孟娜娜 胡鹤凡 任晋
摘要：为了满足用户对城市挖掘机综合品质日益提高的要求，本文提出一种基于TRIZ理论的城市挖掘机创新设计方法。首先运用TRIZ理论，39个工程参数建立城市挖掘机问题模型，以现有城市挖掘机的弊端为起点，阐述其问题所在，随后根据矛盾矩阵解域出第15条、第17条、第13条和第16条发明原理，确定最适合解决城市挖掘机的最终解决方案。提出一种基于TRIZ理论的创新设计模型，对城市挖掘机进行创新设计。最终将TRIZ理论与相关理论相结合，对挖掘机进行建模设计，验证了应用该方法能够有效解决城市挖掘机造型中实际问题，为产品设计构思提供创新思路的可行性，并为相关工程机械的开发设计提供参考。
关键词：工业设计;TRIZ理论;产品造型;技术矛盾;城市挖掘机
中国分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2019）06-0150-03
工程机械行业是我国基础建设投资的重要支柱产业，伴随大量外国企业将完善的工业设计理念引入到工业机械领域，重技术轻外观设计的国内重型工程机械受到了极大的冲击，提高工程机械产品的外观造型设计显得尤为重要。挖掘机是现代化建设施工机械的重要组成部分，应用范围十分广泛，建筑行业、道路、桥梁、矿山、水利、城市市政建设等多个领域都与挖掘机有着不可分割的联系。伴随经济的飞速进步发展，消费者对产品的外观、功能等多个方面的满意度要求越来越高，而功能永远是设计的第一要素[1]。在城市挖掘机中，目前仍以履带式为主，行走缓慢、对城市地面有损伤，质量重耗能高都成为了亟待解决的问题。近年来，TRIZ理论不断完善，成为了产品设计飞速发展的强有力辅助工具[2]。
本文运用TRIZ理论，以高速度、有效、节能为目的，对城市挖掘机进行研究再创新设计，通过分析其存在的技术矛盾，运用TRIZ工具解决设计过程中存在的问题，并借助计算机辅助设计，对潜在问题进行进一步分析与排查，开发出一种节能高效的城市挖掘机。
1 TRIZ中的沖突解决理论
TRIZ理论是解决发明问题的理论，是根里奇阿奇舒勒于1946年在苏联创立的。他与他的门徒一起从成千上万的专利和自然科学研究中，整理和归纳出的一套以解决发明问题为主要目的的实用性理论和方法体系[3]。
与传统试错法不同，TRIZ理论有一套完善的思维路径，它把某一特定问题转化成TRIZ标准问题，通过分析改善的工程参数与恶化的工程参数，在矛盾矩阵中找到对应的解域，结合解的思路对设计进行改良或者优化，得到的解域存在有用的也有可能是无用解，甚至于解域中所有的解都不满足需求需求，这就需重新定义寻找，最后通过验证或者评价获得特定的问题解，这个解绝非折中或者生搬硬套的解，而是真正立足于消除一个矛盾的最终理想解。在本文中形成最后的城市挖掘机创新设计思路，并为新产品赋予了新的造型、色彩、材料，实现造型的优化。
“发现问题——分析问题——解决问题”是利用TRIZ理论思维创新设计的完整体系。TRIZ理论认为，创新的产生主要来源于矛盾的解决，大部分矛盾都可以借助已有的模式思维去解决，研究冲突解决理论，可以创造性、有效、科学地解决问题。TRIZ理论将矛盾分为三种：管理矛盾、物理矛盾和技术矛盾，主要研究技术矛盾和物理矛盾[4]。
本文根据TRIZ理论，把产品涉及的技术转化成标准化的模型，通过39个通用工程参数来具体描述矛盾涉及到的工程参数，并结合矛盾矩阵，根据40个发明原理对应提炼可能的标准化解决方案，为城市挖掘机创新设计提供思路。
2 城市挖掘机功能创新设计中的冲突与解决
TRIZ理论的运用是一个复杂的过程，首先我们在进行产品创新过程中，需要明确亟待解决的问题，找到存在的问题，继而找到技术矛盾点，再通过矛盾矩阵进行求解，得到创新方法解，最后通过对应40条发明原理进行分析研究，得到解决方案。同时通过模型建立，对其设计的可靠性进行测试等，对方案进行进一步方案的修改与优化。本文主要对城市挖掘机这一具体产品形成的冲突进行研究，利用TRIZ工具对城市挖掘机进行创新设计的流程图，如图1。
2.1 阐述现有城市挖掘机存在的矛盾冲突
