質(zhì)量功能展開法在盤磨機磨片設(shè)計中的應(yīng)用

郭西雅 董繼先 劉歡 蔣小軍 羅沖

摘要：結(jié)合層次分析法（AHP）和質(zhì)量功能展開法（QFD），構(gòu)建磨片設(shè)計要求的質(zhì)量屋（HOQ），經(jīng)計算獲得磨片設(shè)計要素重要度排序，從而可得到磨片設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。通過專家打分法和實驗驗證，說明了QFD分析結(jié)果的正確性，由此可見QFD可用于盤磨機磨片設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的確定，可為適合國內(nèi)纖維原料的新型磨片參數(shù)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：盤磨機;齒型參數(shù);層次分析法;質(zhì)量功能展開法;磨齒傾角

中圖分類號：TS734+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12. 007

對造紙企業(yè)來說，能否抄造出讓用戶滿意的紙張，關(guān)鍵有兩個環(huán)節(jié)：打（磨）漿和抄紙。盤磨機作為打（磨）漿的重要設(shè)備之一，其大型化不僅大幅度提高了生產(chǎn)能力，對降低單位產(chǎn)量的電耗有一定效果，而且磨盤齒型靈活多變，易于滿足不同用戶的需求，因此近年來被越來越多的造紙企業(yè)采用。磨片之于盤磨機猶如心臟之于人體，其設(shè)計方案的優(yōu)劣直接影響到漿料質(zhì)量，因此，用戶十分重視磨片的選擇，專家學(xué)者格外青睞磨片的研究。

磨片主要包括齒寬、齒高、槽寬、磨齒傾角、擋壩等結(jié)構(gòu)特征，它對漿料主要起到切斷、擠壓揉搓、疏解等作用，因此，可將磨片分為切斷型、帚化型和疏解型[1]。在磨漿過程中，漿料和磨漿濃度相同，磨片齒型不同，漿料質(zhì)量和性能也會不同。陳克復(fù)[2]指出，磨盤選擇的標(biāo)準(zhǔn)有以下3點：①能磨出質(zhì)量好的漿;②電耗低;③噸漿磨漿成本低。然而這些標(biāo)準(zhǔn)只能從宏觀層面上指導(dǎo)磨片研發(fā)，不同的造紙企業(yè)主要生產(chǎn)的紙種不同，對漿料質(zhì)量的要求也不同，因而用戶會對磨片設(shè)計提出各種各樣的要求，無論是企業(yè)的磨片研發(fā)部門還是專門的磨片生產(chǎn)企業(yè)一般會根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)計磨片，通過實驗室運行測試或生產(chǎn)線試驗調(diào)試達(dá)到生產(chǎn)需求，這一過程難免會對用戶需求考慮不周全，設(shè)計的磨片自然缺乏很強的針對性，且主觀性強，設(shè)計經(jīng)驗高度集中，不利于磨片產(chǎn)品快速研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計。

質(zhì)量功能展開法（QFD）是把顧客對產(chǎn)品的需求進(jìn)行多層次的演繹分析，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的質(zhì)量工程工具，用來指導(dǎo)產(chǎn)品的健壯設(shè)計和質(zhì)量保證。該方法廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)、規(guī)劃決策、服務(wù)管理、軟件工程等領(lǐng)域，國內(nèi)外相關(guān)研究成果豐碩。楊正強[3]以摩擦焊機為例，研究了非典型性的特種機床造型設(shè)計過程中QFD的應(yīng)用;劉宗明等人[4]、石元伍等人[5]將QFD與Kano模型相結(jié)合，分別對不同服務(wù)類型的智能機器人、血壓計的用戶需求獲取及需求轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，并提出設(shè)計方案;王晨等人[6]將AHP、QFD和TRIZ理論等多種方法相融合，提出一種基于用戶需求的產(chǎn)品創(chuàng)新策略，并應(yīng)用于車輛轉(zhuǎn)向器驗證其有效性。國外學(xué)者Katerina Gotzamani等人[7]在QFD中引入多元馬爾可夫模型（ MMC），考慮到用戶需求的動態(tài)特性并能夠捕獲用戶當(dāng)前和未來的偏好，采用AHP確定用戶偏好的優(yōu)先級，并最終將它們轉(zhuǎn)換為理想的質(zhì)量產(chǎn)品;Lager Thomas[8]運用QFD方法提出一種基于生產(chǎn)平臺的非組裝產(chǎn)品的概念設(shè)計框架，使用質(zhì)量功能展開策略來識別產(chǎn)品族、生產(chǎn)流程和原材料等之間的相關(guān)性，并認(rèn)為此方法是非組裝產(chǎn)品創(chuàng)新探索和開發(fā)的有效途徑。

