基于改進(jìn)風(fēng)險順序數(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量功能展開方法

嚴(yán)正峰, 程偉平

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于改進(jìn)風(fēng)險順序數(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量功能展開方法

嚴(yán)正峰, 程偉平

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

為提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量,文章提出了一種基于改進(jìn)風(fēng)險順序數(shù)(risk priority number,RPN)的質(zhì)量功能展開(quality function deployment,QFD)方法。該方法用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定RPN中各因子的權(quán)重;針對RPN中專家評判的模糊性和不確定性,基于粗糙集理論提出了改進(jìn)的逼近理想排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS),獲得了產(chǎn)品失效模式對應(yīng)失效原因的RPN排序和基本相對重要度;并以該失效原因?qū)?yīng)的工程參數(shù)為QFD的工程特性,利用矩陣展開確定零件特性;引入了實現(xiàn)工程特性改進(jìn)目標(biāo)所要求的總資源、總可行性、產(chǎn)品競爭優(yōu)勢等概念,進(jìn)而確定了工程特性基本相對重要度的修正因子,確定了工程特性的最終相對重要度;最后,以汽車離合器產(chǎn)品設(shè)計為例,驗證了該方法的有效性和可行性。該方法同樣適應(yīng)于其他類產(chǎn)品。

風(fēng)險順序數(shù)(RPN);質(zhì)量功能展開(QFD);粗糙集;逼近理想排序法(TOPSIS);修正因子

0 引 言

產(chǎn)品設(shè)計是一個創(chuàng)新過程,涉及包括顧客需求信息、質(zhì)量信息以及產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)領(lǐng)域的各類知識[1]。在這些需求信息中顧客最關(guān)注的就是產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量,為了滿足顧客的高質(zhì)量要求,采用質(zhì)量驅(qū)動[2]的產(chǎn)品設(shè)計思想得到越來越多的應(yīng)用。質(zhì)量驅(qū)動產(chǎn)品開發(fā)方法應(yīng)以質(zhì)量功能展開(quality function deployment,QFD)和失效模式與影響分析(failure model and effect analysis,FMEA)為基礎(chǔ)。

QFD是一種在產(chǎn)品開發(fā)過程中最大限度地滿足用戶需求的質(zhì)量保證與改進(jìn)方法,通常QFD過程包括產(chǎn)品規(guī)劃、零部件規(guī)劃、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)規(guī)劃4個階段。在產(chǎn)品規(guī)劃階段,確定工程特性重要度是質(zhì)量屋構(gòu)建過程中一個關(guān)鍵的步驟。文獻(xiàn)[3]針對QFD中顧客需求和工程特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及工程特性自相關(guān)關(guān)系的不確定、不分明以及模糊等特性,分別提出關(guān)聯(lián)關(guān)系和自相關(guān)關(guān)系確定的粗糙集方法,確定工程特性重要度;文獻(xiàn)[4]提出了基于混合語言變量的工程特性重要度確定方法;文獻(xiàn)[5]應(yīng)用模糊加權(quán)平均法求解工程特性重要度;文獻(xiàn)[6]采用網(wǎng)絡(luò)分析法(analytic network process,ANP)確定QFD中工程特性的重要度;文獻(xiàn)[7]將模糊理論與ANP法結(jié)合,以獲取工程特性的重要度；文獻(xiàn)[8]應(yīng)用一種線性偏序方法對QFD決策過程中工程特性進(jìn)行排序研究。但是上述工程特性轉(zhuǎn)換時均沒有考慮到失效及其后果影響的缺陷。

風(fēng)險順序數(shù)(risk priority number,RPN)是FMEA中最常用的確定多個故障模式風(fēng)險優(yōu)先次序的方法,其計算基于3個風(fēng)險因素,即風(fēng)險嚴(yán)重度(S)、風(fēng)險頻率(O)、風(fēng)險可檢測程度(D)。雖然FMEA已被認(rèn)為是最有效的事前預(yù)防措施,但其風(fēng)險評估方法卻廣受質(zhì)疑。其中,RPN確定中有風(fēng)險因素權(quán)重均分、各風(fēng)險因素風(fēng)險度量的主觀和模糊性以及風(fēng)險因素綜合評價單一等缺陷。

