中科大发明问题解决理论TRIZ法解读讲义04物理矛盾与技术矛盾解决原理

40 第第 4 章章 物理物理矛盾与技术矛盾解决原理矛盾与技术矛盾解决原理 4.1 矛盾的概念及分类矛盾的概念及分类 矛盾普遍存在于各种产品或技术系统中。当需要提高产品某方面性能，改变其中某零部件时，可能会对产品其它方面性能产生负面的影响，这时便出现了矛盾。例如，在飞机中如果使其垂直的稳定器即垂直舵的面积加大一倍，将会减少飞机 50%的振动幅值,但这也导致了飞机对阵风和阵雨的敏感性，同时增加了飞机的重量。对于技术中的矛盾，传统上通常按折中法加以处理。但这种折中法仅仅降低了矛盾的程度，并没有彻底解决矛盾。TRIZ 理论认为，技术系统创新的标志是解决或去除系统中的矛盾，而产生新的有竞争力的解。发明问题的核心是发现矛盾并解决矛盾，未克服矛盾的技术不是创新技术。技术系统进化过程就是不断解决系统所存在矛盾的过程。技术人员在设计过程中不断发现并解决矛盾，是推动技术系统向理想化方向进化的动力。如图 4.1 所示，在工程技术范围内的矛盾包含自然矛盾、社会矛盾和工程矛盾等多个方面。所谓自然矛盾是由于自然规律限制而在目前阶段不可能解决的矛盾。社会矛盾分为文化矛盾、组织矛盾和个性矛盾。产品技术与产品个性化的社会需求所引起的矛盾即为个性矛盾；一个企业中部门与部门之间的不协调，将造成组织矛盾；对于改革或创新的偏见就是文化矛盾。工程矛盾又分为管理矛盾、物理矛盾和技术矛盾。所谓技术矛盾，是指在一个技术系统中，当一个参数被改动时，另一个参数就变差，例如：发动机功率增大，但耗油量升高。物理矛盾则是指同一个参数的两个互相对立的特性，如温度的冷与热；几何尺寸的长与短；物体的软与硬等。其中的管理矛盾是指为了避免某些现象或希望取得某些结果，需要做一些事情，但不知道如何去做。由于管理矛盾对技术创新无启发价值，不能表现出工程技术问题解的可能方向，它不属于TRIZ 的研究内容。下面侧重讨论物理矛盾和技术矛盾及其解决原理。矛盾 自然矛盾 工程矛盾 社会矛盾 文化矛盾 组织矛盾 个性矛盾 管理矛盾 物理矛盾 技术矛盾 41 图图 4.1 4.1 矛盾的类型矛盾的类型 4.2 物理矛盾及其解决原理物理矛盾及其解决原理 所谓物理矛盾是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有某种特性，但该特性出现的同时会产生与此相反的不利或有害的后果。物理矛盾一般来说有2 种表现：一是系统中有害性能降低的同时导致该系统中有用性能的降低；二是系统中有用性能增强的同时导致该系统中有害性能的增强。例如，为了便于起飞，飞机的机翼应有较大的面积，而面积大却影响飞机的高速飞行，高速飞行要求机翼有较小的面积，对于这种机翼的技术就存在有物理矛盾。又如,现在手机要求整体体积越小越好，便于携带和更美观，同时又要求显示屏和键盘设计得越大越好，便于观看和操作，所以对手机的体积设计要求具有大、小两个方面的趋势，这就是手机设计的物理矛盾。表 4.1 中列出了常见的一些物理矛盾。表表 4.14.1 常见的物理矛盾常见的物理矛盾 类别 物理矛盾 几何类 长与短 圆与非圆 对称与非对称 锋利与钝 平行与交叉 窄与宽 厚与薄 水平与垂直 材料类 多与少 密度大与小 导热率高与低 温度高与低 能量类 时间长与短 黏度高与低 功率大与小 摩擦系数大与小 功能类 喷射与堵塞 运动与静止 推与拉 强与弱 冷与热 软与硬 快与慢 成本高与低 物理矛盾的解决一直是 TRIZ 法研究的重要内容，Altshuller 于 20 世纪 70年代提出了 11 种物理矛盾的解决方法，如表 4.2 所示。目前，有 TRIZ 法专家认为可把 11 种方法归纳为 4 种，分别为空间分离原理，时间分离原理，整体和部分分离原理以及基于条件的分离原理。1)空间分离：将矛盾双方分离在不同的空间，以降低解决问题的难度。当系统矛盾双方在某一空间只出现一方时，空间分离是可能的。例如，测量海底时，将声纳探测器与船体空间分离，用以防止干扰，提高测试精度。