本研究主要對盤磨機磨片的用戶需求進(jìn)行挖掘、分層整理，通過層次分析法（AHP）確定各項用戶需求的重要度優(yōu)先級排序，運用QFD方法構(gòu)建磨片設(shè)計質(zhì)量屋（HOQ），充分考慮各因素之間相互制約、相互影響的錯綜復(fù)雜關(guān)系，實現(xiàn)具體的用戶需求到設(shè)計要求轉(zhuǎn)換，根據(jù)HOQ分析結(jié)果，最終更加科學(xué)客觀地得出磨片設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。

1用戶需求獲取及重要度排序

對于磨片開發(fā)而言，挖掘用戶需求，將原始的用戶需求進(jìn)行更細(xì)致的分析總結(jié)是磨片創(chuàng)新的關(guān)鍵。首先通過對盤磨機直接和間接使用人員進(jìn)行問卷或訪談式調(diào)研、查閱文獻(xiàn)分析，獲取用戶對磨片的基本需求;再通過歸納梳理出用戶需求層級關(guān)系圖;最后將具有層次結(jié)構(gòu)的需求關(guān)系圖整合為用戶需求展開表，如表1所示。本研究將盤磨機磨片的用戶需求分為了3個水平層次，第一層為用戶總需求，即磨片性能良好;第二層將用戶總需求分類得到漿料質(zhì)量好、電能消耗低、噸漿成本低共3類分需求;第三層為各分需求細(xì)化的具體要求，如漿料打漿度合適、抄紙物理性能良好、運行成本低等[9-10]。

構(gòu)建盤磨機磨片用戶需求層次結(jié)構(gòu)后，借助AHP方法確定各項用戶需求權(quán)重，AHP方法的核心任務(wù)是分層次構(gòu)造需求判斷矩陣[11-12]。在判斷矩陣中，為了防止數(shù)據(jù)過于離散，采用數(shù)字1～5及其倒數(shù)表示i需求比i需求重要的等級水平，其具體含義見表2。在規(guī)定了統(tǒng)一的重要度等級賦值后，設(shè)計除總目標(biāo)層以外的各個層次兩兩因素相比較的AHP打分表，由6名來自造紙企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人、盤磨機直接使用者、維修人員及漿料生產(chǎn)線管理人員、磨片生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)人及從事磨片設(shè)計研究專家填寫，并通過計算6組原始數(shù)據(jù)的加權(quán)幾何平均數(shù)，得出一組最終應(yīng)用于AHP的群判斷矩陣數(shù)據(jù)。

用戶需求群判斷矩陣構(gòu)造完成后，確定每個層次各項需求相對于上一層次需求的對應(yīng)權(quán)重，之后還需要對矩陣進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗和層次總排序及一致性檢驗。CR為一致性比率，當(dāng)CR

CI=λmax-n/n-1

（1）

式中，CI為一致性指標(biāo);n為判斷矩陣的階數(shù);λmax為判斷矩陣的最大特征值。

CR=CI/RI （2）

式中，CR為一致性比率;RI為隨機一致性指標(biāo)。

CR（k）=CI（k）/RI（k）=∑i=1aiCI/∑i=1aiRI

（3）

式中，CR（k）為層次總排序一致性比率;ai為對矩陣A來說Ci的優(yōu)劣系數(shù)。

首先進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗。計算2次水平需求相對1次水平需求的權(quán)重，如表4所示。由計算結(jié)果可知，CR= 9×10-5<0.1，滿足一致性檢驗。再分別計算每一組3次水平需求相對其2次水平需求的權(quán)重，如表5～表7所示。由計算結(jié)果可知，CR均小于0.1，滿足一致性檢驗。

