基于TRIZ理论的集装箱结构设计
[摘要]指出集装箱在使用过程中存在的问题，利用TRIZ理论分析集装箱的门和锁在使用过程中存在的技术矛盾，通过矛盾矩阵找到相应的发明原理，并结合实际选择解决问题的方案，设计出满足要求的新结构。改造后的集装箱的装卸搬运效率大大提升，且安全性能也得到提高。
[关键词]TRIZ理论；矛盾矩阵；集装箱；结构设计
1引言
世界经济与国际贸易的增速加快，将推动全球集装箱运输需求增幅扩大，全球范围内集装箱运输需求将保持4%左右增长速度。集装箱作为工业标准件，具有一定的强度、刚性和规格，且容量大的特点，对大宗工业产品的运输起着至关重要的作用。随着物流行业的发展，集装箱被广泛应用在各个运输领域。传统的集装箱已无法满足企业对物品装卸搬运效率的需求，存在着装卸搬运货物效率低、集装箱的门锁安全性低、箱内货物容易被窃取等问题，迫切需要新式结构的集装箱设计。近年TRIZ理论已成为创新设计的一个非常有效的辅助工具。因此，文中利用TRIZ理论对集装箱的门和锁进行创新设计，分析问题并改进集装箱现有结构，得出一个优化方案，提高集装箱的货物装卸搬运效率和安全性能。
2TRIZ理论概述
TRIZ理论（Theory 0f Inventive Problem Solving）即发明问题解决理论，它是一种以技术系统为认知分析基础，以解决问题为首要任务，以不断提高技术系统的理想度为进化目标，让所有的产品变得更美的理论与方法学。其核心是建立基于消除技术冲突的逻辑方法，不断发现问题并加以解决，推动产品不断提升，实现理想化创新产品设计。
TRIZ是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统，技术系统演变的8个模式、39个通用工程参数、40条发明原理、39×39冲突解决矩阵、76个标准解、发明问题解决算法（TRIZ）及效应数据库等构成了TRIZ的理论与方法体系。
任何问题的解决过程都包含两部分：问题分析和问题解决。应用TRIZ理论解决问题的步骤主要是：首先对实际问题进行分析；然后将待解决的问题转化为TRIZ标准问题，应用发明理论，找到对应的TRIZ标准解决方案模型；最后，将这些类似的解决方案模型应用到具体的问题之中，演绎得到问题最终解決方法。TRIZ理论解决问题的具体流程如图1所示。
3基于TR亿理论的集装箱结构分析
3.1问题描述
传统的集装箱只能通过打开后端板来装卸货物，由于现在的集装箱箱体制作得越来越长，使得装卸货越来越不方便，严重影响工作效率。另外，从安全性方面考虑，在货物配送过程中，集装箱经常发生货物被盗事件。现有集装箱的门锁比较普通，装置不够完善，而且长期暴露在外，容易被分析原理和开锁规律。随着偷窃手段的层出不穷和日益变化的社会环境，这种门锁已经不能满足货物安全配送的要求。
3.2矛盾分析
一般情况下问题的理想状态不是可以轻易得到的，甚至有的问题没有确定的理想状态，并且在分析问题的过程中，经常会出现矛盾和冲突。这时，可以通过矛盾矩阵选择发明原理来解决冲突，寻找解决问题的方法，实现产品创新设计或改良设计。
根据上述问题，将集装箱看成一个系统，分为安全系统和操作系统。从这两个系统分别对集装箱的结构进行改进，以实现问题的解决。
通常情况下集装箱装卸货是从后端板实现的，工作效率很低。如果把集装箱的左右侧板也同时打开，从三个方向同时装卸货，效率肯定会大大提高。然而，左右侧板打开的同时会导致左右侧板占用侧方空间大、集装箱的构造复杂等问题。另外，集装箱容易被盗，可以把锁的结构复杂化。例如：在原来一道锁的基础上额外增加一道锁。然而，锁的额外增加会造成成本高、装置的可制造性要求变高等问题。
此时存在着的技术矛盾有：集装箱装卸搬运效率的提高与集装箱构造复杂性的矛盾；增加第二道锁来提高安全性能与成本高、装置复杂的矛盾。