針對上述問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中,文獻(xiàn)[9]建立了風(fēng)險因子和RPN之間的推理規(guī)則,運(yùn)用模糊FMEA方法評估失效;文獻(xiàn)[10]基于模糊加權(quán)幾何平均法,提出模糊RPN確定方法;文獻(xiàn)[11]利用決策試驗與評價實驗室理論,構(gòu)建失效模式直接影響關(guān)聯(lián)圖,提出模糊語境下的復(fù)雜系統(tǒng)關(guān)聯(lián)FMEA法;文獻(xiàn)[12]將RPN的各個因子視為語言變量,利用依賴型語言有序加權(quán)幾何(dependent linguistic ordered weighted geometric,DLOWG)算子綜合專家評估意見,對模糊環(huán)境下的FMEA風(fēng)險評估;文獻(xiàn)[13]引入粗糙逼近思想排序方法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)來進(jìn)行失效風(fēng)險評估;文獻(xiàn)[14]基于模糊層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和模糊TOPSIS結(jié)合的方法來確定失效的RPN。上述文獻(xiàn)表明,許多專家致力于研究不同理論在FMEA中的運(yùn)用,但模糊理論需要事先確定成員隸屬度或隸屬函數(shù),而準(zhǔn)確確定它們通常較困難。

因此,本文提出了一種基于改進(jìn)風(fēng)險順序數(shù)的質(zhì)量功能展開方法。首先通過AHP定量確定RPN中S、O、D的權(quán)重;然后,基于粗糙集改進(jìn)的TOPSIS理論,通過相對貼近度計算RPN排序;最后,由RPN排序確定可靠性屋工程特性的基本相對重要度,引入基本相對重要度修正因子,計算得到工程特性的最終相對重要度,利用QFD的矩陣決策方法確定相應(yīng)零件特性的權(quán)重和目標(biāo)值。

1 基于改進(jìn)風(fēng)險順序數(shù)的可靠性屋

QFD的基本概念是利用質(zhì)量屋[15]將顧客需求映射到工程特性,并依次將其映射到后續(xù)的零件特性、工藝特性和生產(chǎn)特性。它雖然能夠滿足顧客需求并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,但是卻無法在產(chǎn)品開發(fā)初期有效地發(fā)現(xiàn)并控制后續(xù)所產(chǎn)生的隱藏質(zhì)量缺陷問題,導(dǎo)致整個產(chǎn)品在進(jìn)入市場后仍不斷有問題出現(xiàn)。

本文利用QFD與FMEA結(jié)合模型,將QFD方法中的矩陣展開思路應(yīng)用于FMEA等可靠性分析中,在質(zhì)量規(guī)劃中考慮產(chǎn)品失效方面的影響[16]。將FMEA與QFD結(jié)合構(gòu)建的可靠性屋如圖1所示。其中可靠性屋的“左墻”來源于產(chǎn)品失效模式的原因,“屋頂”為零件特性自相關(guān)矩陣?？煽啃晕萏峁┝藢⒖煽啃愿拍罨蛞笾饘愚D(zhuǎn)化為相應(yīng)的可靠性工程特性的框架和結(jié)構(gòu)。具體做法如下：利用企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù),通過專家系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行FMEA分析,建立失效模式數(shù)據(jù)庫；計算RPN的排序,利用KJ法對失效模式及其對應(yīng)的失效原因進(jìn)行分析,以失效模式對應(yīng)的失效原因參數(shù)為QFD的工程特性，即可靠性屋的左墻。利用可靠性屋得到的零件特性重要度建立工程特性與零件特性的相關(guān)矩陣,通過QFD矩陣展開指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

圖1 可靠性屋

2 產(chǎn)品失效模式排序及權(quán)重確定

由于傳統(tǒng)的RPN確定方法存在一些缺點和不足,本文引入一種結(jié)合AHP和粗糙TOPSIS理論的方法,計算產(chǎn)品的失效模式及失效原因的RPN排序,并確定工程特性的基本相對重要度。

2.1 AHP確定RPN中S、O、D的權(quán)重

AHP把多因素組成的相互關(guān)聯(lián)、相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)分解成一個具有層次化、條理化的多層次分析結(jié)構(gòu)模型。該模型一般由高到低可分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

具體算法步驟如下:

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)圖。

(2) 設(shè)各階層判斷矩陣為R。對每一層各元素關(guān)于上一層中某一準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出判斷矩陣,即

