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基于 TRIZ 理论的筏式养殖吊笼清洗装备设计研究

news 来源：原创 2025/8/6 16:12:59

基于 TRIZ 理论的筏式养殖吊笼清洗装备设计研究
一、引言
筏式养殖在水产养殖业中占据重要地位，吊笼作为养殖贝类、藻类等生物的关键器具，其清洁程度直接影响养殖生物的健康与产量。传统的吊笼清洗方式多依赖人工，效率低下、劳动强度大且清洗效果难以保证。随着养殖规模的不断扩大，开发高效、自动化的吊笼清洗装备成为行业迫切需求。TRIZ 理论（发明问题解决理论）为解决这类复杂工程问题提供了系统的方法和工具，通过运用 TRIZ 理论，有望突破传统设计思维局限，设计出创新性的筏式养殖吊笼清洗装备。
二、TRIZ 理论概述
TRIZ 理论由前苏联发明家根里奇・阿奇舒勒（Genrich Altshuller）提出，其核心思想是技术系统的进化并非随机，而是遵循一定的客观规律。该理论包含一系列解决问题的工具和方法，如矛盾矩阵、40 个发明原理、物 - 场分析等。矛盾矩阵可帮助识别工程中的技术矛盾，并提供对应的发明原理来解决矛盾；40 个发明原理涵盖了从分割、合并到动态化等多种创新思路；物 - 场分析则通过构建和完善物 - 场模型，找到问题的解决方向。这些工具和方法相互配合，能够有效引导设计者解决各种工程设计难题。
三、筏式养殖吊笼清洗问题分析
（一）现有清洗方式弊端
人工清洗：工人手持刷子或高压水枪在海上对吊笼进行逐一清洗。这种方式不仅耗费大量人力，且清洗速度慢，在恶劣天气条件下作业困难。同时，人工清洗难以彻底清除吊笼缝隙和角落的污垢与附着生物。
简易机械清洗设备：部分养殖户采用一些简易的机械装置辅助清洗，如简单的旋转刷装置。但这些设备功能单一，适应性差，无法针对不同规格和结构的吊笼进行有效清洗，清洗质量不稳定。
（二）清洗装备设计中的技术矛盾
在设计吊笼清洗装备时，存在诸多技术矛盾。例如，为提高清洗效率，希望增大清洗设备的功率和清洗速度，但这可能导致设备能耗增加以及对吊笼结构造成损伤；若要保证清洗效果，采用高强度的清洗方式，又可能影响设备的可靠性和使用寿命。这些矛盾制约了清洗装备性能的提升。
四、基于 TRIZ 理论的设计过程
（一）运用矛盾矩阵确定发明原理
定义技术矛盾：将清洗效率与设备能耗作为一对技术矛盾。改善的参数为 “运动物体的速度”（对应清洗效率），恶化的参数为 “能量消耗”（对应设备能耗）。
查询矛盾矩阵：根据 TRIZ 矛盾矩阵表，找到对应的发明原理，如 “15. 动态特性原理”“35. 物理或化学参数改变原理” 等。
（二）应用发明原理进行设计创新
动态特性原理应用：设计可调节的清洗刷头，使其能根据吊笼的形状、大小和污垢分布情况自动调整位置和角度。例如，采用多关节机械臂连接清洗刷头，通过传感器感知吊笼的轮廓，控制机械臂运动，实现对不同部位的精准清洗，提高清洗效率的同时减少不必要的能耗。
物理或化学参数改变原理应用：在清洗介质方面进行创新，采用添加特殊清洗剂的高压水射流清洗方式。通过调整清洗剂的成分和浓度，增强对污垢和附着生物的溶解和剥离能力，降低清洗所需的水压，从而在保证清洗效果的前提下，减少设备功率需求，降低能耗。
（三）物 - 场分析优化设计
构建初始物 - 场模型：分析清洗过程中的物质和场，确定清洗设备（刷子、高压水枪等）为作用物（S1），吊笼及污垢为被作用物（S2），清洗力（机械力、水流冲击力等）为场（F）。当前系统存在的问题是清洗力不足或作用效果不佳，导致清洗不彻底。
完善物 - 场模型：引入新的物质或场来改善系统。例如，增加超声波场，利用超声波的空化效应辅助清洗。在高压水射流中添加超声波，使水分子产生微小气泡，气泡破裂时产生强大的冲击力，进一步清除吊笼表面及缝隙中的污垢，完善了物 - 场模型，提升了清洗效果。
五、清洗装备设计方案
（一）总体结构设计
设计一款集机械清洗、高压水射流清洗和超声波清洗于一体的筏式养殖吊笼清洗装备。装备主要由机架、输送装置、清洗装置、控制系统等部分组成。机架采用耐腐蚀材料制作，确保在海上环境下的稳定性和耐久性。输送装置用于将吊笼平稳地送入清洗区域，并在清洗完成后送出，可根据吊笼的规格进行调整。
（二）清洗装置设计
机械清洗部分：采用多组可调节的旋转刷头，刷头材质选用柔软且具有强摩擦力的材料，既能有效去除污垢，又不会损伤吊笼。刷头通过电机驱动，转速可根据清洗需求进行调节。
高压水射流清洗部分：配备高压水泵，将水加压后通过特制的喷头喷出，形成高压水射流。喷头设计为多角度可调节，能够覆盖吊笼的各个部位。同时，设置水循环系统，对清洗后的水进行过滤和净化，实现水资源的循环利用。
超声波清洗部分：在清洗槽内安装超声波发生器，产生超声波作用于清洗液中。超声波与高压水射流协同工作，增强清洗效果。
（三）控制系统设计
采用 PLC 控制系统，实现对清洗装备的自动化控制。通过传感器实时监测吊笼的位置、清洗过程中的压力、流量等参数，并根据预设程序自动调整设备运行状态。操作人员可通过人机界面进行参数设置和设备监控，操作简便快捷。
六、结论与展望
通过运用 TRIZ 理论，成功解决了筏式养殖吊笼清洗装备设计中的诸多技术矛盾，提出了一种创新的清洗装备设计方案。该方案结合多种清洗方式，提高了清洗效率和清洗质量，降低了能耗和劳动强度。然而，在实际应用中，仍需进一步对装备进行优化和测试，如在不同养殖环境下的适应性测试，以及对设备可靠性和维护性的改进。未来，随着 TRIZ 理论在工程设计领域的深入应用，有望开发出更加智能化、高效化的养殖装备，推动水产养殖业的可持续发展。

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