城市挖掘机主要应用于城市给水工程、市政工程、管线维修工程、天然气管道铺设、土木工程、工业建筑（废料）装卸、开挖短距离隧道、水利建设、城市拆迁等。目前城市挖掘机仍以履带式为主，履带式是挖掘机主要的行走方式，因其接地面积大，在泥泞、湿地等容易陷进去的地方，或者地势不太平整的地方有很强的优势，尤其在特殊作业环境中效果很好，比如在矿山或者工况恶劣的地方能胜任，越野能力强，这就使履带挖掘机可以应用的地方比较广泛。但在城市使用环境下，挖掘机本身自重较大，另外因履带是金属制品，灵活度低，移动性不好，耗能高，最高设计时速才5-7km/h，长距离移动依赖板车，并且履带伤害城市地面。同时，在市内工程中作业环境相对简单，对于节能、速度的要求更高一些，初步设想把履带式环换成轮式，而履带式挖掘机适用范围的优势又受到了限制，形成了矛盾冲突，需要解决。
根据上述问题描述，发现挖掘机在速度/物体耗能上与实用性/多用性存在技术冲突。通过研读TRIZ中的39个工程参数，将此特定的矛盾冲突问题转化为一般问题，确定了其中改善的参数涉及1、19、9，恶化参数涉及14、35以及34，本文主要研究改善参数1 9号即运动物体的能量，恶化的参数35号即适用性及多用性。
2.2 解决技术矛盾并确定发明原理
TRIZ理论提供了39个工程参数、矛盾矩阵表和40条发明原理。本文根据城市挖掘机的应用范围以及实际需求，对比现有的履带式挖掘即进行分析，并确定改善和恶化的两个通用工程参数，查阅阿奇舒勒矛盾矩阵，查询结果如表1所示，得到对应的解域，其对应的发明原理分别是第15条（动态化）、第1 7条（维数变化）、第13条（逆向思维）和第16条（不足或超额行动），通过对比推敲，设计出了最佳设计方案。矛盾矩阵如表1所示。
当挖掘机把履带式换成轮式必然面临着速度变快，消耗能量变低，更节能，但是适用范围、适应性和多用性又受到了影响，于是产生了技术矛盾。根据矛盾矩阵可得解域为1 5动态化、1 7维数变化、1 3逆向思维、1 6不足或超额行动。
2.3 应用发明原理确定解决思路
第15，1 7，13， 16条发明原理的解释如表2所示，根据所获得发明原理逐一提问分析并进行创新提问，寻求领域解[5]。
15、17、13、16解域是矛盾矩阵推荐的共性解决方案。对于城市挖掘机这个具体的设计对象，需要根据实际情况进行进一步的讨论。在结合产品设计原则和各个发明原理的内涵，并经过具体分析后，得出1 5号原理的“把物体分成几个部分，各部分之间可改变相对位置”，17号原理的“将物体从一维变到二维或三维空间”，1 3号原理的“使物体中的运动部分静止，静止部分运动”给予了设计灵感，16号相关度不是太高。
城市中目前使用较多的履带式挖掘机调整成轮式挖掘机，根据15、17、13解域思路，把相对静止轮子变成可动的，维数上进行调整。
3 城市挖掘机的造型优化设计
传统的产品创新设计初期需要进行大量的市场调研以获得老产品使用过程中的不足，并以此为基础进行創新改造，这种改造性创新显然滞后，难以适应市场需求的快速发展[6]。本文在TRlZ理论指导下，综合考虑市政工程中城市挖掘机实际需求的相关因素，做到以市场为导向，结合消费者的审美倾向，对小型挖掘机进行功能与造型相结合的创新设计。
3.1 功能设计
通过分析以及对解域的思考，将履带式挖掘机换成轮式，并变“静止”为“运动”，“一维”为“三维”。轮式挖掘机的四个轮子可以行进，是可以运动的部件，但是四个轮子之间相对静止，彼此之间的距离角度都是固定不变的，又可以认为是“相对静止”的部分。根据发明原理，打破常规思路，不把四个轮子简单看作一体的行走工具，而是相对独立的四个部分，各部分之间可以改变高度、角度位置等。比如，根据坑洼、台阶等特殊场地四轮进行高度以及角度的调节，这样尽可能使轮式挖掘机适应的环境更多。
轮式挖掘机行对履带式挖掘机行进速度快，一般时速可达到40—50km/h，机身重量缓解，耗能变低，有效解决了履带式挖掘机的弊端，更适应城市使用。适应性和多用性因为轮式的使用受到一定影响，但通过高度、角度的调节也有效地解决了这一问题，已基本能够满足城市挖掘机日常面临的特殊工况，如图2所示。
3.2 外观设计
此款城市挖掘机设计以问题为导向，结合个性化设计，不是对原有城市挖掘机的简单包装，而是从产品形态、品牌logo、肌理、线条、心理感受、作业环境等多因素进行考量。外观设计不仅仅要有美的形态，还应具备情感性、文化性。此款挖掘机主要应用于城市，应用属性决定了在外观设计上既要体现挖掘机本身具有的粗壮、耐用、有力、稳重的特点，也要体现其灵活的视觉效果，所以在外观造型设计中大量使用曲线造型。
3.3 色彩设计