其中,R為正定互反矩陣,對于正定互反矩陣,RW=λmaxW,其最大特征根λmax存在且唯一。

2.2 基于粗糙TOPSIS的產(chǎn)品失效模式排序

(1) 構(gòu)建產(chǎn)品失效模式評估矩陣。假定某一產(chǎn)品有n種失效模式,由于同一種失效模式可能對應(yīng)不同失效原因,失效模式原因集為CF={X1,X2,…，Xn},Xi為第i種失效模式對應(yīng)的失效原因發(fā)生的嚴(yán)重度(S)、頻率(O)及可檢測程度(D)的評估,專家采用傳統(tǒng)(1～10)的打分方法,則產(chǎn)品失效模式的評估以矩陣的形式表達(dá)為:

(1)

設(shè)Z為論域Y中任一對象,將Y中的所有對象劃分為m個,其集合U={P1,P2,…,Pm}。如果這m個劃分有P1

(2)

而Pt的上近似集可以定義為:

(3)

相應(yīng)地,邊界區(qū)域為:

(4)

(5)

(6)

其中，NL、NU為Pt的相應(yīng)近似集所包含的對象數(shù)目。則粗糙數(shù)為：

(7)

由(2)～(7)式可以得到:

(8)

(9)

得到粗糙群決策矩陣為:

(10)

(3) 計算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣的權(quán)重。不同的標(biāo)準(zhǔn)尺度采用如下歸一方法處理，即

(11)

綜合的粗糙群決策矩陣權(quán)重計算如下:

(12)

(4) 根據(jù)評價因子屬于成本型還是效益型,TOPSIS法理論中的正理想解S+(j)和負(fù)理想解S-(j)表示為:

(13)

(14)

(5) 計算每一種失效模式到正理想解和負(fù)理想解的距離。到正理想解距離和到負(fù)理想解距離分別為:

(15)

(16)

其中,i=1,2,…,n；j=S,O,D。則相對貼近度為:

(17)

(6) 計算失效原因的基本相對重要度,即可靠性屋工程特性基本相對重要度為:

(18)

3 工程特性最終重要度確定

3.1 工程特性基本相對重要度的修正因子

QFD團(tuán)隊依據(jù)企業(yè)資源現(xiàn)狀和產(chǎn)品改進(jìn)意愿,引入了確定可靠性屋工程特性基本相對重要度的修正因子的定義。

定義1 工程特性基本相對重要度修正因子不僅取決于實現(xiàn)可靠性屋工程特性改進(jìn)目標(biāo)所需的總資源量,還取決于實現(xiàn)可靠性屋工程特性改進(jìn)目標(biāo)的可行性和產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。

上述關(guān)系可利用如下函數(shù)表示工程特性基本相對重要度τi的修正因子,即

moi=f(rei,fei,spi)

(19)

其中,rei為實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)CFi(即失效模式原因)所需的總資源量;fei為實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)CFi的可行性;spi為產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。

修正因子必須滿足的要求如下:實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)總可行性越大,修正因子越大;實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)的總資源量越少,修正因子越大;產(chǎn)品競爭優(yōu)勢越大,修正因子越大。

3.2 工程特性改進(jìn)所要求的總資源和可行性

為實現(xiàn)可靠性改進(jìn),提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量,實現(xiàn)工程特性改進(jìn)目標(biāo),企業(yè)必須投入的(如資金、人力、企業(yè)與供應(yīng)商之間的協(xié)同設(shè)計等各種有形資源,以及核心技術(shù)、團(tuán)隊成員的知識經(jīng)驗等)無形資源。因為各種資源可能并不具有相同的重要性,所以根據(jù)它們在項目中的相關(guān)性進(jìn)行重要性排序。

要積極開展網(wǎng)絡(luò)思政教育，引導(dǎo)大學(xué)生健康使用網(wǎng)絡(luò)直播，學(xué)?？梢赃m當(dāng)?shù)拈_設(shè)一些新的相關(guān)課程，把網(wǎng)絡(luò)思政教育納入到大學(xué)生日常教育過程中。思想政治教育工作者也需要緊跟社會時代的潮流，不斷了解先進(jìn)的思想觀念，學(xué)習(xí)使用一些新型的平臺，把傳統(tǒng)的思想政治教育內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)直播平臺展示給學(xué)生，再將直播平臺與大學(xué)生思想政治教育整合的過程中，可能存在一些問題，也需要思想政治教育工作者去學(xué)習(xí)去思考。直播平臺是一種新型思想政治教育的載體，對思想政治教育的工作開展具有積極作用。另外，大學(xué)生思想政治教育工作者需要注意監(jiān)管與引導(dǎo)，使大學(xué)生能夠合理參與到網(wǎng)絡(luò)直播中去。

