第5章TRIZ矛盾解決方法5.1技術矛盾解決方案5.2物理矛盾解決方案

5.1技術矛盾解決方案

5.1.139個通用工程參數TRIZ通過對百萬件專利的詳細研究，提出用39個通用工程參數來描述技術矛盾，如表5.1所示。在實際應用時，首先要把組成矛盾雙方的性能用這39個通用工程參數來表示，這樣就將實際工程技術中的矛盾轉化為一般的標準的技術矛盾。

利用39個通用工程參數可以描述技術系統的絕大多數技術問題，在問題的定義和分析過程中，選用適當的通用工程參數可以把問題用TRIZ語言進行描述。

39個通用工程參數及解釋如表5.2所示。

5.1.2解決技術矛盾的矛盾矩陣

矛盾矩陣是阿奇舒勒將39個通用工程參數與40條發明原理有機地聯系起來，建立起對應的關系，整理成的39×39的矛盾矩陣表，是阿奇舒勒對250萬件專利進行研究后所取得的成果。矩陣的構成非常緊密，而且自成體系。

使用者可以根據系統中產生矛盾的兩個通用工程參數，從矩陣表中直接查找出化解矛盾的發明原理，并使用這些原理來解決問題。

該矩陣的行是按39個通用工程特性參數依次排列的，代表工程參數需要改善的一方；該矩陣的列也是按39個通用工程特性參數依次排列的，代表工程參數可能引起惡化的一方。

矩陣元素用Mi-j表示，其下標i表示該元素的行數，下標j表示該元素的列數。由于矛盾不可能由自身造成，行與列號相同(i=j)的矩陣元素Mi-j為空集，用“+”表示；若i≠j時，矩陣元素Mi-j為空集，指這兩個特征參數間不構成矛盾，或是存在矛盾但尚未找到適合的解，用“-”號表示；若i≠j時，矩陣元素Mi-j為非空集，其數值為解決所在的行與列通用工程特征參數所產生的技術矛盾的相關發明創新原理的編號，可在技術矛盾矩陣表中找到。

表5.3為局部矛盾矩陣例子。如果我們定義和分析技術系統之后得到工程問題對應的技術矛盾是改善了11號通用工程參數應力壓強，惡化了34號通用工程參數可維修性，那么我們可以利用矛盾矩陣得到通用解決模型，對應第11行應力壓強和第34列可維修性交叉點的發明創新原理編號為2，得到通用解決模型為2號發明創新原理——抽取/分離。(40條發明創新原理在第4章已詳細介紹。)

5.1.3技術矛盾特點與解決流程

技術矛盾是同一技術系統兩個通用工程參數之間的矛盾。兩個參數對立統一，相互制約，相互依存。比如桌子強度增加，導致重量增加；桌子面積增加，導致體積增加等。技術矛盾通常是指因改善一個技術系統的工程參數而引起另外一個工程參數的惡化。

通常使用表5.4來描述技術矛盾。

在運用技術矛盾和阿奇舒勒矛盾矩陣解決具體項目問題時，一般的具體步驟如下：

(1)描述要解決的工程問題。這里的工程問題是指經過功能分析、因果鏈分析、剪裁或者特性傳遞所得到的關鍵問題，而不是我們所遇到的初始問題。

(2)將這個工程問題轉化為技術矛盾。用“如果……那么……但是……”的形式闡述技術矛盾。如果一個改善的參數導致不止一個惡化的參數，則對每一對改善和惡化的參數進行多種技術矛盾的闡述。為了檢驗技術矛盾是否正確，通常將正反兩個技術矛盾都寫出來，進行對比。

