应急救援车概念创新设计中的QFD_TRIZ_AD集成方法

李 军,张 勇,刘玉川

(1.徐州工程机械集团有限公司,江苏 徐州221004; 2.徐工集团江苏徐州工程机械研究院,江苏 徐州221004; 3.高端工程机械智能制造国家重点实验室,江苏 徐州221004)

当前市场竞争格局日趋激烈,产品生命周期急剧缩短,客户需求不断提升,企业必须在尽可能短的时间内研制出满足客户需求的产品并投放市场,才能持续不断地提升自身的竞争力.要想使产品能够持续不断地得到客户认可,需要持续地挖掘客户的新需求,并将客户的需求转化为设计需求,而在这一转变过程中，创新起着决定性作用,创新理论和创新方法在创新设计中的应用显得尤为重要[1].

多年来,国内外学者针对质量功能配置(Quality Function Deployment,QFD)、发明问题解决理论(Theory of Innovation Problem Solving,TRIZ)、公理设计(Axiomatic Design,AD)等创新应用理论进行大量的研究工作.刘晓敏等[2]将TRIZ与AD进行集成,建立了基于两者的概念设计过程模型,获得了非耦合或解耦合设计方案,提高了产品创新设计效率.张彩丽等[3]研究了基于QFD和TRIZ的集成创新设计模式,针对TRIZ问题确定能力的不足,将QFD方法与TRIZ理论的嵌入集成,有机融合TRIZ和QFD各自的优势,实现了一种QFD设计过程中多种设计问题的确定与创新求解方法,最后通过实例说明方法的有效性.钟诗胜等[4]提出了基于QFD和AD的模块划分方法,并运用分组聚类计算方法,提升了模块化设计的优化效率.Dou等[5]提出了基于TRIZ/AD/QFD集成的节能设计(Design for Energy Saving,DFES)模型,并将其应用到饮水机创新设计上,为可持续设计提供了参考依据.

1 基于QFD_TRIZ_AD理论的概念设计集成模型

1.1 QFD概述

QFD是一种产品开发和质量保证的方法论,是基于顾客需求驱动的产品研发方法,其核心方法论工具为质量屋(House of Quality,HOQ),如图1所示.采用矩阵图表方法，建立顾客需求和技术需求之间的关系.

图1 HOQ结构模型Fig.1 HOQ structure model

质量屋主要由①左墙、②屋顶、③天花板、④右墙、⑤底板、⑥房间等组成.其中左墙为输入项矩阵(Whats),强调需求信息,用重要度来体现需求的强烈程度;天花板为基于输入项矩阵而确定的参数需求,一般表述为设计需求(Hows);房间为关系矩阵,表示设计需求与客户需求之间的关系;屋顶反映的是设计需求参数之间的相关关系,当相关关系为负相关时,则出现矛盾冲突,需通过TRIZ进行矛盾分析;右墙为顾客评价,反映自己产品与主要竞争者之间的关系;底板主要反映创新设计开展过程中达成设计目标的难易程度,包含设计竞争力评估、限制条件、困难度、技术重要度、目标值[6].

1.2 AD概述

AD主要以两条设计公理——独立公理和信息公理为判断准则来衡量设计的优劣,有利于提高设计的创造性,缩短设计周期.其中独立公理要求保持功能需求的独立性,即每一个功能的设计参数只能由一个设计参数或者是除这个设计参数以外的其他已知的设计参数决定,用数学公式表达为

{FR}=[A]{DP}

(1)

式中:A为设计矩阵,Aij=∂FRi/∂DPj,i=1,2,…,n,j=1,2,…,n.当设计矩阵A为对角矩阵或者下三角矩阵时,满足独立公理设计;反之为耦合矩阵时,不满足独立公理设计,需进一步对设计矩阵A解耦才能继续设计[7].

1.3 TRIZ概述

TRIZ是苏联发明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)及其研究团队在1946年开始分析研究世界上250万件高水平专利的基础上所提出的,是解决技术难题的原理和知识体系.目前经过70多年的研究,TRIZ已形成了一系列方法与工具,特别是提出了设计冲突理论、标准解、ARIZ算法等.TRIZ问题分析的一般流程如图2所示.

(1) 问题分析.主要采取的分析方法有功能属性分析、理想解分析、资源分析、物-场模型分析.功能属性分析是对问题定义过程中会使用到的必要工具之一,是寻找创新切入点与简化现有系统最实用的工具;理想解分析促使我们明确理想解所在的方向和位置,避免由于折中法缺乏目标所带来的弊端;资源分析主要从时间、空间、物质、能量、功能、信息等6个方面分析系统中的资源,是解决发明问题的基础;物-场模型分析建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型,可以通过物-场分析法描述的问题一般称为标准问题,可以采用标准解法进行求解.

