質量功能展開法在盤磨機磨片設計中的應用

郭西雅 董繼先 劉歡 蔣小軍 羅沖

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

關鍵詞：盤磨機;齒型參數;層次分析法;質量功能展開法;磨齒傾角

中圖分類號：TS734+.1

文獻標識碼：ADOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12. 007

對造紙企業來說，能否抄造出讓用戶滿意的紙張，關鍵有兩個環節：打（磨）漿和抄紙。盤磨機作為打（磨）漿的重要設備之一，其大型化不僅大幅度提高了生產能力，對降低單位產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采用。磨片之于盤磨機猶如心臟之于人體，其設計方案的優劣直接影響到漿料質量，因此，用戶十分重視磨片的選擇，專家學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、擋壩等結構特征，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，漿料質量和性能也會不同。陳克復[2]指出，磨盤選擇的標準有以下3點：①能磨出質量好的漿;②電耗低;③噸漿磨漿成本低。然而這些標準只能從宏觀層面上指導磨片研發，不同的造紙企業主要生產的紙種不同，對漿料質量的要求也不同，因而用戶會對磨片設計提出各種各樣的要求，無論是企業的磨片研發部門還是專門的磨片生產企業一般會根據經驗來設計磨片，通過實驗室運行測試或生產線試驗調試達到生產需求，這一過程難免會對用戶需求考慮不周全，設計的磨片自然缺乏很強的針對性，且主觀性強，設計經驗高度集中，不利于磨片產品快速研發和優化設計。

質量功能展開法（QFD）是把顧客對產品的需求進行多層次的演繹分析，轉化為產品的設計要求、零部件特性、工藝要求、生產要求的質量工程工具，用來指導產品的健壯設計和質量保證。該方法廣泛應用于產品開發、規劃決策、服務管理、軟件工程等領域，國內外相關研究成果豐碩。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計過程中QFD的應用;劉宗明等人[4]、石元伍等人[5]將QFD與Kano模型相結合，分別對不同服務類型的智能機器人、血壓計的用戶需求獲取及需求轉化進行研究，并提出設計方案;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品創新策略，并應用于車輛轉向器驗證其有效性。國外學者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特性并能夠捕獲用戶當前和未來的偏好，采用AHP確定用戶偏好的優先級，并最終將它們轉換為理想的質量產品;Lager Thomas[8]運用QFD方法提出一種基于生產平臺的非組裝產品的概念設計框架，使用質量功能展開策略來識別產品族、生產流程和原材料等之間的相關性，并認為此方法是非組裝產品創新探索和開發的有效途徑。

本研究主要對盤磨機磨片的用戶需求進行挖掘、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先級排序，運用QFD方法構建磨片設計質量屋（HOQ），充分考慮各因素之間相互制約、相互影響的錯綜復雜關系，實現具體的用戶需求到設計要求轉換，根據HOQ分析結果，最終更加科學客觀地得出磨片設計的關鍵參數。

1用戶需求獲取及重要度排序

對于磨片開發而言，挖掘用戶需求，將原始的用戶需求進行更細致的分析總結是磨片創新的關鍵。首先通過對盤磨機直接和間接使用人員進行問卷或訪談式調研、查閱文獻分析，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系圖;最后將具有層次結構的需求關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]。

構建盤磨機磨片用戶需求層次結構后，借助AHP方法確定各項用戶需求權重，AHP方法的核心任務是分層次構造需求判斷矩陣[11-12]。在判斷矩陣中，為了防止數據過于離散，采用數字1～5及其倒數表示i需求比i需求重要的等級水平，其具體含義見表2。在規定了統一的重要度等級賦值后，設計除總目標層以外的各個層次兩兩因素相比較的AHP打分表，由6名來自造紙企業技術負責人、盤磨機直接使用者、維修人員及漿料生產線管理人員、磨片生產企業負責人及從事磨片設計研究專家填寫，并通過計算6組原始數據的加權幾何平均數，得出一組最終應用于AHP的群判斷矩陣數據。

用戶需求群判斷矩陣構造完成后，確定每個層次各項需求相對于上一層次需求的對應權重，之后還需要對矩陣進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CR