(3)選擇兩個技術矛盾中的一個矛盾，一般來說選擇與項目目標一致的那個矛盾。

(4)確定技術矛盾中欲改善和被惡化的參數。

(5)將改善和惡化的參數一般化為阿奇舒勒通用工程參數。

(6)在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉的單元，確定發明原理。

(7)按照發明原理的序號和名稱，對應查找40條發明原理與實例獲得發明原理的詳解。應用發明原理的提示確定最合適解決技術矛盾的具體解決方案。

(8)將所推薦的發明原理逐個應用到具體的問題上，探討每個原理在具體問題上如何應用和實現。

(9)如果所查找到的發明原理都不適用于具體的問題，則需要重新定義工程參數和矛盾，并再次應用和查找矛盾矩陣表。

5.1.4技術矛盾解決方案實例

實例1：洗衣機改進設計。

(1)問題是什么？

減少物質的浪費是否能達到原來的效果。

(2)現在有什么解決辦法？

傳統洗衣機。

(3)上述的方法有什么缺點？

改善一方：物質的浪費(省水、省時間、省洗滌劑)。

惡化一方：功率(洗衣效果)。

(4)推薦原理見表5.5。

(5)方案與分析。

方案：利用水電解與超聲波振蕩相結合的方式，取代原有電機拖動波輪或滾筒的系統。

分析：該方案可以避免衣物纏繞，也可降低甚至免用洗滌劑，且洗衣水可以重復利用，達到環保與節能的功效。從大電流的電機驅動到電解與振蕩裝置的發展，符合技術系統的進化趨勢。

某公司已發明全球首臺不用洗衣粉的滾筒洗衣機。

實例2：排污水管(黑龍江省推廣應用TRIZ案例)。

(1)案例背景：隨著國家環境保護力度的加大，傳統的水泥管正在逐步退出市場，20世紀90年代后期，新型替代產品——各類環保排水管材開始在工程上應用。在排污管道領域，應用較多的是塑料管，如PVC雙壁波紋管、PE雙壁波紋管、HDPE纏繞結構壁管。近幾年，采用歐洲瑞士與美國技術制作的鍍鋅螺旋鋼管開始進入國內市場，廣泛應用于通風、雨水管道系統中，由于受防腐性能限制，還沒有大量進入污水管道工程。

分析以上兩類管材的性能差別，主要是由于材質不同，所以兩類管材在性能上具有的優勢也不同。鍍鋅螺旋鋼管優點是環剛度較大，耗材較少，不足是防腐性能一般，并且不耐磨損；塑料管優點是耐腐蝕、耐磨損，但環剛度提高受限，耗材較多。

(2)以鍍鋅鋼管為例。

鍍鋅螺旋鋼管本身強度好，但不耐腐蝕，不耐磨損，可靠性不高，致使使用壽命降低。

改善一方：可靠性(改善耐腐蝕、耐磨損性能)。

惡化一方：運動物體重量。

推薦創新原理：3號、8號、10號、40號

(3)都要用復合材料，用什么材料復合呢？這里一目了然，就是用塑料與鋼材復合，做成塑鋼復合管。

具體的方法：在鍍鋅鋼板的兩面熔融粘貼塑料片，再以此復合板材為原料，在專用設備上加工成復合管。此項技術工藝在國內領先，產品填補了國內污水管的空白。這是黑龍江省推廣TRIZ以來取得的一項成果。

實例3：破冰船。

(1)背景：冬天破冰船必須在3米多厚的冰封航道上破冰前進運送貨物。現在要將航速從2千米/時提高到6千米/時，也就是提高船的生產率。要提高速度就要加大發動機的功率。

(2)改善一方：速度。

惡化一方：功率。

(3)推薦創新原理：

19.周期性動作——用振動破冰代替一直持續破冰；

35.物理化學參數改變——改變船與冰接觸部分的狀況；

38.加速氧化——無用；

2.抽取——抽取有害的部分或抽取有用的部分。

(4)方案：選擇的創新原理是“抽取”。把船與冰相接觸的那一層算是有害部分抽掉，也就是把船與冰相接觸的阻礙冰通過的那一層船體去掉，這樣船就變成兩個獨立的部分，一部分在冰上，一部分在冰下。這樣船就不需要破冰，讓冰穿過船體。可是冰下面的船體與冰上面的船體沒有聯系，于是冰下面的船體就會沉入海底。所以，要想辦法把下面的船體與上面的船體連起來。要連起來又不妨礙冰的穿過，就在船的兩邊用有破冰刀刃或有破冰裝置的板連接起來，靠破冰刀刃或破冰裝置只要破出很窄的冰，板之間是空檔讓冰穿過，這樣消耗的功率就會大大降低。

實例4：開啟果殼。

(1)分析：取杏仁時必須去殼，先用錘砸或用機械方式壓碎。制造性能好但產品的形狀不好。

(2)查39個通用工程參數，得出(可制造性)和(形狀)之間有技術矛盾。

(3)?TRIZ法求解：查39?×?39矛盾矩陣，如表5.6所示，得出可用的發明創新原理為1(分割)、28(機械系統替代)、13(反向)和27(用低成本替代)。

(4)類似的技術問題：開雞蛋殼，開蠶豆殼，開核桃殼。

實例5：升降定位式燃氣灶。

(1)分析問題，發現矛盾。

如圖5.1所示，家用燃氣灶具和鍋是一個小型技術系統。在功能域層面，該系統具有燃氣燃燒產生熱量、熱量傳導到鍋和抵御外界干擾三項功能；在物理域層面，該系統由被加熱的鍋、支鍋的支架、燃燒火焰和燃燒器四部分組成。物理域的四大部分保證功能域的最優實現。圖5.1升降定位式燃氣灶原理圖