(2) 判断问题实质.如果发现矛盾,则应用原理去解决;如果问题明确,但不知如何去解决,则应用效应去解决;预测是应用技术系统进化的模式,选择正确的演化路线促进产品设计.

(3) 解的评价.将所求出的解与理想解进行比较,确定所作的改进既满足了用户需求,又促进了产品的创新[8].

1.4 基于QFD_TRIZ_AD理论概念设计集成模型

从上文可以看出QFD,TRIZ和AD的各自特点,QFD以用户需求为出发点,采用一次或多次质量屋矩阵图将用户需求逐步转化为产品的功能需求、设计需求以及加工制造工艺特性.在转化过程中,QFD可以挖掘解决客户痛点的关键创新问题与关键设计区域,但无法提出具体创新问题解决方法和解决工具.而TRIZ理论将设计中的具体参数抽象为描述性能的39个通用工程参数(后来被扩展成为48个工程参数)和40个基本发明原理,针对技术冲突提出了最有可能成功解决冲突的若干技术措施,但是TRIZ无法清晰分辨出技术冲突之间或若干技术措施之间是否有相互关联性.AD理论能给出评判设计公理,即通过参数映射方式将将功能域功能需求与物理域设计参数建立映射矩阵,判断设计是否为好的或最优的设计,但无法给出解决问题的最好方法.

本文将QFD,TRIZ,AD优势结合起来,建立的基于QFD_TRIZ_AD的集成创新概念设计模型,如图3所示.首先,通过QFD将用户需求转化为功能特性需求,进一步将功能特性需求转化为设计方案.其次,通过TRIZ理论来判断用户需求与功能特性转换、功能需求与设计方案实现转换过程中是否有矛盾冲突,如有冲突,则识别矛盾冲突类别,并根据发明原理找到最有可能解决冲突的技术措施,实施解除冲突.应用AD理论建立功能需求与设计方案中设计参数的映射关系,并判断是否满足独立性要求.最后,将映射不满足独立公理要求的设计矩阵应用TRIZ工具箱进行解耦处理,可得独立的设计矩阵,从而得到满足客户需求的创新设计方案.同理,可采用同样的方法实现后续的生产工艺.

2 应急救援车的概念创新设计

应急救援车是一种特种救援车辆,主要针对我国地震、塌方、泥石流、洪水等多种自然灾害频发,现有救援作业装备功能单一，作业工具互换性差等突出问题而提出的车辆研制项目.目前我国在应急抢险救援装备方面还没有完善的标准体系,应急救援作业车辆大多为工程机械改装而成,且相关车辆非常少.因此,在应急救援车辆创新设计方面空间很大,采用基于QFD_TRIZ_AD的产品集成创新设计方法设计出应急救援车样机,并对应急救援车行走方式、多功能工作臂结构形式及与模块化作业工具连接形式进行概念创新设计.

2.1 基于QFD和TRIZ的客户需求、功能需求分析

通过在武警部队和汶川“5·12”地震遗址现场调研可知,对应急救援车辆提出如下需求:① 底盘方面,车辆能快速到达作业现场,道路行驶过程中具备越野和涉水能力,通过泥泞、浅滩路面,作业现场工作通过性好;② 救援作业机具配备方面,配置基本的救人和工程施工机具,能满足基本的挖、推、切、剪、扩、抓、破、拽、吊等救援需求,道路遇到塌方可自行清理通过,且作业功能转换尽量快;③ 整机重量要轻,满足基本道路桥梁通过性要求.

按照基于QFD建立的用户需求与车辆功能需求质量屋如图4所示.从质量屋构造结果可以看出:首先,一辆车上轮式行走与履带行走不可能同时进行,因此轮式行走—履带行走具有强烈负相关.其次,车辆行驶速度越高,相应的越野性能、履带行走越差,因此可以认为高速—越野、高速—履带行走为负相关功能要求.然后,由于同一车辆底盘上布置的臂越多,工作时越易引起工作干涉,因此认为起重臂—作业平台臂、起重臂—挖掘臂、作业平台臂—挖掘臂之间为减弱作用,也即负相关功能.而起重臂—工具自动切换为负相关功能,主要考虑起重臂由钢丝绳连接吊钩,为一种柔性连接,受力方向单一,而大多数作业工具连接为刚性连接,受力方向也较复杂.借助TRIZ理论矛盾冲突问题求解方法对图4中质量屋屋顶的负相关功能需求实现创新设计,如表1所示.