又如在快车道上方建立人行天桥，车流和人流各行其道，实现空间的分离。2)时间分离：将矛盾双方分离在不同的时间，以降低解决问题的难度。当系统矛盾双方在某一时间只出现一方时，时间分离是可能的。例如，将飞机机翼设计成可调的活动机翼，以适应在飞行中各个时间段的不同要求。又如为了解决用电高峰期电能紧缺的矛盾，进行时间分离，用电低42 峰时降低电价，鼓励人们低峰时间用电。3)条件分离：将矛盾双方在不同的条件下分离，以降低解决问题的难度。当系统矛盾双方在某一条件性下只出现一方时，条件分离是可能的。例如，将水射流条件分离，给予不同的射流速度和压力，即可获得“软”的或“硬”的不同用途的射流，用于洗澡按摩或用作加工手段甚至用于武器。4)整体与部分分离：将矛盾双方在不同的层次分离，以降低解决问题的难度。当系统矛盾双方在系统层次只出现一方时，整体与部分分离是可能的。例如，采用柔性生产线，以满足大众化和个性化市场需求的不同要求。表表 4.2 4.2 物理矛盾的解决方法物理矛盾的解决方法 序号 解决方法 应用举例 1 矛盾特性的空间分离 用齿形带进行运动传递可降低因齿轮啮合运动产生的噪声。2 矛盾特征的时间分离 折叠式自行车在行走时体积大，在储存时因折叠体积变小。3 不同系统或元件与另一系统相连 轧钢时，传送带上的钢板首尾相连，以使钢板端部保持一定温度。4 将系统改为反系统，或将系统与 反系统相结合 为防止润滑系统渗漏，常采用密封装置。5 系统作为一个整体具有特性+B，其子系统具有特性B 链条与链轮组成的传动系统是柔性的，但是每一个链节却是刚性的。6 微观操作为核心的系统 微波炉可代替电炉加热食物。7 系统中一部分物质的状态交替变化 运输时氧气处于液态，使用时处于气态。8 由于工作条件变化使系统从一种状态向另一种状态过渡 形状记忆合金管接头在低温下很容易安装，而在常温下不会松开。9 利用状态变化所伴随的现象 一种输送冷冻物品装置的支撑部件是由冰制成的，在冷冻物品融化过程中能最大限度地减少摩擦力。10 用两相的物质代替单相的物质 抛光液可由一种液体与一种粒子混合组成。11 通过物理作用及化学反应使物质从一种状态过渡到另一种状态 为了增加木材的可塑性，可将木材注入含有盐的氨水。分离原理是 TRIZ 法针对物理矛盾的解决而提出的，主要就是将矛盾双方分离，分别构成不同的技术系统，以系统与系统之间的联系代替内部联系，将内部矛盾外部化，后面将详细解释分离原理的具体应用。应用分离原理可以这样解决物理矛盾，如前面提到的根据手机整体设计趋向最小化的要求，可以在整体体积固定的情况下，将手机的显示屏和键盘分离，使其重叠，令表面上显示屏最大化，43 键盘做成隐藏式的，使用键盘时可以从显示屏后将键盘抽出，这样就解决了手机设计的这个物理矛盾。对于某一个技术系统，物理矛盾有以下三种情况。第一种情况，这个元素是通用工程参数，不同的设计条件对它提出了完全相反的要求。例如，对于建筑领域，墙体的设计应该有足够的厚度以使其坚固。同时，墙体又要尽量薄以使建筑进程加快并且总重比较轻。第二种情况，这个元素是通用工程参数，不同的工况条件对它有着不同（并非完全相反）的要求。例如，某个装置要实现温度达到100 度，又要实现温度达到 200 度；灯泡的功率既要是 25 瓦，又要是 100 瓦。第三种情况，这个元素是非工程参数，不同的工况条件对它有着不同的要求。例如冰箱的门既要经常打开，又要经常保持关闭；道路上既要有十字路口，又要没有十字路口；歌咏比赛的奖项既要设立得多，又要设立得少等等。下面是几个小例子。例 1：土地爷的哲学 这是古时候的一个神话故事。有一次土地爷外出，临行前嘱咐他的儿子替他在土地庙“当值”，并且一定要把前来祈祷者的话记下来。他走后，前前后后来了四个祈祷者一位船夫祈祷赶快刮风，以便乘风远航；一位果农祈祷别刮风，避免把快成熟的果子给刮下来；一个种地的农民祈祷赶紧下雨，以免耽误播种的季节，一位商人祈祷千万别下雨，以便趁着好天气带着大量的货物赶路。