质量功能展开法在盘磨机磨片设计中的应用

对造纸企业来说，能否抄造出让用户满意的纸 张，关键有两个环节：打 （磨） 浆和抄纸。盘磨机作 为打 （磨） 浆的重要设备之一，其大型化不仅大幅度 提高了生产能力，对降低单位产量的电耗有一定效 果，而且磨盘齿型灵活多变，易于满足不同用户的需 求，因此近年来被越来越多的造纸企业采用。磨片之 于盘磨机犹如心脏之于人体，其设计方案的优劣直接 影响到浆料质量，因此，用户十分重视磨片的选择， 专家学者格外青睐磨片的研究。

磨片主要包括齿宽、齿高、槽宽、磨齿倾角、挡 坝等结构特征，它对浆料主要起到切断、挤压揉搓、 疏解等作用，因此，可将磨片分为切断型、帚化型和 疏解型[1]。在磨浆过程中，浆料和磨浆浓度相同，磨 片齿型不同，浆料质量和性能也会不同。陈克复[2]指 出，磨盘选择的标准有以下3点：①能磨出质量好的 浆；②电耗低；③吨浆磨浆成本低。然而这些标准只能从宏观层面上指导磨片研发，不同的造纸企业主要 生产的纸种不同，对浆料质量的要求也不同，因而用 户会对磨片设计提出各种各样的要求，无论是企业的 磨片研发部门还是专门的磨片生产企业一般会根据经 验来设计磨片，通过实验室运行测试或生产线试验调 试达到生产需求，这一过程难免会对用户需求考虑不 周全，设计的磨片自然缺乏很强的针对性，且主观性 强，设计经验高度集中，不利于磨片产品快速研发和 优化设计。 

质量功能展开法 （QFD） 是把顾客对产品的需求 进行多层次的演绎分析，转化为产品的设计要求、零 部件特性、工艺要求、生产要求的质量工程工具，用 来指导产品的健壮设计和质量保证。该方法广泛应用 于产品开发、规划决策、服务管理、软件工程等领 域，国内外相关研究成果丰硕。杨正强[3] 以摩擦焊机 为例，研究了非典型性的特种机床造型设计过程中 QFD 的应用；刘宗明等人[4]、石元伍等人[5]将 QFD 与 Kano 模型相结合，分别对不同服务类型的智能机器 人、血压计的用户需求获取及需求转化进行研究，并 提出设计方案；王晨等人[6]将AHP、QFD和TRIZ理论 等多种方法相融合，提出一种基于用户需求的产品创 新策略，并应用于车辆转向器验证其有效性。国外学 者 Katerina Gotzamani等人[7]在 QFD中引入多元马尔可 夫模型 （MMC），考虑到用户需求的动态特性并能够 捕获用户当前和未来的偏好，采用 AHP 确定用户偏 好的优先级，并最终将它们转换为理想的质量产品； Lager Thomas [8] 运用 QFD 方法提出一种基于生产平台 的非组装产品的概念设计框架，使用质量功能展开策 略来识别产品族、生产流程和原材料等之间的相关 性，并认为此方法是非组装产品创新探索和开发的有 效途径。 

本研究主要对盘磨机磨片的用户需求进行挖掘、 分层整理，通过层次分析法 （AHP） 确定各项用户需 求的重要度优先级排序，运用 QFD 方法构建磨片设 计质量屋 （HOQ），充分考虑各因素之间相互制约、 相互影响的错综复杂关系，实现具体的用户需求到设 计要求转换，根据 HOQ 分析结果，最终更加科学客 观地得出磨片设计的关键参数。 

1 用户需求获取及重要度排序 

对于磨片开发而言，挖掘用户需求，将原始的用 户需求进行更细致的分析总结是磨片创新的关键。首 先通过对盘磨机直接和间接使用人员进行问卷或访谈 式调研、查阅文献分析，获取用户对磨片的基本需 求；再通过归纳梳理出用户需求层级关系图；最后将 具有层次结构的需求关系图整合为用户需求展开表， 如表1所示。本研究将盘磨机磨片的用户需求分为了 3个水平层次，第一层为用户总需求，即磨片性能良 好；第二层将用户总需求分类得到浆料质量好、电能 消耗低、吨浆成本低共3类分需求；第三层为各分需 求细化的具体要求，如浆料打浆度合适、抄纸物理性 能良好、运行成本低等[9-10]。

