基于TRIZ理论一种屋顶自动清雪系统.docx
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基于TRIZ理论一种屋顶自动清雪系统.docx
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基于TRIZ理论一种屋顶自动清雪系统
附件3:
序号:
编码:
第七届“TRIZ”杯大学生创新方法大赛
作品申报书
(创新设计类)
作品名称:
基于TRIZ理论一种屋顶自动清雪系统
单位:
齐齐哈尔大学材料科学与工程学院
申报团队:
ForMaterial
TRIZ导师:
专业导师:
负责人:
马国银
联系电话:
E-mail:
指导教师推荐理由:
(希望评委关注的亮点,言简意赅、切忌浮夸、否则会影响成绩、80字内)
1、适用于东北等多雪地区的屋顶清雪工作;
2、充分运用TRIZ理论解决问题;
3、清雪效率高、能耗低;
4、成本较低,有良好的成果转化前景和市场空间;
5、设备结构简单,自动化程度高;
第七届“TRIZ”杯大学生创新方法大赛组委会制
2019年3月10日填写
说明
1.申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2.申报者在填写申报作品时需详细填写表A、B、C。
3.表内项目填写时一律打印,要求申报者一律按原表复制。
4.序号、编码由第七届全国“TRIZ”杯大学生创新方法大赛组委会填写。
5.作品申报书须按要求由各学院统一分类报送。
6.所有参赛作品必须按规定时间报送。
7.所有参赛作品填写相关内容均需报送纸质佐证材料复印件,如已成立公司需提供企业营业执照;已申请专利需提供专利受理通知书、授权通知书及缴费凭证等相关佐证,发明人要有参赛学生名字。
A.团队基本情况
作品名称
基于TRIZ理论一种屋顶自动清雪系统
团队名称
ForMaterial
所在学院
齐齐哈尔大学材料科学与工程学院
通信地址
黑龙江省齐齐哈尔市向阳区学府街148号
TRIZ导师信息
性别
出生年月
身份证
职称
联系电话
联系人
微信
专业导师信息
性别
出生年月
身份证
职称
联系电话
联系人
微信
团
队
成
员
姓名
性别
年龄
专业
联系电话
项
目
资
格
认
定
学
院
负
责
部
门
意
见
是否为在2019年3月1日前正式注册的在校全日制非成人教育、非在职的各类学生(含专科生、本科生、研究生)
□是□否
若是,其学号是:
负责人签名:
部门盖章:
年月日
B.参赛作品简介
作品名称:
基于TRIZ原理的一种屋顶自动清雪系统
团队名称:
ForMaterial
单位:
齐齐哈尔大学材料科学与工程学院
作者:
作品简介(150字以内):
基于TRIZ理论的一种屋顶自动清雪系统是专门针对多雪地区锥形屋顶高层建筑所涉及的,可完成实时监测雪情、自动清雪、自主供能等多项联合作业。
该系统主要有雪深探测系统、风力发电系统、储水供水系统、清雪系统等组成。
适用于高层建筑、钢架结构厂房的屋顶清雪工业,自动化程度高。
应用的TRIZ理论(100字以内):
在自动清雪系统的设计过程中,运用TRIZ理论中的系统完备性法则、九屏幕分析法、生命曲线和资源分析得到最终理想解、技术矛盾和物理矛盾。
根据矛盾矩阵和物场分析等得到多种解决方案,并确定了最终方案。
两张具有代表性的作品jpg照片(要求每张文件大于2M),并以文件形式单独提交,应对每张图片附加文字说明。
该作品简介大赛组委会将在官方网站公开进行成果转化推介,请参赛队伍注意知识产权的保护。
指导教师签名:
第一作者签名:
专利申请情况
提出专利申请申请号:
申请日期年月日
□已获专利权批准批准号:
批准日期年月日
此作品参加本赛事之前获奖情况
是否获过奖
□是否
获过奖赛事名称
获奖级别
成果转化情况
是否与企业对接是□否
对接企业名称:
对接日期年月日
C.申报作品TRIZ理论应用情况
本部分需要展现如下内容,请“亲们”仔细阅读、认真领会!
1、运用TRIZ解决问题时的步骤;
2、体现运用TRIZ各种创新工具解决问题时的自然诚恳态度;
3、重要的不单是获得结果,而是运用TRIZ的分析和思考过程;
4、如实记录方案产生的思维过程以及附带产生的想法;
5、发明问题可以有很多解决方案,因此展现你的评价技能和选择最佳方案也很重要;
6、完美展现、诠释你的最佳方案。
学会运用创新方法分析、思考、解决问题远比获奖更重要!