这一下子可难住了土地爷的儿子，他不知该怎么办才能满足这些人们的彼此不同的要求，只好把所有祈祷者的话都原封不动地记了下来。很快，土地爷回来了，看了儿子的记录，哈哈一笑说，别愁眉苦脸了，照我的办法做就是了，肯定能满足他们各自的要求。土地爷提笔在上面批了四句话：“刮风莫到果树园，刮风河边好行船；白天天晴好走路，夜晚下雨润良田。”如此一来，四个不同的祈祷都如愿以偿、皆大欢喜。其实，土地爷的前两句话说的是风的“空间分离”，后两句话说的是雨的“时间分离”。例 2：一个欧洲鞋业公司遇到的难题 某欧洲鞋业公司生产一种知名品牌的运动靴。为了节约生产成本，这个欧洲鞋业公司把生产地点转移到了东南亚某个国家。在靴子的生产过程中，生产工艺和质量控制得非常严格，一切似乎都很顺利。但是没有过多久，问题出现了，管理者很快发现少数当地工人有偷靴子的行为。管理者曾多次公开警告，包括使用降薪、开除等管理手段，但是始终难以奏效。我们现在来分析一下这个欧洲鞋业公司遇到的问题。生产过程需要降低成本，因此需要让东南亚国家的当地人生产靴子，但是因为有当地工人偷靴子，所以又不能让当地工人生产靴子。在这里，“既要”又“不要”让当地工人生产靴子的矛盾出现了，这是一个典型的物理矛盾。44 解决这个矛盾的资源，实际上就是在这双靴子的本身，你想到了解决方案了吗？在咨询了技术创新专家以后，这个欧洲鞋业公司选择了如下的生产方案。生产地点还是选择在东南亚，但是，在某个国家生产左靴子，在另外一个国家生产右靴子，在第三个国家生产靴带子。对于生产地点来说，应用的空间分离原理；对于靴子来说，应用的是整体与部分的分离原理。此后，工人偷靴子的现象基本上就杜绝了。同理，在生产诸如枪械等军工产品的时候，也常常采用把枪栓、撞针等零部件异地生产的方法，以避免在某一地枪支零部件丢失以后被窃贼装成整枪的危险。例 3：燃灶燃气输入控制 分析问题：燃具工作时燃气的输入大小希望可控，从而减少能源的浪费。当加热锅时，应加大燃气输入量，当锅是空的或锅不在位置时，应仅输入少量燃气，起保温或保持炉火燃烧的功能。物理矛盾提取：根据条件的不同，希望燃气输入可大可小，构成物理矛盾。现使用分离原理中的条件分离原理来解决。宁波发明人用了一种巧妙的方法解决了此问题并申请了发明专利。专利名称为大小火自控装置，如图 4.2。锅压力输气管移动杆控制孔弹簧 图图 4.2 4.2 燃气输入控制示意图燃气输入控制示意图 当锅被取走或锅内食物较轻时，移动杆受弹簧推力向上移动，移动杆上的控45 制孔与输气管道上的孔几乎封合，燃气输入会变小。当锅内装有食物放在此燃具上时，移动杆受锅的重力下移量增加，控制孔与主管上的孔口相连部分变大，输气量也随之变大。例 4：北京公交系统 奥运会过后，北京的交通取消了汽车单双号上路的规定，公路上又出现了排长队等红绿灯的车队。大量的汽油耗在了等红灯和反复起动上，既浪费了能源，又严重污染了空气，还大大增加了人们在路途上的时间，产生了城市交通低效率的运行结果。如何运用 TRIZ 法，在时间、空间上进行有效分离，从而提高公交车运行效率？北京的公交目前存在的问题：1)单路车因路线长而总是不按时到达。2)多路车在一条线上拥堵占道。3)单路车为保证时间间隔短大量配车,而除上下班时间外,开只有几人乘坐的空车。4)每个等车站很长，很乱，一来车，可以坐这路也可坐哪路，跑来跑去。5)站牌太多，字太小，有时两个远离的牌子看起来很困难。有时一个红绿灯口两边有不同的车，来回走。解决方法：1)空间上分离：专用公交线。就像路上的无轨“铁路”。2)时间上分离：高峰时段每 3 分钟发一次车，低谷时段每 10 分种发一次车。3)整体与部分的分离：部分单位可在上下班时租用专线公交车作班车。4)基于条件的分离：设立公交车停车港湾，减少公交车停车时造成的道路拥堵。为了便于应用四项分离原理解决物理矛盾，TRIZ 法列出了四项分离原理与40 个发明原理之间的对应关系，见表 4.3。在此表中，发明原理 1，7，13 和 35分别出现了两次，如发明原理 1 分别出现在空间分离和基于条件的分类