基于QFD和TRIZ的木漿紙杯端送裝置設計

陸武慧，趙 哲

（1.西安航空職業技術學院 通用航空學院，西安 710089；2.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

隨著社會發展，綠色、環保、方便、快捷逐漸成為人們生活的主題。一次性木漿紙杯是在關注環境、關注健康的潮流中的一種時代產物。在酒店、餐館、機場、醫院、政府機構、家庭以及商場用量巨大。木漿紙杯是利用化學木漿制成的原紙（白紙板）進行機械加工、粘合所得的一種紙容器，作為人們日常生活的消耗品，每年的消耗量很大。隨著人們對食品衛生的重視，由于木漿紙杯環保、健康、衛生的特點，其材料多為食品級木漿紙和食品級PE薄膜，因此在生活中得到了普及。端送采用一次性紙杯盛放的飲品時，由于一次性紙杯的材質特性，以及在端送過程中的抖動，飲品存在溢漏、燙傷隱患、一次端送量少和取用不便等問題，導致端送效率低下、端送過程中浪費嚴重等現象，在很大程度上制約了一次性紙杯的使用。因此通過分析目前一次性紙杯端送過程中的缺點和不足，基于QFD與TRIZ的理論，針對性地設計出滿足客戶需求的紙杯端送架，在一次性紙杯飲品端送過程中提高了其安全性、方便性，避免燙傷等危害。

1 QFD和TRIZ理論

QFD理論是日本質量專家Akao等在1967年提出的，主要是應用于產品的設計過程。質量屋中的二維矩陣是QFD的關鍵內容，根據對客戶的需求進行調研，將工藝要求、生產過程中的注意事項等內容進行分類，然后生產出滿足用戶需求的產品［1-2］。利用QFD理論可以將用戶的需求點轉化為工程技術語言，然后設計師根據工程語言，設計出符合用戶需求的產品，可以縮短研發設計周期，降低研發成本。TRIZ理論是發明家根里奇·阿奇舒勒與其團隊通過整理和分析大量專利文獻后，總結和歸納出一套具有完整體系的創新方法，能在解決實際問題的過程中發揮很重要的作用。它主要是對需要解決的實際工程問題，尋找它目前存在的物理矛盾，并對其進行優化設計，從而解決預期的目標問題，從而揭示發明創造的原理和規律［3-5］。TRIZ 理論的使用工具有很多種，包括技術進化和技術系統、最終理想解、矛盾、39個通用工程參數和40個發明原理、物場分析、76種標準解等［6-9］。TRIZ理論在解決實際問題時，先將特殊問題轉化為一般問題；然后，利用發明原理和技術效應等方法來解決轉化后的一般問題；最后，通過解決一般問題來解決特殊問題［10-11］。

2 QFD和TRIZ理論對木漿紙杯端送裝置的設計

QFD解決了從用戶實際需求到技術參數之間的轉化，TRIZ理論解決了技術參數之間互相矛盾的問題［12-13］，通過兩者的結合，能夠系統全面的分析產品的創新設計過程，使設計過程更加有效和便捷［14-16］。QFD/TRIZ理論在一次性木漿紙杯端送裝置設計的具體應用流程如圖1所示。

圖1 QFD /TRIZ理論在木漿紙杯端送裝置設計中的應用Fig.1 Application of QFD/TRIZ theory in design of wood pulp cup end-feeding device

2.1 木漿紙杯端送裝置用戶需求分析

對醫院、公司、酒店和機場共35個紙杯應用場所的117位木漿紙杯端送人員進行問卷調查和深度訪談，收集用戶的需求信息，以及目前現有一次性木漿紙杯存在的不足，對客戶的需求指標進行按類分析，然后得出用戶最關鍵和最關心的需求指標，如圖2所示。

