1、基于 TRIZ 理论的集装箱结构设计 沈微 刘静 李思平 东北林业大学工程技术学院 摘 要： 指出集装箱在使用过程中存在的问题, 利用 TRIZ 理论分析集装箱的门和锁在使用过程中存在的技术矛盾, 通过矛盾矩阵找到相应的发明原理, 并结合实际选择解决问题的方案, 设计出满足要求的新结构。改造后的集装箱的装卸搬运效率大大提升, 且安全性能也得到提高。关键词： TRIZ 理论; 矛盾矩阵; 集装箱; 结构设计; 作者简介：沈微 (1977-) , 男, 吉林人, 博士, 讲师, 主要研究方向:物流工程。收稿日期：2017-05-24基金：中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2572017CB07
2、) Design of Container Structure Based on TRIZShen Wei Liu Jing Li Siping School of Engineering Abstract： In this paper, we pointed out the problems existing in the current application of containers, then used the TRIZ theory to analyzed the technical dilemma in the use of the door and lock with the
3、container, identified the corresponding principle of invention through the contradiction matrix and at the end, in connection with a practical case, designed a new structure that could meet the requirement.Keyword： TRIZ theory; contradiction matrix; container; structural design; Received： 2017-05-24
4、1 引言世界经济与国际贸易的增速加快, 将推动全球集装箱运输需求增幅扩大, 全球范围内集装箱运输需求将保持 4%左右增长速度1-2。集装箱作为工业标准件, 具有一定的强度、刚性和规格, 且容量大的特点, 对大宗工业产品的运输起着至关重要的作用。随着物流行业的发展, 集装箱被广泛应用在各个运输领域3。传统的集装箱已无法满足企业对物品装卸搬运效率的需求, 存在着装卸搬运货物效率低、集装箱的门锁安全性低、箱内货物容易被窃取等问题, 迫切需要新式结构的集装箱设计。近年 TRIZ 理论已成为创新设计的一个非常有效的辅助工具4-5。因此, 文中利用 TRIZ 理论对集装箱的门和锁进行创新设计, 分析问题并
5、改进集装箱现有结构, 得出一个优化方案, 提高集装箱的货物装卸搬运效率和安全性能。2 TRIZ 理论概述TRIZ 理论 (Theory of Inventive Problem Solving) 即发明问题解决理论6, 它是一种以技术系统为认知分析基础, 以解决问题为首要任务, 以不断提高技术系统的理想度为进化目标, 让所有的产品变得更美的理论与方法学。其核心是建立基于消除技术冲突的逻辑方法, 不断发现问题并加以解决, 推动产品不断提升, 实现理想化创新产品设计7-8。TRIZ 是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统, 技术系统演变的8 个模式、39 个通用工程参数、40 条发明原理
6、、3939 冲突解决矩阵、76 个标准解、发明问题解决算法 (TRIZ) 及效应数据库等构成了 TRIZ 的理论与方法体系9-10。任何问题的解决过程都包含两部分:问题分析和问题解决11。应用 TRIZ 理论解决问题的步骤主要是:首先对实际问题进行分析;然后将待解决的问题转化为TRIZ 标准问题, 应用发明理论, 找到对应的 TRIZ 标准解决方案模型;最后, 将这些类似的解决方案模型应用到具体的问题之中, 演绎得到问题最终解决方法12。TRIZ 理论解决问题的具体流程如图 1 所示。图 1 TRIZ 理论解决问题流程图 下载原图3 基于 TRIZ 理论的集装箱结构分析3.1 问题描述传统的集
7、装箱只能通过打开后端板来装卸货物, 由于现在的集装箱箱体制作得越来越长, 使得装卸货越来越不方便, 严重影响工作效率。另外, 从安全性方面考虑, 在货物配送过程中, 集装箱经常发生货物被盗事件。现有集装箱的门锁比较普通, 装置不够完善, 而且长期暴露在外, 容易被分析原理和开锁规律。随着偷窃手段的层出不穷和日益变化的社会环境, 这种门锁已经不能满足货物安全配送的要求。3.2 矛盾分析一般情况下问题的理想状态不是可以轻易得到的, 甚至有的问题没有确定的理想状态, 并且在分析问题的过程中, 经常会出现矛盾和冲突。这时, 可以通过矛盾矩阵选择发明原理来解决冲突, 寻找解决问题的方法, 实现产品创新设
