摘 要：创新教育是高等教育的重要组成部分，包括创新意识的培养和创新能力训练。把专业教育与创新教育相融合，是创新教育的必经之路。本文以TRIZ理论为基础，把创新方法与机械结构设计相结合，在专业教育中渗透创新教育，以铁屑收集器设计为例，介绍了基于TRIZ创新方法的机械结构设计具体过程。

关键字：TRIZ理论;创新教育;铁屑收集器;机械设计

为倡导可持续发展战略，保护环境卫生，铁屑收集成为一大难题。铁屑不但造成资源浪费，而且铁屑和润滑液洒落在地面上，使环境受到污染，腐蚀地面。因此，设计一款实用性强的铁屑收集器非常有必要。陈明[1]设计了一款铁屑收集器，通过人工操作，采用永磁铁吸附磁性铁屑。周威等[2]设计了一款结构简单、体积小的铁屑收集拖把，该机器具有清扫地面的功能，里面装有电磁铁，可以随时控制开关。尤其是对于一些死角清理具有较高的效率，操作简单，质量轻。王兴伟[3]设计的铁屑收集器是利用永磁铁的磁场力在合适的传动方案下进行铁屑的收集，并对框架进行了有限元分析。

TRIZ是1956年由前苏联工程师、科学家根里奇阿奇舒勒创立的[4]。他和他的团队分析了成千上万的专利，总结出了各种领域中最有效和革新的解决方案。他的研究揭示了工程系统进化的客观倾向，即工程系统的开发不是一个随机的过程，而是遵循特定的规则。目前，TRIZ创新方法已在工业、农业、教育等各个行业应用，已被三星、通用等各大知名企业广泛用于开发新产品。随着，创新创业教育的深入，TRIZ理论也被各大高校引入其中。

本文采用TRIZ理论中的因果链分析、矛盾矩阵等指导机械结构设计，使专业教育与创新教育相结合。

1.铁屑收集器因果分析

铁屑收集器主要由传送带，带轮，张紧轮，磁铁，电机等构成，基于TRIZ理论的因果链分析结果表明，铁屑清洁效率低下可能由机器内部和外部造成的，内部则是由铁屑收集器自身内部的原因，外部则是由工序不合理和控制系统落后等。

2.铁屑收集器矛盾描述

使用TRIZ理论设计产品时，改善其中一个参数的同时往往会恶化另外一个参数。如果在改善这个参数的同时没有其他负面的影响，就是一个较好的方案。但是改善一个参数一定会伴随恶化某一个参数，这就是矛盾。矛盾无处不在，因此运用TRIZ理论来寻找到一条彻底解决问题的方法，而不是选择一条折中的方案。根据问题描述可知，如果增加了吸尘器进行其他杂物的清除;那么清除效果好;但是结构系统会变得复杂。因此可以用矛盾矩阵法来解决这个问题。

3.铁屑收集器技术矛盾解决

TRIZ理论的关键在于技术矛盾、物理矛盾、物质场模型、S曲线以及其他解决方案。基于TRIZ理论解决矛盾是将要解决的问题转换成工程参数。39个工程参数是基于阿奇舒乐对许多案例和专利的分析得到的。考虑到技术上的不一致，选择的改进参数为“ 27可靠性”，而恶化的参数为“36设备复杂度”。既需要提高清洁效率又要降低工作时的设备装置的复杂程度。从矛盾矩阵表中，根据“27可靠性”和“36设备的复杂度”，得到了“1-分割”、“35-参数变动”，“13-反向作用”。原理1-分割包括：A.把-一个物体分成相互独立的部分;B.把物体分解成容易拆卸的部分;C.增加物体的分割程度。原理13-反向作用包括：A.颠倒解决问题的方法（例如，不冷却物体，加热）;B.让可移动的物体部分（或外部环境）不动，让不同的部分移动;C.将物体（或过程）顺序颠倒。原理35-参数变化包括：A.改变物体的物理状态（ 例如变成气体、液体或固体）;B.改变浓度或黏度;C.改变柔度;D.改变温度。

4.铁屑收集器设计

针对技术矛盾，本文选择“1-分割”原理，它的功能是将对象分成单独的部分。方案前面是电磁铁吸铁屑的结构;后面是吸尘结构。电磁铁主要是计算该磁性是否可以吸住铁屑，吸尘结构主要是把铁屑中的吸尘吸入然后存入集尘器中。除尘中一般采用布袋式除尘需要定期更换，然而布袋容易划伤。因此，能否找到一种更加合适的除尘方法。根据TRIZ理论方法可知，选用功能导向搜索法。其步骤为简述要执行的具体功能：从空气中去除粉尘。通用功能：将小颗粒从气流中分离出来。主要领域的确定：工业气体净化行业。选择技术：旋风分离原理。选用旋风分离器来把空气中的粉尘和杂志过滤掉排除干净空气。

市场上流通的气旋分离器比较成熟，其独特的分离特性、低制造成本、易于维护被广泛使用。原理是通过引入空气流的切线方向所引起的旋转运动，以较大的惯性离心力将固体粒子或液滴分离到外壁。在设计压力和风量条件下，可以去除超过10μm的固体粒子。工作点的分离效率为99%±在15%的范围内，分离效率为97%。根旋风分离器的标准尺寸主要以筒体为准，其余尺寸以筒体尺寸来确定。

其中按照大多数的工厂工作条件环境来说，大体粉尘进风温度为30℃，风压为4.0KPa，流量为3.2m3/s，尾气粘度η=1.85×10-5Pa·s，密度为ρ=1.300kg/m3，并且固体颗粒主要成分为碳酸钙密度为ρs=2100kg/m3，标准旋风分离器ξ=8，分离最小颗粒直径dc=0.5um，压降p≤1.2kPa。根据文献[5]计算出进分流器的最大速度为12m/s，得 D=0.15m。

结语

TRIZ理论为发明者提供了一套技术创新理论和方法，是解决各类工程技术问题的工具。把TRIZ理论与机械专业知识相结合，可以大大提高发明质量和效率。本文通过TRIZ理论中的因果链分析、40个基本原理、39个工程参数和矛盾矩阵及功能搜索对铁屑收集器的铁屑吸附、灰尘去除结构提出了相应的解决方案，采用旋风分离器可以减少灰尘排出量，避免了环境的污染。

参考文献

[1] 陈明.一种可升降式磁力铁屑收集装置设计[J].科技展望，2015，25（12）：78-79.

[2] 周威，陈剑海.铁屑清理收集器[J].职业教育（下旬刊），2016（03）：19-22.

[3] 王兴涛. 铁屑收集器系统设计与传动系统优化[D].山东大学， 2015.

[4] 孙永伟， 谢尔盖·伊克万科， 伊克万科. TRIZ：打开创新之门的金钥匙.Ⅰ[M].科学出版社， 2015.

[5] 刘建平，陈旭.高效旋风分离器的设计[J].化工设计通讯，2004（04）：45-47.

基金项目：山东交通学院教学改革研究重大项目“TRIZ理论牵引的全过程递阶式创新创业教育体系构建与实践”（2020ZD05）。