祝你取得好成绩!
以下步骤模板及案例仅供参考
第一部分:
问题描述
1、项目概述
1.1项目来源
近几年来,由于人类对资源的毫无节制的开发,破坏了地球的生态环境,是的极端气候频发,冬季发生暴雪灾害在近些年来世界各地发生频繁,并且层叠堆积的雪长时间得不到及时处理,造成了一系列的事故的发生,产生了一些无法估量的严重后果。
2018年1月4日15时40分许,位于安徽省六安市金安区皖西大道的一家超市仓库因积雪过多,导致1400多平米仓储用房坍塌,造成仓库内10名工作人员受困,被困人员全部获救后送往医院急救,3人抢救无效死亡,7人不同程度受伤。
雪灾导致5省200余人紧急转移安置,100余人需紧急生活救助;近200间房屋倒塌,400余间不同程度损坏;直接经济损失5.1亿元。
高冷多雪地区的屋面上积雪很大,积雪一旦达到一定厚度就会对屋面的使用安全造成威胁,甚至造成屋顶压坏。
如果采用人工除雪,不仅除雪频率低下,浪费人民的时间,而且高层屋面除雪危险性很大。
所以设计一种屋顶自动清雪的系统。
1.2装置基本结构
屋顶自动清雪系统是清理屋顶积雪的设备,适用于高冷多雪地区民房住宅、工厂厂房的锥形屋顶积雪清理等使用场景。
可自动识别积雪厚度并进行清雪作业的工作,其基本结构如图:
图1系统结构图
2、发明问题初始形势分析
2.1系统工作原理
屋顶自动清雪系统的主要由风力发电设备、单片机、激光测雪深仪、抽水泵、可加热储水箱、顶棚、卷曲弹簧、钢丝绳、U型清雪管、供水软管等部分组成。
系统的安装及工作过程如下:
将顶棚沿屋脊安装并固定,两侧U型清雪管分别与顶棚上卷曲弹簧通过钢丝绳连接,并在将风力发电设备、储水供水装置、总控制模块安装固定在屋脊处,用供水软管连接U型清雪管、抽水泵及可加热储水箱。
系统安装后,风力发电机持续发电为整个系统提供能源。
冬季降雪期,激光测雪深仪测定积雪厚度,并将雪深信息传输到总控制模块,积雪厚度达到预先设定的清雪雪深时,总控制模块会将清雪信号传输给清雪系统。
清雪系统接收清雪信号时,抽水泵从可加热储水箱中抽取防冻热液加注到U型清雪管中,U型清雪管随着重量的增加拉动钢丝绳克服卷曲弹簧的弹力,向下滑动破坏雪层底部的结构完成清雪的功能。
待清雪作业完成后,抽水泵将U型清雪管内液体抽入储水箱中,使得U型清雪管重量逐渐减小,在钢丝绳的牵引下回到初始位置。
系统安装
风力发电系统供电
设定清雪积雪厚度值
激光侧雪深仪测定雪深
总控制模块判断是否达到设定值
抽水泵供水
U型清雪管移动清雪
抽水泵抽水
U型清雪管复位
否
是
图2系统原理图
2.2存在主要问题
(1)系统清雪不彻底。
(2)自带发电装置供电不足。
2.3限制条件
(1)如遇反常极端天气,瞬时降雪量过大,导致清雪不彻底,需提高U型清雪管清雪能力。
(2)因全年风量过小,风力发电装置及蓄电池电量不足,需提高发电效率。
2.4类似产品解决方案
(1)现在市面上主要的清雪手段为撒盐、鼓风机、铲除,大多是通过人工进行这些清雪工作,但对屋顶除雪并没有太好的解决方案。
图3人工清雪作业
(2)青岛某高校科研团队所研制的一种自动清除屋面积雪的装置,通过屋脊处的带轮与屋檐处的带轮的传动,带动屋面上预先铺设的薄膜,从而实现屋面清雪。
图4机械清雪装置
2.5存在问题
(1)采用撒盐、鼓风机、铲除等人工作业方法,清雪效果差,有噪音、环境污染,并具有一定的作业危险性,并很难适用于高层建筑。
(2)采用带轮带动薄膜传动的方式,由于需要预先铺设薄膜,安装繁琐;带轮转动消耗的能量较高,无法完全实现系统自主供能。
第二部分:
系统分析
3、系统分析
系统分析是基于Triz方法进行创新的重要步骤。
将利用TRIZ理论进行系统化的分析,对研发或解决问题的思路有明确的指导意义。
技术的生命曲线、资源分析、功能分析、九屏幕分析法等等是系统分析的重要方法。
如利用完备性法则有助于确定实现所需技术功能的方法并节约资源,利用它可以对效率低下的技术系统进行裁剪;根据资源分析,解决资源的合理利用。
