基于Triz原理的地下垃圾箱改进设计

垃圾箱是城市环境中重要的卫生设施之一。城市化进程的加快，给城市带来繁荣和活力，也带来了生活垃圾的增长。目前城镇马路上的传统垃圾箱，虽然价格便宜，易于制作，但也有显著的缺陷，为了解决这些缺陷，可以寻求Triz理论的解答。Triz理论是由俄国学者阿利赫舒列尔（G. S. Altshuller）及他的同事于1946年提出的。研究人员们在分析了世界各国250多万份高水平专利的基础上，从中抽象出各种发明问题的最有效解法，这些解法便是Triz理论解决发明问题的基本方法。经过不断地充实改进，Triz理论现在已经建立了一套完整的理论和方法体系。Triz理论的方法是高效的，它用系统的方法和工具来解决那些通常不能解决或难以解决的问题，尤其是能使设计者打破传统惯性思维，获得发明灵感。
Triz理论是基于发明创新时遇到的各种技术冲突，所以设计者首先将特殊问题抽象为一般问题，再利用Triz中的工具，如冲突矩阵、发明原理等给出一般解法，从而为问题的解决提供思路。文中从分析传统的垃圾箱和现有的地下垃圾箱的专利中入手，找出目前该产品或技术所存在的缺陷和导致的问题，然后将源于同一缺陷的问题予以归类、整合，确定为技术冲突，再基于Triz原理的冲突矩阵，设计出一款新型的地下垃圾箱。
1新型地下垃圾箱的方案设计
1.1现有产品的缺陷和新产品的IDEFO功能模型
目前市面上的垃圾箱制作简单、成本低，但还是有着明显的不足之处。如现有垃圾箱占用地上空间，在夏天会有恶臭味，并且不能防止人为的掏捡垃圾从而使垃圾外溢，影响市容市貌。现在已有专利提出地下垃圾箱的构想，但没有解决如何在搬运垃圾时，能够避免环卫工人直接接触垃圾的问题。同时，在发生暴雨、水灾等自然灾害的情况下，如何继续使用垃圾箱也没有很好的解决方法。文中针对上述问题，基于Triz理论，设计一款新型地下的垃圾箱，配备一定的智能化系统，以解决上述缺陷。
针对传统垃圾箱的缺陷和现有专利的不足之处，首先通过分析得到现有产品缺陷及改进方法，结合初步的设计要求和改进方法，得出新产品的IDEFO的产品功能模型，如图2所示。
1.2用冲突解决矩阵得到可行的发明原理
在产品的创新中，提高产品某些方面的性能时，可能会影响到与其相关联的零部件，其结果会使产品或系统另一些方面的性能受到影响。如果这些影响是负面的，则设计出现了冲突。确定技术冲突，并找到解决方案，是Triz理论的核心内容。
通过对传统垃圾箱已有技术的分析，并结合与新产品的IDEFO的分块功能模型的对比，确定新产品的技术冲突：针对实际过程中，机构智能灵敏度与易受外界环境干扰和制造成本增加而相互制约关系。所以我们应当在满足“提高机构的智能灵敏度”的条件下，适当的控制成本及减弱外界干扰对产品的影响。
将以上的技术冲突通过Triz理论标准化，得到的结果如图3所示。
在确定了技术冲突后，可以从Triz理论中的“冲突矩阵表”中查找到相应的解决方法。

图3技术冲突分析

从“冲突矩阵表”中我们查找得，解决灵敏度与外界干扰之间冲突方法分别有：①静止物体的重量（工程参数No.2）；②可操作性（工程参数No.33）。
解决灵敏度与装置复杂度之间冲突方法分别有：①力（工程参数No.10）；②运动物体作用时间（工程参数No.15）；③信息损失（工程参数No.24）。
经分析后，选择可操作性（No.33），即分开设计收集及提升装置和信息损失（No.24），即在恶劣情况下关闭所有电路设备这2种方法作为解决问题的一般解。
1.3一般解的具体化
1.3.1可操作性（No.33）
为了解决转运垃圾时，需开启活动翻板，从而驱动连杆机构，影响转运过程，可以将垃圾的收集和提升装置分离开，这样更易于操作，有利于问题的解决。
在转运垃圾时，先将垃圾推到提升箱中，再运用了滑轮和链轮组合的提升机构，便能将垃圾箱内的垃圾顺利转运出。

卷筒轴中安装一个棘轮，上升时利用棘轮的单向运动，2摩擦片不发生作用；下降时，2摩擦片啮合，通过摩擦减小冲击。底板下的支柱以及由角铁做成的支架，用来对垃圾桶上升起稳定作用。
1.3.2信息损失（No.24）
如果遇上特大暴雨或箱内排水不畅通时，箱内水位如果超过一定程度，会对箱内器件造成损害。为了解决这一问题，增加了烟盒装置，如图5所示。

图5烟盒结构
平时，烟盒的主要用于收集香烟头和质量较小的垃圾。因为未熄灭的香烟头带有火星，如果直接与箱体接触，会损害箱体内的电路结构，影响系统使用寿命，甚至可能会引发火灾；同时，一些小质量的垃圾不能敲开活动翻板，不能落到垃圾箱中，所以特意设计这个烟盒结构用以收集香烟头和小质量的垃圾。遇到箱内水位线高于警戒线的情况下，垃圾箱会自动锁闭，烟盒就起到收集垃圾的作用。这样就用较为灵巧和简单的机构解决了上述2个问题。
2产品的工作原理
通过上述分析，可进行了地下垃圾箱的设计，图6为设计方案。该产品的工作原理及工作流程如下。

图6产品的设计效果图
垃圾（10）具有一定的重量时，当它投入时，能够借助自身的动量顶开活动翻板，通过活动翻板（1）从箱口进入收集箱（5）中，质量较轻的垃圾可以直接从烟盒结构（12）中投入。当收集箱堆积满时，如再掷入垃圾，将不能完全落入收集箱中，而顶开活动翻板。此时，箱体中的连杆驱动电路启动，连杆驱动电机（3）工作，驱动连杆机构（4）做往复压缩运动，通过推开活动挡板（7）让部分垃圾落入提升箱（6）中，以及和墙壁之间的压缩作用，在收集箱内清理出一定的空间。此时，垃圾又会完全落入收集箱中，活动翻板关闭，连杆驱动电路断开，连杆机构停止工作，恢复到之前的状态。
在平时，烟头及其他小质量的垃圾通过烟盒装置（12）直接落入提升箱中。雨天时，水流通过下水道系统（11）及时排走，避免雨水在垃圾箱沉积太久，影响垃圾箱内部元器件的正常工作。若无法正常排出，箱内水位上升到警戒线时，垃圾箱自动锁闭，此时烟盒机构被提升，提醒行人地下垃圾箱已经锁闭，垃圾只能从烟盒机构中掷入。
3结语
应用Triz理论进行地下垃圾箱的创新设计，作为将科技与绿色结合的典型，比起传统垃圾箱，该产品的成本比起传统产品有所升高，但它能带来显著的社会经济效益：
1）减轻了环卫工人的劳动强度，改善了他们的劳动条件。
2）将垃圾箱设置在地下，让城市街道更加整洁、美观。
3）节约了地上面积和空间，这在当前的经济形势下有着显著的社会经济意义。
“环境保护”作为我国的基本国策，已越来越受到世人的关注。垃圾箱不仅是保持城市环境卫生的必备设施之一，同时也是构成城市景观，体现社会文明程度的一个关键所在。地下垃圾箱的创新设计，在一定程度上能增强人们的环保意识，增进人们对绿色生活的向往。
参考文献（References）：略