(2)根據TRIZ法，表述矛盾。

第一對矛盾：現有結構鍋底與燃燒器的距離隨鍋底的尺寸和形狀不同而變，火焰不能以最優的方式把熱量傳給鍋。查TRIZ，得到通用工程參數(可制造性)和(能量損失)之間構成矛盾。

第二對矛盾：燃氣灶的火焰長和外界氣流影響火焰的穩定，造成系統對環境有害因素的高度敏感和火焰靜尺寸變化的矛盾。它是通用工程參數(作用于對象的有害因素)和④(靜止物體)之間的矛盾。

第三對矛盾：燃氣灶是開放的技術系統，環境里的空氣會與系統內的熱氣進行交換，帶走熱量，從而構成(適應性、通用性)和(能量損失)之間的矛盾。

(3)對照工具，得出解法。

第一對矛盾：查矛盾矩陣，如表5.7所示，得到解決矛盾的發明創新原理是19(周期性作用)和35(物理化學參數變化)。

把兩個發明創新原理結合在一起思考，可以得到鍋底與燃燒器之間應該解決尺寸周期性變化時保持穩定距離的問題。

第二對矛盾：查矛盾矩陣，如表5.8所示，對應解決矛盾的發明創新原理為1(分割)和18(機械振動)。

分割原理在這里理解為把火焰分為細小區域，機械振動在此不適合。

第三對矛盾：查矛盾矩陣，如表5.9所示，對應的解決矛盾的發明創新原理編號為18、15、1，分別是機械振動、動態化和分割。

利用機械振動在此不適合，分割可以把燃氣灶系統和外界環境分離開來，而且應該是動態可變的。

(4)針對問題，構思設計。

解決第一對矛盾，應采用發明創新原理19和35的組合，并用支架可移動或者火焰可移動的方法，保持鍋底與火焰的距離基本不變。本例的發明專利采用了燃燒器可隨鍋底升降的方法。

解決第二對矛盾，應把火焰分割成細小區域，增加穩定性。用陶瓷紅外燃料器代替普通燃燒器噴頭，設置幾十個小孔為燃燒孔，燃燒充分穩定。

解決第三對矛盾，在支架上設置金屬保溫圈罩，隨鍋底變化可取用不同大小的保溫圈罩。本例考慮操作方便，只采用了一件保溫圈罩。

(5)效果分析。

通過以上分析可知，長期努力得到的家用燃氣灶的改進與短期采用TRIZ法得到的結果一致。而且還可以看出，TRIZ還提供了不同的改進方案，可以采用支架隨鍋底上下升降的方案；也可以采用將保溫圈罩設計成動態變形的方式。TRIZ提供了進一步改進的思路。

(6)評價。

升降式燃氣灶具的設計符合公理設計的第一公理，即獨立公理，功能要求和設計要素實現了一一對應。

保證燃燒穩定，應用蜂窩狀紅外燃燒器。該燃燒器由陶瓷塊拼接而成，每塊上有若干通孔，將火焰分割成細小狀態。

保證鍋底到火焰器的距離，應用可升降式的燃燒器，用杠桿重錘組合動作，用定距U形環控制。

減少環境干擾，應用一定型面的保溫圈，分割燃燒系統和環境，達到提高鍋底吸熱量的目的。

實例6：防彈衣。

(1)問題背景：纖維織成的防彈衣用于保護執法人員和軍事人員免于遭受手槍子彈的襲擊。纖維織成的防彈衣由于有多層纖維結構層，具有層疊式結構，纖維在結構層內相互以適當的角度定向排列。為了使纖維織成的防彈衣具有足夠的防護能力，必須使之具有足夠的厚度，增加防彈衣的厚度會使其重量增加、靈活性降低。此外，穿上這種厚厚的防彈衣的人員也不能得到充分通風。換句話說，較厚的防彈衣穿著時不太方便。由此定義技術矛盾：增加運動物體的長度(防彈衣的厚度)會降低操作流程的方便性(防彈衣的舒適性)。

