1 引言
绿色设计自20世纪80年代出现以来，迅速在全球各地掀起了一场制造业的革命，绿色设计和绿色制造是人类社会可持续发展的必由之路。再制造工程作为绿色设计的重要组成部分，自进入中国以来，结合当前我国可持续发展的要求，被越来越多的企业所接受，并投入到实际的生产过程中去。再制造工程作为我国新世纪重点发展起来的新方向，以节约资源、节省能源、保护环境为特色，以综合利用信息技术、纳米技术、生物技术等高技术为核心，充分体现了具有中国特色自主创新的特点。
再制造技术可以充分利用报废零部件的价值，再制造产品的成本仅是新品的50%左右，但是却可以节能60%、节材70%以上，并避免由生产制造过程引起的各种污染。产品拆卸是再制造工程中重要的环节，拆卸的好坏直接影响产品再制造性。但是，由于再制造技术进入我国时间较短，发展还不够成熟，许多关键技术都被国外企业所掌握，所以在实际生产应用过程中，经常会遇到许多难以解决的问题，无法短时间内寻找到切实有效的解决方案。因此，就迫切的需要一种先进的理论来指导再制造过程。
2 TRIZ理论
TRIZ是俄文Teriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch(发明问题解决理论)的词头。由前苏联Genrich S.Altshuller及其领导的一批研究人员，在分析研究世界各国260万件专利的基础上，所提出的一套创新理论。
TRIZ对于产品的创新设计具有重要的指导意义，经过60多年的发展，已成为解决发明问题的强有力的方法学。该理论有产品进化理论、冲突解决原理、物质—场分析标准解、效应、ARIZ算法五种分析工具。
图1 利用冲突解决矩阵解决问题流程
这里重点介绍利用冲突解决原理解决问题的过程，如图1所示，首先把特定技术的问题抽象成为标准问题或一般问题，找到技术冲突，用39个工程参数描述这些技术冲突；然后查找冲突解决矩阵得到可用的发明原理，得到一般问题的解；最后再由发明原理和相关发明专利的启发，通过设计者的经验和灵感最终得到特定问题的具体工程解决方案。
3 应用冲突解决原理解决产品再制造过程中的具体问题
3.1 问题的提出
泵送机构是混凝土泵车的执行机构，用于将混凝土沿输送管道连续输送到浇注现场。泵送机构由两个主油缸1、2，水箱3，两个混凝土输送缸4、5，两个砼活塞6、7，摆摇机构8，分配阀9(S形阀)，搅拌机构10，料斗11和出料口12组成，如图2所示。工作原理：砼活塞(6、7)分别与主油缸(1、2)活塞杆连接，在主油缸的作用下，作往复运动，一缸前进，另一缸后退；输送缸出口与料斗和S阀连通，S阀在摆摇机构的摆动油缸作用下，可以左右摆动。泵送混凝土料时，在主油缸作用下，砼活塞7前进，砼活塞6后退，同时在摆动油缸作用下，S阀9与输送缸4连通，输送缸5与料斗连通。这样砼活塞6后退，便将料斗内的混凝土吸入输送缸，砼活塞7前进，将输送缸内混凝土料送入分配阀泵出。
图2 泵送机构结构简图
当砼活塞6后退至行程终端时，控制系统发出信号，主油缸1、2换向，同时摆动油缸换向，使S阀9与输送缸5连通，输送缸4与料斗连通，这时砼活塞7后退，砼活塞6前进。依次循环，从而实现连续泵送。反泵时，通过反泵操作，使处在吸入行程的输送缸与S阀连通，处在推送行程的输送缸与料斗连通，从而将管路中的混凝土抽回料斗，如图3所示。
图3 泵送机构工作状态简图
由泵送机构工作原理可知，主油缸内砼活塞活动频率高，工作环境恶劣，所以极易损坏。对于损坏后需要更换的砼活塞，必须将其从输送缸中退出到水箱方可进行拆卸。传统的处理办法是将砼活塞通过中间接杆连接在主油缸活塞杆上，如图4所示。当需要拆卸砼活塞时，首先拆下中间接杆，然后点动操作中间接杆前进，使主油缸活塞杆靠近砼活塞，再将主油缸塞杆直接与砼活塞连接在一起，最后点动操作主油缸后退，使砼活塞退入水箱中。拆完后又要按照上述步骤的反过程进行安装。这种方法拆卸难度极大，操作复杂，而且浪费大量的时间，影响工作效率，同时也给产品再制造过程中的拆卸过程带来了极大的困难。
图4 泵送机构主视图
3.2 问题的分析
为了减小维修难度、提高产品的可拆卸性和可维修性，可以考虑在原有结构基础上，设计一种可以使砼活塞自动退出的装置，但与此同时，增加一种装置必然会增加泵车机构的复杂性，转换成用39个通用工程参数来描述，即为“自动化程度”与“装置的复杂性”之间的冲突。通过查询冲突矩阵表可得解决这一冲突可用的发明原理，如表1所示。
表1 冲突矩阵表
由表1可知，解决该问题可选用的发明原理为15、24、10号原理。经分析，原理15和原理10具有可行性。
选择的原理及对应的解决方案，如表2所示。
表2 发明原理及对应解决方案
经分析，第二种方案成本较高，研发周期长，且进行技术改进所面临的困难较大。故选取第一种方案。
3.3 问题的解决
选取方案一作为最终的解决方案。改进后的泵送机构包括输送缸、砼活塞、水箱、主油缸活塞杆、主油缸，砼活塞直接与主油缸活塞杆联接，将主油缸行程加长，主油缸后端盖上有紧固螺钉固定一顶杆，顶杆前端可与主油缸活塞杆尾端接触，如图5所示。正常工作时，当主油缸活塞杆向后运动碰到顶杆时，顶杆起限位作用，使砼活塞保持在工作位置。当需要更换或清洗砼活塞时，拧开顶杆固定螺钉，如图6所示。点动操作主油缸活塞杆后退时，主油缸活塞杆就可推动限位顶杆一直退到底，使砼活塞退入水箱中，达到方便清洗和维修的目的。
图5 正常工作时顶杆的状态
图6 砼活塞退出时顶杆的状态
该方案的实施有效地提高了装置的自动化程度，在提高产品可拆卸性和可维修性的同时也方便了产品的日常检查和维护，并进一步解决了产品再制造过程中拆卸困难的难题。该设计方案已申请中国实用新型专利。
4 总结
节能减排是全世界应对资源环境问题的一项重大举措，可持续发展更是关乎子孙后代生存的大事。再制造是以提升旧产品性能为目标，以优质、高效、节能、环保为原则，以先进技术为手段，对旧产品修复改造。对于产品再制造过程中遇到的工程问题，使用常规的方法往往无法解决，而使用高层次的创新方法-TRIZ理论则可以快速高效的得到好的解决方案。利用TRIZ理论中的冲突解决原理，分析了混凝土泵车再制造过程中的实际工程问题，并提出具体解决方案，提高了砼活塞的可拆卸性、可维修性。所以说，使用TRIZ理论指导再制造过程可以增加决策方案的科学性，同时也为产品的创新提供了一条便捷的道路。
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本文标题：再制造产品创新设计中TRIZ理论分析
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