根据表1推荐发明原理可知,针对底盘功能的高速—越野、高速—履带行驶、轮式行走—履带行走3对矛盾冲突,推荐发明原理10(预加作用原理)和15(动态化原理)使用频率较高,该原理预先准备好的应急措施补偿物体具有相对较低的可靠性,把物体分成几个部分,各部分之间可以改变相对位置,使物体具有自适应性.针对工作臂功能的起重臂—作业平台臂、起重臂—挖掘臂、作业平台臂—挖掘臂的矛盾冲突,推荐发明原理6(多功能原则)、35(参数变化原理),通过参数化方法将起重臂、作业平台臂和挖掘臂进行多功能化.针对起重臂—工具自动切换矛盾冲突,推荐发明原理17(维数变化原因)、24(利用中介质原理),利用中间过渡通用接口实现作业工具切换.当臂与作业工具切换时，可以考虑臂的维数变化情况.

根据上述TRIZ发明原理分析,并结合现有工程机械产品结构特性,将图4质量屋的功能需求进行创新概念推理,从而得到创新概念方案:

(1) 提出一种解决上述底盘功能冲突的轮履可切换底盘行驶概念方案,如图5所示.具体为:高速行驶时切换为轮式行驶,越野、经过河流、浅滩时由轮胎切换为履带行驶,履带采用分体式三角履带,越野速度高、通过性好、接地比压小.

(2) 提出一种解决上述臂架功能冲突的多功能工作臂概念方案,如图6所示.具体为:多功能臂架具有伸缩和折叠功能,通过伸缩满足起重和作业平台臂伸长功能需求,折叠功能满足挖掘和作业工具自动切换需求,具有一臂多能、高度集成等优点.

图4 基于QFD建立的用户需求与车辆功能需求质量屋Fig.4 HOQ model from user needs to vehicle functional demands based on QFD

矛盾冲突期望改善避免恶化推荐发明原理高速—越野车辆行驶速度道路适应性10，15，26高速—履带行驶车辆行驶速度履带装置的复杂性10，28，4，34轮式行走—履带行走车辆重量行走速度2，15，35起重臂—工具自动切换起重臂伸长长度作业工具切换自动化程度17，24，26，16起重臂—作业平台臂适应性及多用性作业效率6，28，35，37起重臂—挖掘臂适应性及多用性作业效率6，28，35，37作业平台臂—挖掘臂适应性及多用性作业效率6，28，35，37

图5 轮履可切换底盘行驶概念方案Fig.5 A conceptual model of driving chassis for the exchange between tires and triangular pedrails

图6 多功能工作臂概念方案Fig.6 A conceptual model of multi-functionalworking arm

根据上述创新推理,对图4质量屋天花板的功能需求进行重新定义,结果如表2所示.

表2 重新定义的功能需求Tab.2 The redefined functional requirements

2.2 基于QFD和AD集成方法的应急救援车功能需求、设计参数分析

通过对应急救援车用户需求分析,得到了基于质量屋和TRIZ的功能需求FR,根据式(1)可以将最高功能需求FR映射为技术参数DP,得到相应的设计矩阵A:

(2)

式中:“1”为功能需求与设计参数之间有关联;“0”为无关.该设计矩阵既不是对角阵,又不是三角矩阵,所以该设计为耦合设计,不满足AD独立性要求,根据QFD_TRIZ_AD的集成创新概念设计模型,需应用TRIZ工具箱相关工具消除冲突.本文设计矩阵只要将参数DP12和DP15进行位置互换,就可以得到一个上三角矩阵,达到消耦目的:

(3)

在映射的过程中要符合独立公理的需求,得到的功能需求及相应的设计参数如表3所示.

3 PRO/E概念建模及虚拟仿真

根据上述QFD_TRIZ_AD的集成创新概念设计模型,对关键行驶方式、多功能工作臂结构形式和作业功能需求等进行概念创新后,得到基于PRO/E的应急救援车概念模型,如图7所示.同时,对多功能工作臂工作轨迹进行虚拟仿真,如图8所示网格区域为多功能工作臂的折叠副臂作业区域,验证了概念方案的可行性.

表3 功能需求及相应的设计参数Tab.3 Functional requirements and correspondingdesign parameters

图7 基于PRO/E的应急救援车概念模型Fig.7 3-D design model for emergency rescuevehicle based on Pro/E

图8 多功能工作臂的折叠副臂作业轨迹区域Fig.8 A trajectory region of the multi- functional working arm

4 结论

(1) 构建了一种基于QFD_TRIZ_AD的产品集成创新概念设计过程模型,并将其应用于实际产品的创新设计中.

(2) 利用QFD构建了用户需求与功能需求的质量屋模型,借助TRIZ矛盾冲突标准解法,解决了功能需求负相关矛盾冲突,获得了理想的底盘行走方案和多功能工作臂结构.

(3) 利用AD完成了从产品概念设计功能到结构的映射过程,经解耦后得到应急救援车可行的概念设计方案.

(4) 开展基于QFD_TRIZ_AD的产品集成创新概念设计方法研究工作，对新产品开发及应用具有重要意义.

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