(2)通過查詢39?×?39矛盾矩陣，得知可能的解集是M3-33?=?[15，29，35，4]這四個發明創新原理。

(3)應用第4號不對稱原理，將物體的對稱形式變為不對稱形式，使防彈衣的纖維呈不對稱定向排列。每層纖維相對于前一層作20°～70°的不同角度旋轉，將纖維各層間制造成定向轉動的排列形式。

(4)沿子彈飛行方向排列的大部分纖維，可以確保防彈衣在受子彈沖擊的方向具有更高的強度，進而可減小防彈衣的厚度和重量。通過減小防彈衣的厚度提高了其舒適性，同時不會降低防彈衣的保護效果。

實例7：熱水器管連接。

(1)分析問題：家用電加熱熱水器中常用的管子與管接頭，兩者的頭部分別被加工成螺紋，用生料作為螺紋連接的填充材料進行密封。生料溫度隨水溫經常變化，導致生料老化失效。為了改善性能，可增加生料用量和加大管子與管接頭的旋入程度，或者提高螺紋尺寸的精度，但會造成其他常見的失效形式，如管接頭開裂等。

(2)TRIZ法解決問題：提取通用工程參數，組建矛盾對，搜索解決矛盾的發明創新原理。

(3)發明創新原理的篩選和具體化。

原理13和原理1都很難使用到本問題中去。擬采用原理35，參數變化是指幾何、化學和物理參數的變化。

(4)效果：本方法已由美國Smith公司在其生產的電加熱熱水器中采用，在中國維修時可見到。本方法還有個附加優點，即省去了傳統方法必需有的活接頭，進一步降低了成本。

(5)解決方案：如圖5.2所示，用金屬制成電加熱套，通電加熱到某溫度，傳感器工作切斷電流。人工把塑料管子和彎頭插入加熱套兩端1s～2s，管件受熱面塑料熔化成厚糊狀，拔出管件，立即把管子與彎頭相互插入對接成整體。

圖5.2熱水器管連接問題解決方案

實例8：失重錘子。

(1)應用背景：許多設備在太空失重狀態下無法正常工作或根本無法工作。例如，我們在地面上使用錘子時，其重量會抵消打擊后可能的反彈；而在太空中，由于沒有重力，發生碰撞后，錘子會以非常危險的速度反彈向使用者的頭部。現設計能夠在太空中使用的錘子。

(2)定義技術矛盾：這里要改善的參數是錘子產生的沖擊力(力)，而惡化的參數是很可能傷人的錘子的反彈作用(物體產生的有害因素)。轉化為由39個通用工程參數描述的標準技術矛盾，即為力與物體產生的有害因素之間的矛盾。

(4)解決方案：分析以上發明創新原理24、3、36、13，可以改變錘子的局部結構，在錘子的局部引入一種和錘子(固態)相比具有不同物態的中介物，利用該中介物在錘子沖擊時產生反向作用，抵消錘子的反彈。

綜合應用各個發明創新原理的啟示：設計一種中空的錘子。將一種高密度的流散狀中介物置于錘子的空腔內，該中介物在錘子下落時位于錘子空腔的頂部，沖擊的瞬間，中介物下落產生的慣性力將抵消錘子的反彈力。用水銀注于空腔中可能是不錯的解決方案，但考慮到水銀具有毒性，不適合民用，用細鐵砂作為中介物就是工程中的實用方案。

5.2物理矛盾解決方案

物理矛盾是指為了實現某種功能，一個子系統或元件應具有某種特性，但該特性出現的同時會產生與此相反的不利或有害的后果。物理矛盾還指同一個參數具有相反的并合乎情理的需求。物理矛盾與技術矛盾不同，技術矛盾是指兩個參數之間的矛盾，而物理矛盾則是單一參數的矛盾。

5.2.1物理矛盾的表達形式

對一項工程問題進行物理矛盾定義時，其表達形式具有固定格式。通常將物理矛盾描述為：參數

A

需要

B

，因為

C

；但是參數

A

需要

-B

，因為

D。其中，A表示單一參數；B表示正向需求；-B表示負向需求；C表示在正向需求B滿足的情況下，可達到的效果；D表示在負向需求-B滿足的情況下，可達到的效果。

這里舉手機屏幕的例子。可以將物理矛盾描述為：手機屏幕需要大，因為可以看得清楚；但是手機屏幕需要小，因為攜帶起來方便。

5.2.2分離原理與物理矛盾解決方案

TRIZ解決物理矛盾一般使用分離原理，解決問題模式如圖5.3所示。圖5.3TRIZ物理矛盾解決問題模式

分離原理是指造成物理矛盾的參數在不同的條件下有不同的需求，可以按照相應的條件進行分離，使技術系統在相應的條件下滿足需求，達到解決物理矛盾的目的。分離原理有四種：空間分離、時間分離、條件分離和整體與局部分離。