下面对屋顶自动清雪系统进行分析。
3.1系统完备性法则
系统是为实现规定功能以达到某一目标而构成的相互关联的一个集合体或装置(部件)。
为了实现系统功能,系统必须具备最基本的要素,各要素之间又存在着不可割裂的联系,而系统具有单独要素所不具备的系统特性。
如果缺少其中的任一部件,就不能成为一个完整的技术系统;如果系统中的任一部件失效,整个技术系统也无法“幸存”;技术系统存在的必要条件是基本要素都存在并具有最基本的工作能力。
(1)技术系统名称:
屋顶自动清雪系统
(2)明确技术系统的功能:
通过激光测雪深仪测定积雪深度,并自动进行清雪作业
(3)技术系统的组成部分:
动力装置(抽水泵)、传输装置(供水软管)、执行装置(U型清雪管)、控制装置(单片机)、外部装置(激光测雪深仪)
.
图5屋顶自动清雪系统分析图
3.2九屏幕法
系统分析中的九屏幕法是使我们更好地理解问题的手段,它可以帮助我们找到解决问题的新途径,它告诉我们:
当在解决当前系统中存在的问题时,应该注意到当前系统在过程中是处于前系统和后系统之间的,而在层次上是处于子系统和超系统之间的,它们是相互关联的。
九屏幕法为我们提供了多层次、多方位的思考角度。
(见图6)
图6九屏图
3.3功能分析
建立产品的结构组成及其之间的相互作用关系。
根据构件之间的作用关系有又分为有用功能、有害功能、不足功能和过剩功能。
理想度是有用功能与有害功能之比,为提高理想度增大有用功能减小有害功能。
为了提高理想度需要增大有用功能与有害功能之比。
技术系统
屋顶自动清雪系统
用途
自动完成锥形屋顶积雪的清理作业
技术功能
采用智能化控制系统,智能化程度高,使用方便
主要功能
通过激光测雪深仪测定屋顶积雪厚度,由控制系统及清雪系统完成对屋顶积雪的清理工作。
表1功能分析表
3.4生命曲线
生命曲线进法则指系统的主要参数或性能的变化是依赖发展时期呈S曲线形式进化的。
技术系统的进化要经历婴儿期成长期成熟期和衰退期4个阶段,这些阶段组成了产品的技术进化路线。
如果一系统功能指标和偿还能力降低,其性能参数和经济效益逐步降低,产量、收入明显下降,系统从前占有的市场份额被取代;故这一产品在该类产品进化过程中所处的阶段就是该产品的技术成熟度。
因此确定产品在S曲线上的位置非常重要。
目前,市面上专门针对屋顶积雪设计的除雪器械,大都只适合于低层建筑的屋顶积雪清理,而且清雪效率低、能耗高、不环保,工作时需要人工辅助作业,无法适应多种工作环境。
本产品用户安装后可实现自动清雪,不需要人工进行辅助作业,消除了高层建筑清雪的危险性;本产品自带的发电装置可全年进行风力发电储电,绿色环保;本产品采用的U型清雪管材质是不锈钢,经济实用、耐腐蚀、重量轻,不会给建筑结构带来额外负担。
综合考虑,本产品具有广阔的发展空间,适合进行市场推广。
从S曲线(见图7)来看,该产品处于“成长期”的初级阶段。
随着系统性能提升(见图7),将会有更多的人力、物力投入,因为它的便利性、可重复利用性,。
所以市场一定会有更多的资源进入,产品处于成长期初级阶段,随着功能的不断丰富,具有非常大的发展前景。
图7S曲线及各阶段的特点曲线
序号
时期
特点
1
婴儿期
效率低,可靠性差,缺乏人、物力的投入,系统发展缓慢
2
成长期
价值和潜力显现,大量的人、物、财力的投入,效率和性能得到提高,吸引更多的投资,系统高速发展
3
成熟期
系统日趋完善,性能水平达到最高,利润最大并有下降的趋势,研究成果水品较低
4
衰退期
技术达极限,很难有新的突破,将被新的技术系统所代替,新的S曲线开始
表2S曲线各阶段的特点
通过对当前已有产品的分析可知,这些产品使用效果都不理想,亟待技术的革新。
因此改进设计的核心在于可靠性的革新。
攻克后新产品将跃迁到S曲线的下一阶段。
该新产品将有很大的发展潜力和市场前景。
3.5资源分析
本作品的内部资源包括:
风力发电设备、单片机、激光测雪深仪、抽水泵、可加热储水箱、顶棚、卷曲弹簧、钢丝绳、U型清雪管、供水软管、清雪液、X元素。
其全部为现有资源。
选择资源的顺序如下表3、4:
资源属性
选择顺序
价值
免费→廉价→昂贵
数量
无限→足够→不足
质量
有害→中性→有益
可用性
成品→改变后可用→需要建造
表3选择资源的顺序
资源类型
价值
数量
质量
可用性
风力发电设备
中等
足够
良好
成品
卷曲弹簧
廉价
足够
中性
成品
钢丝绳
廉价
足够
中性
成品
供水软管
廉价
足够
中性
成品
清雪液
廉价
足够
中性
需要建造
U型清雪管
廉价
足够
中性
需要建造
顶棚
廉价
足够
中性
成品
单片机
廉价
足够
中性
成品
激光测雪仪
中等
足够
优异
成品
抽水泵
廉价
足够
中性
成品
可加热储水箱
廉价
足够
中性
成品
空气
免费
无限
中性
成品
X元素
免费
无限
有害
成品
表4现有资源比较
第三部分:
运用TRIZ工具解决问题
4、TRIZ工具
4.1最终理想解
TRIZ理论告诉我们,发明过程本质上讲就是追求理想的过程。
TRIZ要求创造者在解决问题之初就通过理想化来定义问题的最终理想解(IdeaFinalResult,IFR)。
为了提高系统理想度,我们尽可能实现系统的所有功能,利用内部或外部已经存在的可利用资源,消除有害的、不足的、过度的作用。
见表5:
问题
分析结果
设计最终目标?
系统进行自动化屋顶清雪作业
理想化最终结果?
彻底解决屋顶积雪带来的安全问题
达到理想解的障碍是什么?
系统清雪不彻底
出现这种障碍的结果是什么?
长时间的残留积雪累积,导致房屋屋顶负荷增加,影响后续清雪工作。
不出现这种障碍的条件是什么?
系统的感应装置灵敏、执行装置工作持续有效。
创造这些条件所用的资源是什么?
精度高的激光测雪深仪、清雪管材优异
表5最终理想解分析表
4.2技术矛盾
基于Triz原理解决问题需要将一个待解决的实际问题转化为问题模型、解决方案模型,最后得到问题的解决方案。
Triz问题模型包括技术矛盾、物理矛盾等。
技术矛盾是指技术系统中两个参数之间存在着相互制约。
(F)待解决问题一:
为了实现清雪的功能,系统利用抽水泵向U型清雪管中注入水,增加U型清雪管重力在屋面方向的分力,但由于多雪地区气温普遍较低,大大影响了U型清雪管内液体的稳定性,因此构成力与稳定性之间的矛盾。
改善的参数为适用性和多用性,恶化的参数为可制造型,自矛盾矩阵表(见表6)可查得发明原理如下。
表6矛盾矩阵图
恶化的参数
改善的参数
No.13稳定性
No.10力
35,10,21
备注:
参数书的参数名称以及参数序号不统一,我们采用了
(1)沈萌红编著,创新的方法——TRIZ理论概述,北京大学出版社,2011.9;
(2)刘训涛等编著,TRIZ理论及应用,北京大学出版社,2011.8。
35)改变特征原理——改变物体的物理、化学状态,浓度,密度,温度,柔性。
10)预先作用原理——另一事件发生前,预先执行该作用的全部或一部分。
21)快速通过原理——某事物在一个给定速度下出现问题,则使其速度加快,即快速执行一个危险或有害的作业,以消除有害的副作用。
我们采用发明原理15(改变特征原理),将U型清雪管内的水添加防冻液,并在储水箱内增加电热丝提高液体温度,制成清雪热液,解决了U型清雪管内液体由于温度过低结冰的问题。
(F)待解决问题二:
为实现机械自动化清雪的功能,使用了皮带轮、皮带等机械传动装置,发生故障时不易维修,且长时间工作情况下可靠性低,这就构成了自动化程度与可靠性的矛盾。
恶化的参数
改善的参数
可靠性
自动化程度
11,27,32
表7矛盾矩阵图
11)预防原理——对将要发生的事情,预先做好防范措施,以防止或降低危险的发生。
13)气压和液压结构原理——运用空间或者液压技术来替代普通系统元件或功能。
32)改变颜色原理——通过改变对象或者系统的颜色,来提升系统的价值或解决检测问题。