最后進(jìn)行層次總排序及一致性檢驗。通過計算，CR=1x10-5<0.1，滿足一致性檢驗。層次總排序就是指某一層次的所有元素相對于最高層（總目標(biāo)）的權(quán)重，依次沿遞階層次結(jié)構(gòu)由上而下逐層計算，即可得到最底層每個個體元素在最高層（總目標(biāo)）中的權(quán)重。對于本研究而言，即是將第三層每個個體元素權(quán)重與第二層每個主體元素權(quán)重相乘，就可得到第三層每個個體元素在最高層（總目標(biāo)）中的權(quán)重，數(shù)學(xué)表達(dá)公式為Aij=ai·aij（i=1，2，3;j=l，2，3）。如表8所示，得到3次水平需求相對1次水平需求的權(quán)重，即得到最底層各項用戶需求的重要度。

2質(zhì)量屋（HOQ）構(gòu)建

構(gòu)建質(zhì)量屋（HOQ）是QFD最核心的內(nèi)容，是由用戶需求展開表（表1）與設(shè)計要求展開表（表2）組合而成的矩陣形表格，可以表示兩者中各因素之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系[13]。HOQ可以將市場上的抽象語言信息轉(zhuǎn)換為公司內(nèi)部用于設(shè)計產(chǎn)品的特定技術(shù)信息，即通過重要度轉(zhuǎn)換將用戶需求權(quán)重轉(zhuǎn)換成設(shè)計要求權(quán)重，以實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計要求的快速把握和定位。因此，重要度轉(zhuǎn)換是HOQ構(gòu)建的核心所在。本課題研究的磨片設(shè)計HOQ主要構(gòu)建步驟如下：

（1）用戶需求及其權(quán)重計算。根據(jù)文章第一部分得到的用戶需求及其權(quán)重I，建立HOQ的左墻。

（2）構(gòu)建設(shè)計要求展開表。本課題HOQ中的設(shè)計要求展開表也即產(chǎn)品設(shè)計要求的提取過程。磨盤參數(shù)對漿料質(zhì)量影響十分顯著，因此其設(shè)計至關(guān)重要且非常復(fù)雜。通過查閱文獻(xiàn)、專家調(diào)研等方法，梳理出磨片主要設(shè)計要求如下：磨齒寬度、磨齒高度、溝槽寬度、磨齒傾角及擋壩分布，設(shè)計要求展開表見表9[14]。根據(jù)其建立HOQ天花板。

（3）構(gòu)建相關(guān)關(guān)系矩陣。即構(gòu)建用戶需求與設(shè)計要求之間關(guān)系程度的矩陣，一般用相關(guān)度Rij表示第i個用戶需求與第j個設(shè)計要求之間的相關(guān)程度，可以用9、7、5、3、1、0分別代表非常密切、密切、比較密切、有一定影響、有微弱影響及無影響的取值。根據(jù)兩兩因素間的具體關(guān)系填入對應(yīng)數(shù)值，構(gòu)成相關(guān)關(guān)系矩陣即形成HOQ的房間。

（4）重要度轉(zhuǎn)換。重要度轉(zhuǎn)換是將用戶需求重要度轉(zhuǎn)換為設(shè)計要求權(quán)重的過程，所得設(shè)計要求權(quán)重構(gòu)成HOQ的地下室。為了降低用戶需求的數(shù)量和分布對計算結(jié)果產(chǎn)生的影響，本研究采用獨立配點法來實現(xiàn)重要度的轉(zhuǎn)換。獨立配點法是將用戶需求重要度直接與設(shè)計要求所對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)Rij相乘，然后再垂直方向求和得到設(shè)計要求絕對權(quán)重Wj，最后將其歸一化轉(zhuǎn)化成設(shè)計要求相對權(quán)重W'j。

HOQ構(gòu)建過程中相關(guān)計算如式（4）和式（5）所示。

Wj=n∑i=1IiRij （4）

式中，Wj為設(shè)計要求絕對權(quán)重;Ii為用戶需求絕對權(quán)重;Rij為用戶需求與設(shè)計要求相關(guān)性系數(shù)。

W'j=Wj/n∑j=1Wj（5）

式中，W'j為設(shè)計要求相對權(quán)重。

根據(jù)以上步驟建立盤磨機磨片設(shè)計要求的HOQ，最終分析得到的設(shè)計要求相對權(quán)重值和絕對權(quán)重值則可以表明各設(shè)計要求在磨片設(shè)計中的重要程度，具體過程見表10。