 构建盘磨机磨片用户需求层次结构后，借助 AHP 方法确定各项用户需求权重，AHP 方法的核心 任务是分层次构造需求判断矩阵[11-12]。在判断矩阵中， 为了防止数据过于离散，采用数字 1～5 及其倒数表 示 i 需求比 j 需求重要的等级水平，其具体含义见表 2。在规定了统一的重要度等级赋值后，设计除总目 标层以外的各个层次两两因素相比较的AHP打分表， 由 6 名来自造纸企业技术负责人、盘磨机直接使用 者、维修人员及浆料生产线管理人员、磨片生产企业 负责人及从事磨片设计研究专家填写，并通过计算6 组原始数据的加权几何平均数，得出一组最终应用于 AHP的群判断矩阵数据。 

用户需求群判断矩阵构造完成后，确定每个层次 各项需求相对于上一层次需求的对应权重，之后还需 要对矩阵进行层次单排序及一致性检验和层次总排序 及一致性检验。CR 为一致性比率，当 CR＜0. 1 时， 认为矩阵有满意一致性，说明权重分配合理；反之， 当 CR≥0. 1时，认为矩阵不具有满意一致性，则需要 对判断矩阵进行某些调整，直至其具有满意一致性。 一致性检验相关计算见式(1)、式(2)和式(3) ，其中 RI的数值可根据矩阵阶数查表3得知。

 CI = λmax - n n - 1 （1）

 式中，CI 为一致性指标；n 为判断矩阵的阶数； λmax为判断矩阵的最大特征值。

 CR = CI RI （2） 

式中，CR为一致性比率；RI为随机一致性指标。 

CR( k ) = CI( k ) RI( k ) =∑i = 1 aiCI ∑i = 1 aiRI （3） 

式中，CR(k) 为层次总排序一致性比率；ai为对矩 阵A来说Ci的优劣系数。

首先进行层次单排序及一致性检验。计算2次水 平需求相对 1次水平需求的权重，如表 4所示。由计 算结果可知，CR= 9×10-5＜0. 1，满足一致性检验。 再分别计算每一组 3次水平需求相对其 2次水平需求 的权重，如表 5~表 7 所示。由计算结果可知，CR 均 小于0. 1，满足一致性检验。

最后进行层次总排序及一致性检验。通过计算， CR=1×10-5＜0. 1，满足一致性检验。层次总排序就是 指某一层次的所有元素相对于最高层 （总目标） 的权 重，依次沿递阶层次结构由上而下逐层计算，即可得 到最底层每个个体元素在最高层 （总目标） 中的权 重。对于本研究而言，即是将第三层每个个体元素权 重与第二层每个主体元素权重相乘，就可得到第三层 每个个体元素在最高层 （总目标） 中的权重，数学表 达公式为 Aij＝ai·aij （i=1，2，3；j=1，2，3）。如表 8 所示，得到 3 次水平需求相对 1 次水平需求的权重， 即得到最底层各项用户需求的重要度。

 2 质量屋 （HOQ） 构建 

构建质量屋 （HOQ） 是 QFD 最核心的内容，是 由用户需求展开表 （表1） 与设计要求展开表 （表2） 组合而成的矩阵形表格，可以表示两者中各因素之间错综复杂的关系[13]。HOQ可以将市场上的抽象语言信 息转换为公司内部用于设计产品的特定技术信息，即 通过重要度转换将用户需求权重转换成设计要求权 重，以实现对产品设计要求的快速把握和定位。因 此，重要度转换是 HOQ 构建的核心所在。本课题研 究的磨片设计HOQ主要构建步骤如下： 

（1） 用户需求及其权重计算。根据文章第一部分 得到的用户需求及其权重I，建立HOQ的左墙。

 （2） 构建设计要求展开表。本课题 HOQ 中的设 计要求展开表也即产品设计要求的提取过程。磨盘参 数对浆料质量影响十分显著，因此其设计至关重要且 非常复杂。通过查阅文献、专家调研等方法，梳理出 磨片主要设计要求如下：磨齿宽度、磨齿高度、沟槽 宽度、磨齿倾角及挡坝分布，设计要求展开表见表 9[14]。根据其建立 HOQ天花板。

（3）构建相关关系矩阵。即构建用户需求与设计 要求之间关系程度的矩阵，一般用相关度 Rij表示第 i 个用户需求与第 j个设计要求之间的相关程度，可以 用 9、7、5、3、1、0 分别代表非常密切、密切、比 较密切、有一定影响、有微弱影响及无影响的取值。 根据两两因素间的具体关系填入对应数值，构成相关 关系矩阵即形成HOQ的房间。