為了簡化,采用比例標(biāo)度法確定各種資源的大小,并且利用AHP確定各種資源的相對重要性。因此,總資源為:

(20)

產(chǎn)品設(shè)計中存在一個可行性的問題[18],QFD團(tuán)隊必須對其所涉及的項目實施可行性分析。產(chǎn)品設(shè)計團(tuán)隊為實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性需求,對可靠性屋工程特性CFi進(jìn)行可行性分析,以便提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險,從而提高產(chǎn)品設(shè)計成功的可能性。為實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)的總可行性,首先利用比例標(biāo)度法確定實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)CFi所需要的各種資源的可行性,而后利用“加權(quán)和”的形式確定其總可行性。

因此,實現(xiàn)可靠性改進(jìn)目標(biāo)的總可行性為:

(21)

3.3 確定工程特性基本重要度的修正因子

確定工程特性基本重要度的修正因子也必須

考慮工程特性改進(jìn)所帶來的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。通常一個競爭優(yōu)勢強(qiáng)的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性高，一個中等競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品具有不高的可靠性，產(chǎn)品競爭優(yōu)勢不明顯。

通常把產(chǎn)品競爭優(yōu)勢分為3個等級，分別對應(yīng)數(shù)值1.5、1.2、1.0。依據(jù)上述分析可知，為了簡化計算，工程特性基本相對重要度的修正因子可以表示為：

(22)

本文將風(fēng)險順序數(shù)結(jié)合于產(chǎn)品可靠性設(shè)計中，建立的產(chǎn)品質(zhì)量功能展開流程如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品質(zhì)量功能展開流程

(1) 專家對產(chǎn)品進(jìn)行失效模式與效應(yīng)分析，利用以往產(chǎn)品使用中的故障信息以及故障原因，建立可靠性數(shù)據(jù)庫。

(2) 假設(shè)共有Gi(i=1,2,…,n)個專家，利用AHP對數(shù)據(jù)進(jìn)行群體決策處理，確定RPN中各因子權(quán)重。

(3) 假定某一產(chǎn)品有n種失效模式，對這n種失效模式分析可得到不同失效原因，失效模式原因集為CF={X1,X2,…，Xn} ，基于粗糙TOPSIS分析，得到這n種失效模式及原因的基本相對重要度 。

(4) 利用KJ法分析所得到的失效原因及其對應(yīng)的參數(shù)，并以此為可靠性屋的工程特性，將上述的基本相對重要度與工程特性基本相對重要度的修正因子相乘，可得到工程特性的重要度, 即

ki=τimoi

(23)

最后，經(jīng)歸一化處理，得到工程特性最終相對重要度為：

(24)

(5) 通過QFD矩陣展開，得到零件的特性和相對重要度。以所得到的零件特性相對重要度進(jìn)行工藝設(shè)計矩陣展開和生產(chǎn)控制矩陣展開,實現(xiàn)對引起產(chǎn)品失效的工程參數(shù)按RPN排序配置不同的權(quán)重，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。

4 應(yīng)用實例

某汽車離合器公司為提高所生產(chǎn)的某一系列型汽車離合器的可靠性，采用基于RPN的質(zhì)量功能展開方法，對汽車離合器進(jìn)行保質(zhì)設(shè)計。汽車離合器的主要功能是傳遞扭矩、切斷動力和防止過載，常見的故障有打滑、分離不良、起步發(fā)抖、異響、踏板力過重以及異常損壞。其中打滑主要是扭矩容量不足，根據(jù)文獻(xiàn)[19]可以明確摩擦片摩擦系數(shù)、壓緊力、作用半徑、作用點位置相關(guān)。本文對于汽車離合器常見的打滑這一失效模式，從蓋及壓盤總成和從動盤總成2個方面進(jìn)行失效原因分析，結(jié)果見表1所列。

在本研究中選取了6位專家的數(shù)據(jù)用AHP進(jìn)行群體決策數(shù)據(jù)處理，評估RPN中S、O、D因子的權(quán)重，判斷矩陣見表2所列。判斷矩陣的重要度計算和一致性檢驗結(jié)果為：λmax=3 018；一致性指標(biāo)CI=0.009<0.1；S、O、Q因子的權(quán)重WS=0.625，WO=0.136，WD=0.239。

