、人、環(huán)境等。一般地,S 表示被作用的目標(biāo),S表示工具。F代表“場”,是使S和S相互作用以實(shí)現(xiàn)功能的能量來源??梢蕴峁┠芰康膱隹梢杂卸喾N形式,如機(jī)械場、熱場、化學(xué)場、電場、磁場等。

        3 物質(zhì)-場分析模型的建立

        按照物質(zhì)-場分析方法,首先建立待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)-場功能模型。一個(gè)系統(tǒng)往往包含多個(gè)功能,需要建立每個(gè)功能的模型。TRIZ中將功能分為四種基本類型,如圖2所示:

        (1)有效完整系統(tǒng):該功能的三個(gè)元素都存在,且都有效,是設(shè)計(jì)者追求的效果;

        (2)不完整系統(tǒng):組成功能的三個(gè)元素中部分元素不存在,需要增加元素來實(shí)現(xiàn)有效完整功能,或用一種新功能代替;

        (3)無效完整系統(tǒng):功能中的三個(gè)元素都存在,但設(shè)計(jì)者所追求的作用未能完全實(shí)現(xiàn),如產(chǎn)生的力不足夠大、溫度不足夠高等,需要改進(jìn)以得到期望的效果;

        (4)有害完整系統(tǒng):功能中的三個(gè)元素都存在,但產(chǎn)生與設(shè)計(jì)者要求相矛盾的有害作用,需要消除有害作用。

        圖1 物質(zhì)-場功能模型系統(tǒng)

        圖2 四類物質(zhì)-場功能模型

        圖3 吸油煙機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

        4 76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解

        依據(jù)所建立的物質(zhì)-場功能模型,Altshuller概況出76中標(biāo)準(zhǔn)解法,并分為以下五類:

        (1)物質(zhì)-場的構(gòu)建和拆解:13種標(biāo)準(zhǔn)解;

        (2)改進(jìn)系統(tǒng)物質(zhì)-場:23種標(biāo)準(zhǔn)解;

        (3)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換:6種標(biāo)準(zhǔn)解;

        (4)檢測與測量:17種標(biāo)準(zhǔn)解;

        (5)簡化與改進(jìn)的策略:17種標(biāo)準(zhǔn)解。

        應(yīng)用物質(zhì)-場模型變換方法時(shí),要根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建物質(zhì)-場模型,分析模型存在的問題,然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法尋求實(shí)際問題的解。

        5 油煙機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

        隨著人們生活水平的不斷提高,吸油煙機(jī)已經(jīng)成為各家廚房中的必需品。圖3是一種歐式吸油煙機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,油煙由風(fēng)機(jī)提供的離心力經(jīng)油網(wǎng)吸進(jìn)來,從上面的排煙管排出去。風(fēng)機(jī)部分是吸油煙機(jī)的核心部件,決定吸油煙機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、工作效率等整體性能,同時(shí)油煙氣體在風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲,使人感到不適。現(xiàn)應(yīng)用物質(zhì)-場模型分析法分析并求解該問題。

        5.1 總功能定義

        定義油煙機(jī)的總功能為“吸走油煙”。

        5.2 功能分解

        油煙機(jī)的總功能可以分解為“過濾油煙”,“吸入油煙”,“排出油煙”三個(gè)分功能,其中主要功能是“吸排油煙”。

        5.3 功能模型建立

        上述分功能已是支持功能,可由油網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、排煙管等基本部件完成。根據(jù)物質(zhì)-場分析法,得出具體的產(chǎn)品功能模型圖,如圖4所示。

        5.4 待改進(jìn)功能模型確定

        從圖4可以看出,系統(tǒng)的主要功能是由風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使內(nèi)部形成負(fù)壓,以吸入和排出油煙。有害功能是風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,以及油煙氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲,影響人們身體健康。其振動(dòng)和噪聲由于風(fēng)機(jī)的工作原理不易徹底解決,只能通過改進(jìn)設(shè)計(jì)部分解決。

        在“吸排油煙”的物質(zhì)-場模型中,S=油煙,S=風(fēng)機(jī),F(xiàn)=機(jī)械能,用符號(hào)系統(tǒng)表示該功能模型如圖5所示:

        圖4 產(chǎn)品功能模型圖

        圖5 吸排油煙功能模型

        該模型表明,在完成有用功能“吸排油煙”的同時(shí),又產(chǎn)生了有害功能“振動(dòng)噪聲”。

        5.5 標(biāo)準(zhǔn)解分析

        在TRIZ的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中選擇適用于該特定問題的標(biāo)準(zhǔn)解,由于此問題中同時(shí)存在有用及有害功能,可應(yīng)用第一類標(biāo)準(zhǔn)解的1.2“消除或抵消有害作用”來解決問題。結(jié)合吸油煙機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以選擇標(biāo)準(zhǔn)解1.2.2(NO.10)和1.2.3(NO.11)。

        標(biāo)準(zhǔn)解1.2.2(NO.10):當(dāng)前設(shè)計(jì)中同時(shí)存在有用和有害作用,但是不能添加新的物質(zhì)。通過修改S或S 消除有害作用。

        標(biāo)準(zhǔn)解1.2.3(NO.11):有害作用是由一個(gè)場引起的,引入要素S 吸收有害效應(yīng)。

        5.6 解決方案

        根據(jù)上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解,分別得到如下兩種改進(jìn)方案:

        方案1:修改S =風(fēng)機(jī)。

        吸油煙機(jī)用風(fēng)機(jī)為多翼離心風(fēng)機(jī),也叫鼠籠式離心風(fēng)機(jī),主要包括集流器、葉輪、蝸殼三大部件。集流器的作用是保證氣流均勻的進(jìn)入葉輪進(jìn)口截面,以降低流動(dòng)損失和提高葉輪的效率。氣流由集流器進(jìn)入葉輪時(shí),在集流器背部形成一個(gè)渦流區(qū),進(jìn)口物流區(qū)域往往影響到葉輪中前盤附近氣流的流動(dòng)狀況,對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響不容忽視。集流器的結(jié)構(gòu)型式、位置型式都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)性能有很大影響。多翼葉輪時(shí)風(fēng)機(jī)中是旋轉(zhuǎn)部件,對(duì)風(fēng)機(jī)中能量的傳遞起著主要作用。由于多翼葉輪相對(duì)寬度較大,使得在葉輪進(jìn)口處氣流沿軸向分布不均勻,易形成大渦流區(qū),是風(fēng)機(jī)損失以及噪聲的一個(gè)主要來源。葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有出口安放角、進(jìn)口安放角、葉片數(shù)、翼型、葉輪寬度等。蝸殼是離心式風(fēng)機(jī)中的一個(gè)重要部件,它起著導(dǎo)流與擴(kuò)壓的作用,蝸殼的形狀直接影響內(nèi)部氣體的流動(dòng)性能,對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的效率、噪聲有著重要的意義。其中的蝸舌部分是整個(gè)蝸殼設(shè)計(jì)中的重點(diǎn),蝸舌的形狀是影響風(fēng)機(jī)噪聲的重要因素,包括蝸舌的圓弧半徑、蝸舌包角以及蝸舌間隙等設(shè)計(jì)參數(shù)。

        方案2:引入S =消聲裝置或吸聲材料。

        在風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口處或排煙管內(nèi)加裝消聲裝置或吸聲材料。如蝸舌消聲器、1/4波長共振器、Helmholtz消聲器、微穿孔板消聲器等。

        5.7 方案評(píng)價(jià)

        上述兩種設(shè)計(jì)方案均有其特點(diǎn),可以從可靠性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、可實(shí)現(xiàn)難易程度幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合比較,以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

        方案1:改進(jìn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)屬于對(duì)振動(dòng)噪聲進(jìn)行主動(dòng)控制,從根本上降低振動(dòng)噪聲,成本相對(duì)較高,但一勞永逸,效果好。

        方案2:引入消聲裝置或吸聲材料屬于對(duì)振動(dòng)噪聲進(jìn)行被動(dòng)控制,成本相對(duì)較低,但可靠性差。

        作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員,應(yīng)該考慮從根本上解決問題,因此認(rèn)為方案1為最終設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)具體的分析計(jì)算,優(yōu)化影響風(fēng)機(jī)性能各設(shè)計(jì)參數(shù),得到最終的改進(jìn)吸油煙機(jī)產(chǎn)品。

        6 結(jié)論

        TRIZ理論中的物質(zhì)-場模型分析方法提供了功能描述的三元素模型,并對(duì)功能進(jìn)行了分類,按照符號(hào)系統(tǒng)所建立的功能模型可從76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中找出標(biāo)準(zhǔn)解決原理,將原理具體化可得出特定問題的解或新概念。應(yīng)用TRIZ理論可以有效的解決工程領(lǐng)域的創(chuàng)新問題,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員迅速找出問題、快速獲得理想的解決方案,大大提高了創(chuàng)新的速度以及創(chuàng)新方式的多樣性。

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