CI=λmax-n/n-1

（1）

式中，CI為一致性指標;n為判斷矩陣的階數;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。

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的優劣系數。

首先進行層次單排序及一致性檢驗。計算2次水平需求相對1次水平需求的權重，如表4所示。由計算結果可知，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次水平需求的權重，如表5～表7所示。由計算結果可知，CR均小于0.1，滿足一致性檢驗。

最后進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）的權重，依次沿遞階層次結構由上而下逐層計算，即可得到最底層每個個體元素在最高層（總目標）中的權重。對于本研究而言，即是將第三層每個個體元素權重與第二層每個主體元素權重相乘，就可得到第三層每個個體元素在最高層（總目標）中的權重，數學表達公式為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次水平需求的權重，即得到最底層各項用戶需求的重要度。

2質量屋（HOQ）構建

構建質量屋（HOQ）是QFD最核心的內容，是由用戶需求展開表（表1）與設計要求展開表（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雜的關系[13]。HOQ可以將市場上的抽象語言信息轉換為公司內部用于設計產品的特定技術信息，即通過重要度轉換將用戶需求權重轉換成設計要求權重，以實現對產品設計要求的快速把握和定位。因此，重要度轉換是HOQ構建的核心所在。本課題研究的磨片設計HOQ主要構建步驟如下：

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

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

（3）構建相關關系矩陣。即構建用戶需求與設計要求之間關系程度的矩陣，一般用相關度Rij表示第i個用戶需求與第j個設計要求之間的相關程度，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。根據兩兩因素間的具體關系填入對應數值，構成相關關系矩陣即形成HOQ的房間。

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

HOQ構建過程中相關計算如式（4）和式（5）所示。

Wj=n∑i=1IiRij （4）

式中，Wj為設計要求絕對權重;Ii為用戶需求絕對權重;Rij為用戶需求與設計要求相關性系數。

W'j=Wj/n∑j=1Wj（5）

式中，W'j為設計要求相對權重。

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

從以上分析來看，設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果的正確性，將磨片5個主要設計參數磨齒寬度、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行分析，得到的結論是磨齒高度在磨片參數對漿料質量影響中最微弱。即兩種方法得到的磨片設計要求重要度相同，從而可以客觀地獲得磨片設計關鍵參數。

3分析結果驗證

運用質量功能展開法（QFD），特別是構建磨片設計要求質量屋（HOQ），可以更加客觀科學地評估和分析用戶需求與設計要求之間的關系，最終確定磨片設計關鍵參數，實現磨片快速研發和優化設計。

為了驗證QFD分析結果的正確性，同時避免各設計參數對成漿質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計的變量，磨齒傾角分別為5°、22°、39°的3種磨片設計示意圖見圖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，并進行實驗室循環打漿。磨片具體設計參數、實驗條件和過程參數見表11。

采用不同磨齒傾角的磨片進行打漿，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。實驗結果表明，磨齒傾角對漿料質量和紙張物理性能有一定影響。而表4中顯示漿料質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量也會具有一定影響，并且得到了前人的驗證。以上結論與表10盤磨機磨片設計QFD的分析結果基本吻合，表明QFD可用于盤磨機磨片的研發、參數化設計及優化設計中。

4結論

本課題對盤磨機磨盤的用戶需求進行挖掘、分層整理，通過層次分析法（AHP）確定各項用戶需求的權重并進行重要度排序，結合質量功能展開法（QFD）構建盤磨機磨片設計質量屋（HOQ），實現具體用戶需求到磨片設計要求的轉化，根據HOQ分析結果并結合專家打分法確定磨片設計關鍵參數，進而設計、制作磨片并進行相關實驗驗證。實驗結果表明，QFD方法可用于磨片參數化設計及優化設計過程，更加科學客觀地設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致用戶對磨片需求信息很難統一，需求重要度的決定方法不同等都會影響磨片設計關鍵參數的確定。因此在后續的磨片設計研究中，應當對用戶需求進行更加系統有效地歸納分析，更準確地描述磨片設計要求，才能真正地實現從用戶需求到設計要求的轉化。

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（責任編輯：常青）