8、计或改良设计13。根据上述问题, 将集装箱看成一个系统, 分为安全系统和操作系统。从这两个系统分别对集装箱的结构进行改进, 以实现问题的解决。通常情况下集装箱装卸货是从后端板实现的, 工作效率很低。如果把集装箱的左右侧板也同时打开, 从三个方向同时装卸货, 效率肯定会大大提高。然而, 左右侧板打开的同时会导致左右侧板占用侧方空间大、集装箱的构造复杂等问题。另外, 集装箱容易被盗, 可以把锁的结构复杂化。例如:在原来一道锁的基础上额外增加一道锁。然而, 锁的额外增加会造成成本高、装置的可制造性要求变高等问题。此时存在着的技术矛盾有:集装箱装卸搬运效率的提高与集装箱构造复杂性的矛盾;增加第二道锁来
9、提高安全性能与成本高、装置复杂的矛盾。上述问题可转换成用 39 个通用工程参数来描述15, 即 12 形状 (改善参数) 与 36 装置的复杂性 (恶化参数) 的冲突;36 装置的复杂性 (改善参数) 与 32可制造性 (恶化参数) 的冲突。根据 TRIZ 理论中有关矛盾的定义, 确定这是两对技术矛盾。然后再根据由 39 个工程参数与 40 条发明原理建立对应关系而组成的 40 行 40 列的矛盾矩阵表去寻找并确定创新原理, 矛盾矩阵, 具体见表1。表 1 矛盾矩阵 下载原表 通过矛盾矩阵查找相应的交点解决方案找到 16, 29, 1, 28 号发明原理可作为解决集装箱门相应问题的原理, 27
10、, 26, 1, 13 是解决集装箱锁相应问题的原理。发明原理见表 2。表 2 发明原理 下载原表 4 集装箱门和锁结构的设计经过上述发明原理14, 发现 01 号和 29 号是解决集装箱门相应问题的较好方法。01 号原理是分割: (1) 将一个物体分成相互独立的部分。 (2) 使物体分成容易组装及拆卸的部分。 (3) 增加物体相互独立的程度。29 号原理是气动或液压结构, 物体的固定零部件可用气动或液压零部件代替。26 号和 27 号是解决集装箱门锁相应问题的较好方法。26 号原理是复制, 即用简单的、低廉的复制品代替复杂、昂贵、易碎的或不易操作的物体。27 号原理是用低成本、不耐用的物体代
11、替昂贵、耐用的物体。针对上述两对冲突, 改进方案见表 3。表 3 改进方案 下载原表 4.1 集装箱门的设计设集装箱宽为 a, 高为 b, 切割位置距离集装箱顶板侧梁的距离为 b1, 侧翼举升时占用侧方的最大距离为 c。侧翼的上部分占用侧方空间最大时, 上部分侧翼的最低端与顶板横梁应处于同一水平线上。上下侧板的分割点不同, 侧开门箱板举升过程中占用侧方空间的最大值不同。合理的选取分割点, 使该最大值取最小值时为最优方案。当改进的侧开门集装箱平放在地面时, 集装箱所占空间的大小由分割点以下侧板平放在地面上的宽度 b-b1和上侧板举升过程中所占用的超出箱体本身的空间宽度 c 共同决定, 且存在着
12、b1=2.4c+c 的关系。通过计算找出 minmax (c, b-b1) 满足最大程度地节省侧方空间, 改造后的集装箱结构如图 2, 集装箱侧视如图 3。图 2 改造后的集装箱结构图 下载原图图 3 集装箱侧视图 下载原图由于选取 1AA 型集装箱作为研究对象, 其外尺寸为 12.2m2.4m2.6m (长宽高) , 则取 a=2.4, b=2.6。通过计算得出:取 b-b1=0.87m, c=0.9m, 即在距离下侧板底部 0.87m 处进行切割, 使侧翼分为上下两部分, 为最节省空间的切割方式。与不切割之前相比, 占用侧方的空间节省了 26.57%, 同时左右侧板的打开, 大大提高了集装
13、箱装卸搬运货物的效率。4.2 集装箱锁的设计为了降低集装箱门锁被盗的风险, 在第一和第四锁杆上分别焊接一个 L 型铁杆, L 型铁杆平行于锁杆一侧设置内孔, 在后门上焊接一个与内孔相对应的铁环, 形成第二道锁。第一道锁的结构和位置都不发生改变。具体情况如图 4 所示。设计前的门锁是将海关关封锁在手柄和托架座, 当不法分子破坏了集装箱上门锁结构中手柄与手柄座的连接时, 会将手柄座和海关关封作为整体从集装箱后门拆除并不破坏其结构, 当行窃完毕后, 会将手柄座和海关关封恢复原状, 使得事主不能及时发现失窃情况。设计后的集装箱门锁部分结构如图 5 所示, 将海关关封锁在第二道门锁上, 由于 L 型铁杆
14、与锁杆相对固定, 并随锁杆转动, 在海关关封的约束下, L 型铁杆和铁环相互配合, 使不法分子即使破坏了集装箱上门锁机构中手柄与手柄座的连接处, 也不能转动锁杆将门打开。只有破坏海关关封才能将门锁打开进入集装箱内进行窃取, 使事主能够及时发现失窃情况, 并报警处理, 极大地提高了集装箱的安全性15-16。图 4 改进后的集装箱门锁结构图 下载原图图 5 改进后的集装箱门锁部分结构图 下载原图1.L 型铁杆 2.铁环 3.内孔 4.海关关封 5.托架盖 6.托架座 7.手柄 8.锁杆5 结语目前集装箱在使用过程中存在着装卸货效率低、门锁的防盗措施不够完善等问题。利用 TRIZ 理论分析集装箱的门
15、和锁在使用过程中存在的技术矛盾, 利用矛盾矩阵找到相应的发明原理, 并结合集装箱存在问题的实际情况选择适当的发明原理, 找到解决问题的新方案, 设计出满足要求的新结构17。改造后的集装箱在提高装卸搬运效率的基础上, 使左右侧板占用侧方的空间最小。同时, 集装箱门锁的改进, 大大提高了安全性能, 降低了货物被盗的风险。参考文献1檀财茂, 黄有方, 何军良, 等.集装箱港口出口箱堆场空间优化分配研究J.计算机仿真, 2016, 33 (10) :187-191. 2刘华存.冷藏集装箱顶门的设计J.集装箱化, 2012, 255 (10) :18-27. 3Drewry Maritime Resea
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