我们采用发明原理13(气压和液压结构原理),利用U型清雪管、抽水泵以及可加热储水箱形成的密闭气压系统,控制U型清雪管内液体的质量,使其替代纯机械传动装置进行清雪作业。
4.3物理矛盾
物理矛盾是指当一个技术系统中对同一个元素具有相互排斥(相反或不同)的需求时,就出现了物理矛盾。
为了保障系统的自动化程度,又要使其可靠性高,这就存在了“既高又低”的物理矛盾。
矛盾参数:
要求1:
高
要求2:
低
解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离,Triz理论告诉我们分离原理包括空间分离、时间分离、条件分离以及整体与部分分离四种类型,对于固定器“既高又低”的物理矛盾我们采用条件分离原理,使用气压和液压系统维持自动化程度,并提高系统可靠性。
应用气压和液压结构原理:
运用空间或者液压技术来替代普通系统元件或功能。
这样就做到了条件上的分离。
4.4物-场分析
物-场分析是TRIZ理论中一种重要的问题描述和分析工具,用以建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型,根据物-场模型所描述的问题,来查找TRIZ理论相对应的一般解法和标准解法。
物-场分析法将所有功能都看作是由二个物质和一个场组成的。
物-场模型可以用来描述系统中出现的结构化问题,这些问题的类型主要有以下4种:
(a)不完整的物-场模型
(b)有效、完整的物-场模型
(c)有害的、完整的物-场模型
(d)效应不足的物-场模型
第一步:
识别元件
S1——积雪
S2——锥形屋顶
F——机械场
第二步:
建立动力系统的物-场分析模型如图9所示:
图8系统的物-场分析模型
第三步:
选择物-场模型的一般解法
经过物-场分析可知,本系统属于有害效应模型。
模型的三个组件都在,但是产生了与需求相悖的、有害的效应,它有23个一般解法,这里我们采用一般解法中的解法6。
第四步:
进一步发展这种概念。
应用一般解法6,加入第三种物质S3来改善模型的有害效应。
通过系统地研究各种装置,最终采用U型清雪管装置。
插入附加物质模型如图10所示:
机械能
机械能
积雪
积雪
锥形屋顶
锥形屋顶
S3
U型清雪管
图9附加物场模型
第四部分:
技术方案整理与评价
5、全部技术方案及评价
5.1全部技术方案及评价
方案1:
安装在屋脊处的顶棚上以及屋檐处安装牙盘通过链条传动,由一端电动机带动,使得顶棚两侧的清雪板往复移动,将屋面积雪清理干净。
方案2:
将安装在屋脊处顶棚上的卷曲弹簧与U型清雪管通过钢丝绳连接,通过供水泵控制U型清雪管的重量,利用U型清雪管破坏积雪雪层底部结构,使积雪自动滑移出锥形屋面,然后通过供水泵和卷曲弹簧的共同作用下,U型清雪管被牵引回顶棚下。
方案3:
在锥形屋顶屋面铺设电热网,通过电热网发热,融化屋面积雪。
6、最终确定方案
通过对比三种方案,我们决定采用方案2,利用TRIZ原理设计一种自动屋顶清雪系统,可以实现自动化清理屋面积雪,具体解决方案如下:
(1)系统配置风力发电装置,实现能源的自供应。
(2)U型清雪管与顶棚上的卷曲弹簧相连接,通过供水泵的控制,进行屋面积雪清理作业。
(3)利用激光测雪深仪对屋面积雪实时监测,并通过单片机控制整个系统的工作。
经过我们的努力,本着经济与实用相适应的原则,为解决多雪地区锥形房顶积雪的问题,发明了一种基于TRIZ原理的屋顶自动清雪系统。
7、系统模型
图10系统安装模型
图11系统模型
第五部分:
团队风采
团队风采:
(讨论、演示、合影照片)
图12
注:
1.本次填写如能用图的请尽量用图表示;
2.尽可能地运用多种TRIZ工具解题,但不局限于括号中所列的工具;
3.解决方案应为多种,确定最终方案应为一种或两种皆可。
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- 基于 TRIZ 理论 一种 屋顶 自动 系统