 （4） 重要度转换。重要度转换是将用户需求重要 度转换为设计要求权重的过程，所得设计要求权重构 成 HOQ 的地下室。为了降低用户需求的数量和分布 对计算结果产生的影响，本研究采用独立配点法来实 现重要度的转换。独立配点法是将用户需求重要度直 接与设计要求所对应的相关系数 Rij相乘，然后再垂 直方向求和得到设计要求绝对权重 Wj，最后将其归 一化转化成设计要求相对权重W'j。

 HOQ构建过程中相关计算如式(4)和式(5)所示。 

Wj =∑i = 1 n Ii Rij （4） 

式中，Wj为设计要求绝对权重；Ii 为用户需求绝 对权重；Rij为用户需求与设计要求相关性系数。

 W'j = Wj ∑j = 1 n Wj （5）

 式中，W'j 为设计要求相对权重。 

根据以上步骤建立盘磨机磨片设计要求的HOQ， 最终分析得到的设计要求相对权重值和绝对权重值则 可以表明各设计要求在磨片设计中的重要程度，具体 过程见表10。 

从以上分析来看，设计要素中的磨齿倾角是影响 用户需求最重要的因素，沟槽宽度、挡坝分布及磨齿 宽度次之，磨齿高度对用户需求影响最小。为了验证 该方法计算结果的正确性，将磨片5个主要设计参数 磨齿宽度、磨齿高度、沟槽宽度、磨齿倾角及挡坝分 布采用专家打分法进行分析，得到的结论是磨齿高度 在磨片参数对浆料质量影响中最微弱。即两种方法得 到的磨片设计要求重要度相同，从而可以客观地获得 磨片设计关键参数。 

3 分析结果验证 

运用质量功能展开法 （QFD），特别是构建磨片 设计要求质量屋 （HOQ），可以更加客观科学地评估 和分析用户需求与设计要求之间的关系，最终确定磨 片设计关键参数，实现磨片快速研发和优化设计。 

为了验证 QFD 分析结果的正确性，同时避免各 设计参数对成浆质量及纸张性能影响的相互干扰，本 次实验选择磨齿倾角作为磨片设计的变量，磨齿倾角 分别为 5°、22°、39°的 3 种磨片设计示意图见图 1。 采用 2Cr13 马氏体不锈钢材料制造出直径 203 mm 的 磨片，将漂白硫酸盐桉木浆浆板浸泡 3 h，运用疏解 机疏解，并进行实验室循环打浆。磨片具体设计参 数、实验条件和过程参数见表11。

 采用不同磨齿倾角的磨片进行打浆，检测打浆后 的浆料打浆度并抄片，检测手抄片的厚度、撕裂度及 抗张强度等物理性能，检测结果如表12所示。 

从表12可以看出，磨齿倾角分别为5º、22 º、39º 时，相同的浆料在相同打浆条件下，成浆的打浆度、 纸张厚度、抗张强度及撕裂度差别较大；且同一磨齿 倾角下，打浆前后浆料性能和手抄片的物理性能变化 明显。实验结果表明，磨齿倾角对浆料质量和纸张物 理性能有一定影响。而表4中显示浆料质量在用户对 磨片性能需求中相比其他两个因素明显重要，间接说 明磨齿倾角是影响用户需求的重要因素。同时，比表 面负荷 SSL （Specific Surface Load）、磨浆强度等理论 指出，除磨齿倾角外，磨齿宽度、沟槽宽度等对浆料质量也会具有一定影响，并且得到了前人的验证。以 上结论与表 10 盘磨机磨片设计 QFD 的分析结果基本 吻合，表明 QFD 可用于盘磨机磨片的研发、参数化 设计及优化设计中。

 4 结 论 

本课题对盘磨机磨盘的用户需求进行挖掘、分层 整理，通过层次分析法 （AHP） 确定各项用户需求的 权重并进行重要度排序，结合质量功能展开法（QFD） 构建盘磨机磨片设计质量屋（HOQ），实现具体用户需 求到磨片设计要求的转化，根据HOQ分析结果并结合 专家打分法确定磨片设计关键参数，进而设计、制作 磨片并进行相关实验验证。实验结果表明， QFD方法 可用于磨片参数化设计及优化设计过程，更加科学客 观地设计出具有很强针对性的磨片。然而，QFD方法 涉及的因素众多，生活中纸张种类众多而导致用户对 磨片需求信息很难统一，需求重要度的决定方法不同 等都会影响磨片设计关键参数的确定。因此在后续的 磨片设计研究中，应当对用户需求进行更加系统有效 地归纳分析，更准确地描述磨片设计要求，才能真正 地实现从用户需求到设计要求的转化。