質量功能展開法在盤磨機磨片設計中的應用

對造紙企業(yè)來說，能否抄造出讓用戶滿意的紙 張，關鍵有兩個環(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(yè)采用。磨片之 于盤磨機猶如心臟之于人體，其設計方案的優(yōu)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(fā)，不同的造紙企業(yè)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(yè)的 磨片研發(fā)部門還是專門的磨片生產企業(yè)一般會根據(jù)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(fā)和 優(yōu)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(fā)、規(guī)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(chuàng) 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(tài)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(yōu)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(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(xiàn)具體的用戶需求到設 計要求轉換，根據(jù) 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(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 戶需求進行更細致的分析總結是磨片創(chuàng)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(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 j 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(yè)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(yè) 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(shù)據(jù)的加權幾何平均數(shù)，得出一組最終應用于 AHP的群判斷矩陣數(shù)據(jù)。 

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＜0. 1 時， 認為矩陣有滿意一致性，說明權重分配合理；反之， 當 CR≥0. 1時，認為矩陣不具有滿意一致性，則需要 對判斷矩陣進行某些調整，直至其具有滿意一致性。 一致性檢驗相關計算見式(1)、式(2)和式(3) ，其中 RI的數(shù)值可根據(jù)矩陣階數(shù)查表3得知。

 CI = λmax - n n - 1 （1）

 式中，CI 為一致性指標；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。 

CR( k ) = CI( k ) RI( k ) =∑i = 1 aiCI ∑i = 1 aiRI （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=1×10-5＜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(shù)學表 達公式為 Aij＝ai·aij （i=1，2，3；j=1，2，3）。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(xiàn)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(jù)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(shù)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(jù)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(jù)兩兩因素間的具體關系填入對應數(shù)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(shù)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(xiàn)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(shù) 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 =∑i = 1 n Ii Rij （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(shù)。

 W'j = Wj ∑j = 1 n Wj （5）

 式中，W'j 為設計要求相對權重。 

根據(jù)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(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行分析，得到的結論是磨齒高度 在磨片參數(shù)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(shù)。 

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(shù)，實現(xiàn)磨片快速研發(fā)和優(yōu)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(shù)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 3 h，運用疏解 機疏解，并進行實驗室循環(huán)打漿。磨片具體設計參 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5o、22 o、39o 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(fā)、參數(shù)化 設計及優(yōu)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(xiàn)具體用戶需 求到磨片設計要求的轉化，根據(jù)HOQ分析結果并結合 專家打分法確定磨片設計關鍵參數(shù)，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(shù)化設計及優(yōu)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(tǒng)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(shù)的確定。因此在后續(xù)的 磨片設計研究中，應當對用戶需求進行更加系統(tǒng)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(xiàn)從用戶需求到設計要求的轉化。

來源：《中國造紙》：http://m.00559.cn/w/zw/24523.html