上述问题可转换成用39个通用工程参数来描述，即12形状（改善参数）与36装置的复杂性（恶化参数）的冲突；36装置的复杂性（改善参数）与32可制造性（恶化参数）的冲突。根据TRIZ理论中有关矛盾的定义，确定这是两对技术矛盾。然后再根据由39个工程参数与40条发明原理建立对应关系而组成的40行40列的矛盾矩阵表去寻找并确定创新原理，矛盾矩阵，具体见表1。
通过矛盾矩阵查找相应的交点解决方案找到16，29，1，28号发明原理可作为解决集装箱门相应问题的原理，27，26，1，13是解决集装箱锁相应问题的原理。发明原理见表2。
4集装箱门和锁结构的设计
经过上述发明原理，发现01号和29号是解决集装箱门相应问题的较好方法。01号原理是分割：（1）将一个物体分成相互独立的部分。（2）使物体分成容易组装及拆卸的部分。（3）增加物体相互独立的程度。29号原理是气动或液压结构，物体的固定零部件可用气动或液压零部件代替。26号和27号是解决集装箱门锁相应问题的较好方法。26号原理是复制，即用简单的、低廉的复制品代替复杂、昂贵、易碎的或不易操作的物体。27号原理是用低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体。
针对上述两对冲突，改进方案见表3。
4.1集装箱门的设计
设集装箱宽为a，高为b，切割位置距离集装箱顶板侧梁的距离为b，，侧翼举升时占用侧方的最大距离为c。侧翼的上部分占用侧方空间最大时，上部分侧翼的最低端与顶板横梁应处于同一水平线上。上下侧板的分割点不同，侧开门箱板举升过程中占用侧方空间的最大值不同。合理的选取分割点，使该最大值取最小值时为最优方案。当改进的侧开门集装箱平放在地面时，集装箱所占空间的大小由分割点以下侧板平放在地面上的宽度b-b1和上侧板举升过程中所占用的超出箱体本身的空间宽度c共同决定，且存在着的关系。通过计算找出满足最大程度地节省侧方空间，改造后的集装箱结构如图2，集装箱侧视如图3。
由于选取1AA型集装箱作为研究对象，其外尺寸为12.2mx2.4mx2.6m（长×宽×高），则取a=2.4，b=2.6。通过计算得出：取b-b1=0.87m，c=0.9m，即在距离下侧板底部0.87m处进行切割，使侧翼分为上下两部分，为最节省空间的切割方式。与不切割之前相比，占用侧方的空间节省了26.57%，同时左右侧板的打开，大大提高了集装箱装卸搬运货物的效率。
4.2集装箱锁的设计
为了降低集装箱门锁被盗的风险，在第一和第四锁杆上分别焊接一个L型铁杆，L型铁杆平行于锁杆一侧设置内孔，在后门上焊接一个与内孔相对应的铁环，形成第二道锁。第一道锁的结构和位置都不发生改变。具体情况如图4所示。设计前的门锁是将海关关封锁在手柄和托架座，当不法分子破坏了集装箱上门锁结构中手柄与手柄座的连接时，会将手柄座和海关关封作为整体从集装箱后门拆除并不破坏其结构，当行窃完毕后，会将手柄座和海关关封恢复原状，使得事主不能及时发现失窃情况。设计后的集装箱门锁部分结构如图5所示，将海关关封锁在第二道门锁上，由于L型铁杆与锁杆相对固定，并随锁杆转动，在海关关封的约束下，L型铁杆和铁环相互配合，使不法分子即使破坏了集装箱上门锁机构中手柄与手柄座的连接处，也不能转动锁杆将门打开。只有破坏海关关封才能将门锁打开进入集装箱内进行窃取，使事主能够及时发现失窃情况，并报警处理，极大地提高了集装箱的安全性。
5结语
目前集装箱在使用过程中存在着装卸货效率低、门锁的防盗措施不够完善等问题。利用TRIZ理论分析集装箱的门和锁在使用过程中存在的技术矛盾，利用矛盾矩阵找到相应的发明原理，并结合集装箱存在问题的实际情况选择适当的发明原理，找到解决问题的新方案，设计出满足要求的新结构。改造后的集装箱在提高装卸搬运效率的基础上，使左右侧板占用侧方的空间最小。同时，集装箱门锁的改进，大大提高了安全性能，降低了货物被盗的风险。