工程机械不同于一般工业设计产品，色彩还应满足使用者的精神需求，以及所需品牌的文化企业、合理的色彩，也使产品的“形”更加突出。目前，很多企业也通过色彩来改进设计，形成自己特有的品牌色彩，吸引更多的客户。此城市挖掘机是以徐工为研究背景，所以在颜色以徐工惯用的黄色和灰色为基调，色彩搭配简单明快，车身logo印制在挖掘机机械臂上，与徐工系列产品形成统一的视觉效果，凸显徐工的企业品牌，形成一定的品牌效应。
4 城市挖掘机的设计实现
城市挖掘机的造型设计应用于产品，但是最终服务的却是用户人，所以整个设计不论从造型、色彩还是功能完善上更应体现人的需求。本设计力求产品外观、功能达到技术与艺术的结合。在功能设计上考虑时速/节能，同时满足多适应性;在外观上注重粗壮、稳定以及灵活的特点，同时注重色彩对产品的辅助作用，满足消费者生理与心理多方面的需求。在设计过程中采用CAD/CAE/犀牛电脑技术辅助设计，如图3所示。
经过整体造型形象设计及多次方案修改，最终设计结果如图4所示。
5 结语
TRIZ理论可以打破常规设计思维，分析日常生活中遇到的难题，利用新的创新模式去解决问题，缩短创新时间，突破设计瓶颈，保证创新有效性。本文在TRIZ冲突解决理论的指导下，将城市挖掘机行走部件进行重新设计，能够有效地解决履带式挖掘机伤害城市地面、耗能、行走缓慢等问题。在解决城市挖掘机市政工程需求的基础上，提出了较之前产品更为合理及便利的轮式挖掘机结构及外观上的创新设计方案。
主要结论如下：
1）创新来源于解决问题，消灭冲突，设计不能只停留在表面或者空想上，而是应该从问题出发，从功能出发，从实用性出发，从根源入手解决问题。
2） TRIZ是比较系统的分析方法，与其它理论相比，它可以将问题进行拆解、划分、归类，通过体系化的模式、有规律地解决冲突问题[7]。相较其它创新理论较为随机性和偶然性的激励方法，TRIZ理论在解决过程规范化、合理化.高效化。
3）与以往单纯从外观对产品进行创新设计不同，本文不仅仅关注造型和色彩，而是更着重于从问题出发，从城市挖掘机的实际需求出发，对问题进行科学理性分析，引入TRIZ理论科学地引导创新，从多个解域思考问题的解决方案，灵活运用最恰当、最直接有效的TRIZ工具解决问题。从本文中可知，在对城市挖掘机进行创新设计时首先要分析目前城市市政工程中常用挖掘机有哪些问题，有哪些问题以及迫切需要什么功能。结合39个工程参数，矛盾矩阵表和TRIZ理论40条发明原理得出解域，在得出解域的基础上通过分析、对比、推敲得到理想解即最佳解决方案。经研究探索，在对工程机械进行创新设计时，TRIZ理论是有效的，且是有针对性和方向性的，是科学、理性、高效的设计方法，能为设计师提供方便快捷的方式，解决设计难题。该模型的建立将提高机械结构设计中矛盾的解决效率，促进制造业的发展[8]。
4）在设计过程中，在对城市挖掘机进行创新设计时，利用TRIZ理论相对其它创新方法来说更能提供明确的解决目标和方向，更具有实际意义。当然，设计师想要得心应手地应用TRIZ工具对产品进行创新设计，还需要不断努力摸索，深入研究及积累一定的经验。
参考文献
[1]曹国忠，张曙，解秋蕊，基于冲突解决理论的产品造型设计方法研究[J]，包装工程，2018，39（14）：1-7.
[2]齐瑞文，杨明朗，黄婉春.TRIZ创新理论在卧式卷烟包装盒设计中的运用[J].包装工程，2006，27 （1）： 140-141，161.
[3]张建敏，王建伟，杨勤，等，基于TRIZ理论的手扶式旋耕机造型设计研究[J]，包装工程，2019，40 （04）：133-139.
[4]韩卫国，苏颜丽，李辉，等.基于TRIZ冲突解决理论的抽油烟机创新设计[J].机械设计，2016，33（11）：114-117.
[5]赵荣丽，成思源，李克天，等，基于TRIZ冲突解决理论的平板电脑包装创新设计[J].包装工程，2012，33 （04）：39 -42.
[6]陈刚，孙金红，孟为国，等.基于用户需求分析的手扶微耕机设计方法[J]，机械设计，2016，33 （11）：7-12.
[7]胡正银，方曙，张娴，等.个性化语义TRIZ构建研究[J|，国书情报工作，2015，59 （07）：123- 131.
[8]张魏，任工昌，张强，等.TRIZ与情景分解法在换刀机械手设计中的应用[J].制造技术与机床，2018，（11）：53-57.