表1 某系列汽車離合器的失效模式與原因

表2 判斷矩陣

RPN分析團(tuán)隊由4位技術(shù)專家組成,利用企業(yè)產(chǎn)品的失效模式數(shù)據(jù)庫,對上述的失效模式分別從故障模式的S、O、D3個方面進(jìn)行評價,結(jié)果見表3所列。

表3 專家對各失效模式原因的評分

由(2)～(12)式得到每種失效模式對應(yīng)的加權(quán)粗糙群標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣權(quán)重,見表4所列。

表4 加權(quán)粗糙群標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣權(quán)重

在評價因子是成本型時,通過(13)～(17)式得到S+(j)、S-(j)和ξi的值,見表5所列。

表5 相對貼近度ξi的值

從表5中的數(shù)據(jù)可以看出,CF2的RPN排序最高,為該型汽車離合器最多發(fā)生的失效因素;CF6為最少發(fā)生的失效因素,排序最低。

QFD團(tuán)隊利用頭腦風(fēng)暴法確定工程特性改進(jìn)目標(biāo)所需的總資源量包括改進(jìn)時間、改進(jìn)費(fèi)用、供應(yīng)商能力、研發(fā)人員,利用AHP分析法確定各權(quán)重,計算出rei、fei、spi大小,從而利用(18)～(21)式得到汽車離合器產(chǎn)品的最終相對重要度，見表6所列。

表6 某系列型汽車離合器工程特性與零件特性二維展開結(jié)果

本文實例中從總摩擦系數(shù)的最終相對權(quán)重為22.10%,是影響該系列型汽車離合器的最主要因素。通過QFD展開,確定與從總摩擦系數(shù)有關(guān)的零件特性是摩擦片高溫性能和摩擦片摩擦系數(shù),這2個零件特性的相對重要度分別為13.95%和9.34%。在QFD功能配置過程中,由工程特性權(quán)重確定出零件特性的相對重要度,實現(xiàn)對影響產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵零件進(jìn)行可靠性設(shè)計。同時由以上的零件特性的相對重要度,進(jìn)行工藝設(shè)計矩陣展開和生產(chǎn)控制矩陣展開,使所設(shè)計的汽車離合器系列產(chǎn)品具有良好的質(zhì)量。

5 結(jié) 論

(1) 本文通過AHP和粗糙TOPSIS方法,量化產(chǎn)品失效評估中專家評判的模糊和不確定性,得到各失效模式及其對應(yīng)原因的排序。

(2) 以失效原因?qū)?yīng)的工程參數(shù)為可靠性屋的“左墻”即工程特性,同時對工程特性基本相對重要度引入修正因子,確定工程特征最終相對重要度。

(3) 利用QFD對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行矩陣展開,確定相應(yīng)零件特性重要度,實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中關(guān)鍵質(zhì)量特性提取和關(guān)聯(lián)權(quán)重計算,從而提高了產(chǎn)品設(shè)計的可靠性,保證了顧客的可靠性需求。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Quality function deployment method of product based on improved risk priority number

YAN Zhengfeng, CHENG Weiping

(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

To improve the quality of products design, a quality function deployment(QFD) method based on improved risk priority number(RPN) was proposed. Firstly, the weight of each factor in RPN was determined with analytic hierarchy process(AHP). Secondly, to solve the fuzziness and uncertainty of expert evaluation in RPN, an improved technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS) was proposed based on the rough set theory, and the RPN rank and fundamental importance ratings of failure causes for the product failure modes were obtained. Next, with engineering parameters of the failure causes as engineering characteristics of QFD, part characteristics were determined by means of matrix expansion. Furthermore, concepts of total resource and total feasibility of achieving the improvement target of engineering parameters as well as product competitive advantage were introduced, then the fundamental importance ratings of the engineering parameters were appropriately corrected, and the final fundamental importance ratings of the engineering characteristics were determined. Finally, an example of automobile clutch product design was made to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method. The method can also be applied to other products.

risk priority number(RPN); quality function deployment(QFD); rough set; technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS); correct factor

2015-11-20；

2016-03-31

安徽省重點實驗室建設(shè)資助項目(201106G01015)

嚴(yán)正峰(1969-),男,湖北黃梅人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.002

TB472

A

1003-5060(2017)05-0582-08