從以上分析來看，設(shè)計要素中的磨齒傾角是影響用戶需求最重要的因素，溝槽寬度、擋壩分布及磨齒寬度次之，磨齒高度對用戶需求影響最小。為了驗證該方法計算結(jié)果的正確性，將磨片5個主要設(shè)計參數(shù)磨齒寬度、磨齒高度、溝槽寬度、磨齒傾角及擋壩分布采用專家打分法進(jìn)行分析，得到的結(jié)論是磨齒高度在磨片參數(shù)對漿料質(zhì)量影響中最微弱。即兩種方法得到的磨片設(shè)計要求重要度相同，從而可以客觀地獲得磨片設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)。

3分析結(jié)果驗證

運用質(zhì)量功能展開法（QFD），特別是構(gòu)建磨片設(shè)計要求質(zhì)量屋（HOQ），可以更加客觀科學(xué)地評估和分析用戶需求與設(shè)計要求之間的關(guān)系，最終確定磨片設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)磨片快速研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計。

為了驗證QFD分析結(jié)果的正確性，同時避免各設(shè)計參數(shù)對成漿質(zhì)量及紙張性能影響的相互干擾，本次實驗選擇磨齒傾角作為磨片設(shè)計的變量，磨齒傾角分別為5°、22°、39°的3種磨片設(shè)計示意圖見圖1。采用2Cr13馬氏體不銹鋼材料制造出直徑203 mm的磨片，將漂白硫酸鹽桉木漿漿板浸泡3h，運用疏解機疏解，并進(jìn)行實驗室循環(huán)打漿。磨片具體設(shè)計參數(shù)、實驗條件和過程參數(shù)見表11。

采用不同磨齒傾角的磨片進(jìn)行打漿，檢測打漿后的漿料打漿度并抄片，檢測手抄片的厚度、撕裂度及抗張強度等物理性能，檢測結(jié)果如表12所示。

從表12可以看出，磨齒傾角分別為5°、22°、39°時，相同的漿料在相同打漿條件下，成漿的打漿度、紙張厚度、抗張強度及撕裂度差別較大;且同一磨齒傾角下，打漿前后漿料性能和手抄片的物理性能變化明顯。實驗結(jié)果表明，磨齒傾角對漿料質(zhì)量和紙張物理性能有一定影響。而表4中顯示漿料質(zhì)量在用戶對磨片性能需求中相比其他兩個因素明顯重要，間接說明磨齒傾角是影響用戶需求的重要因素。同時，比表面負(fù)荷SSL（Specific Surface Load）、磨漿強度等理論指出，除磨齒傾角外，磨齒寬度、溝槽寬度等對漿料質(zhì)量也會具有一定影響，并且得到了前人的驗證。以上結(jié)論與表10盤磨機磨片設(shè)計QFD的分析結(jié)果基本吻合，表明QFD可用于盤磨機磨片的研發(fā)、參數(shù)化設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計中。

4結(jié)論

本課題對盤磨機磨盤的用戶需求進(jìn)行挖掘、分層整理，通過層次分析法（AHP）確定各項用戶需求的權(quán)重并進(jìn)行重要度排序，結(jié)合質(zhì)量功能展開法（QFD）構(gòu)建盤磨機磨片設(shè)計質(zhì)量屋（HOQ），實現(xiàn)具體用戶需求到磨片設(shè)計要求的轉(zhuǎn)化，根據(jù)HOQ分析結(jié)果并結(jié)合專家打分法確定磨片設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而設(shè)計、制作磨片并進(jìn)行相關(guān)實驗驗證。實驗結(jié)果表明，QFD方法可用于磨片參數(shù)化設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計過程，更加科學(xué)客觀地設(shè)計出具有很強針對性的磨片。然而，QFD方法涉及的因素眾多，生活中紙張種類眾多而導(dǎo)致用戶對磨片需求信息很難統(tǒng)一，需求重要度的決定方法不同等都會影響磨片設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的確定。因此在后續(xù)的磨片設(shè)計研究中，應(yīng)當(dāng)對用戶需求進(jìn)行更加系統(tǒng)有效地歸納分析，更準(zhǔn)確地描述磨片設(shè)計要求，才能真正地實現(xiàn)從用戶需求到設(shè)計要求的轉(zhuǎn)化。

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（責(zé)任編輯：常青）