1．空間分離

空間分離原理是指將矛盾雙方在不同的空間上分離，以降低解決問題的難度，進而找到解決問題的方法。

應用空間分離解決物理矛盾的步驟如下：

(1)定義物理矛盾：參數

A

需要

B

，因為

C

；但是參數

A

需要

-B

，因為

D。

(2)確定參數的不同要求，如果可以在不同空間得以實現，選用空間分離。

(3)選擇對應空間分離的發明原理，得到通用解題模型。

(4)應用于技術系統得到問題解決方案。

2．時間分離

時間分離原理是指將矛盾雙方在不同的時間段上分離，以降低解決問題的難度；對同一個參數的不同要求，在不同的時間段實現。比如將飛機機翼設計成可調的活動機翼，以適應在飛行中各個時間段的不同要求。

應用時間分離解決物理矛盾的步驟如下：

(1)定義物理矛盾：參數

A

需要

B

，因為

C

；但是參數

A

需要

-B

，因為

D。

(2)確定參數的不同要求，如果可以在不同時間得以實現，選用時間分離。

(3)選擇對應時間分離的發明原理，得到通用解題模型。

(4)應用于技術系統得到問題解決方案。

3．條件分離

條件分離是指將矛盾雙方在不同的條件下分離，以降低解決問題的難度。比如將水射流條件分離，給予不同的射流速度和壓力，即可獲得“軟”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。

應用條件分離解決物理矛盾的步驟如下：

(1)定義物理矛盾：參數

A

需要

B

，因為

C

；但是參數

A

需要

-B

，因為

D。

(2)確定參數的不同要求，如果可以按照某種條件實現分離和切換，選用條件分離；

(3)選擇對應條件分離的發明原理，得到通用解題模型。

(4)應用于技術系統得到問題解決方案。

4．整體與局部分離

整體與局部分離原理是將矛盾雙方在不同的系統級別分離開來，以獲得問題的解決或降低問題的解決難度。當系統或關鍵子系統矛盾雙方在子系統、系統、超系統級別內只出現一方時，可使用整體與局部分離原理解決問題。

應用整體與局部分離解決物理矛盾的步驟如下：

(1)定義物理矛盾：參數

A

需要

B

，因為

C

；但是參數

A

需要

-B

，因為

D。

(2)確定參數的不同要求，如果可以按照不同的系統級別(如系統+子系統，或系統+超系統)實現分離，選用整體與局部分離。

(3)選擇對應整體與局部分離的發明原理，得到通用解題模型。

(4)應用于技術系統得到問題解決方案。

5.2.3物理矛盾解決方案實例

實例2：魚雷引擎。

(1)物理矛盾：魚雷引擎必須足夠大以充分驅動魚雷，但又必須小，以適配魚雷的體積。

(2)解決方案：分離放置，通過纜線給魚雷傳遞能量。

實例3：炮彈。

(1)物理矛盾：炮筒直徑必須大于炮彈，以便炮彈容易滑出，但又必須小，以免漏氣降低火藥爆炸推力。

(2)解決方案：空間分離，將炮筒做成兩部分，后部爆炸室做成錐形，形成封閉空間。

實例4：水管。

(1)物理矛盾：水管要剛性好，以免因水的重量而變形，但水管要軟，以避免在冬天被凍裂。

(2)解決方案：彈塑性好的復合材料。

實例5：泳池。

(1)物理矛盾：訓練池里的水要軟，以減輕水對運動員的沖擊傷害，但又要求水必須硬，以支撐運動員的身體，水的軟硬取決于跳水者入水的速度。

(2)解決方案：充滿氣泡的泳池。

實例6：PCB。

(1)物理矛盾：SMT(表面貼裝焊接技術)生產線要求PCB(印制電路板)連續供應，但PCB是線路板廠生產并批量送貨的。這樣連續生產與批量供貨之間就產生矛盾。

(2)解決方案：PCB上扳機，接收批量的PCB，然后連續輸送到SMT生產線。