圖2 木漿紙杯端送裝置需求分析圖Fig.2 Demand analysis diagram of wood pulp cup endfeeding device

2.2 建立木漿紙杯端送裝置“用戶需求-產品技術參數”矩陣

通過分析和整理目前市場上木漿紙杯端送裝置的調研數據，建立質量屋矩陣來表達用戶需求點和產品技術參數之間的關系，并尋找技術參數之間的矛盾沖突。

運用李克特量表法對用戶需求的重要性進行賦分，取值范圍為0～5分，分值越高則表示用戶對該指標的需求較高，因此在設計過程中需要特別注意對比衡量，得到對應的用戶需求權重。用符號“○”表示用戶需求和產品技術參數之間的關聯程度強，取值為5；符號“□”表示關聯程度中等，取值為3；符號“△”表示關聯程度較弱，取值為1。當其中某兩個質量指標互相促進，對產品設計起到改善作用，則表示正相關，用“+”表示，否則為負相關，用“-”表示。當“用戶需求-產品技術參數”矩陣中存在負相關，則表示這兩個質量指標之間存在矛盾沖突。

通過分類整理便攜式紙杯端送裝置的技術參數包括“結構簡單、縮減浪費、操作簡單、裝置適應性、承受載荷量、耐用性”。用戶需求總結包括有“高效率、使用壽命、價格合理、維護簡單、運輸方便、安全性、準確性”。對木漿紙杯端送裝置的用戶需求和產品技術參數進行相關性分析，建立便攜式木漿紙杯端送裝置的“用戶需求-產品技術參數”矩陣，如圖3所示。

圖3 木漿紙杯端送裝置質量屋矩陣Fig.3 Quality house matrix of wood pulp cup end-feeding device

從木漿紙杯端送裝置的質量矩陣發現，用戶對木漿紙杯端送過程中的“高效率、安全性、運輸方便、準確性”指標需求重要，此外，在該矩陣中技術特征中存在兩個負相關關系。

承受載荷量與耐用性成負相關關系。在通常情況下，產品的承載量越大，產品的使用壽命就越短，產品的耐用性就越差。對木漿紙杯端送裝置而言，當端送的飲品質量越大、數量越多，對于紙杯端裝置承受的載荷量就越大，它的耐用性就越差。根據承受載荷量和耐用性之間的矛盾，運用TRIZ理論，需改善受力與結構穩定之間的矛盾，確定選擇預先作用來解決此項矛盾。

裝置適應性與縮減浪費成負相關關系。由于紙杯飲品在端送過程中容易出現灑漏的情況，且遞送一杯飲品的同時，其他飲品容易灑出。因此，要求端送裝置適用于端送過程和遞送瞬間，減少浪費，需要改善TRIZ理論中物質損失和產品適用性之間的矛盾。通過查詢TRIZ理論中的發明原理，根據木漿紙杯的材質特點及端送裝置的用戶需求進行研究，確定用解決矛盾動態化原理，即采用動態化裝置提高產品適應性，并降低浪費。

設置調節裝置和可轉動的杯蓋，將位于托孔內部的紙杯蓋住，防止在端送時紙杯中的飲料灑出造成浪費或熱飲灑出燙傷端送人員。這樣可以提高木漿紙杯端送裝置的適應性，同時降低在端送過程中飲品的灑落浪費。

對于矩陣中的矛盾沖突，通過增設彈簧阻尼裝置來解決。當飲品端送到指定地點后，打開杯蓋，彈簧阻尼裝置回彈，紙杯連同飲品在底盤凹槽內的彈簧阻尼裝置作用下平穩升高，從而解決產品承受負荷量與產品耐用性之間的問題。

3 木漿紙杯端送裝置優化設計

3.1 木漿紙杯端送裝置結構

按照客戶的需求，對矩陣中存在的矛盾問題進行一一化解，從而設計得到木漿紙杯端送裝置的整體結構。

木漿紙杯端送裝置包括端送臺、杯蓋、杯托、支架和旋轉臺，見圖4。支架一端連接端送臺，另一端連接旋轉臺，旋轉臺通過軸承連接底座，實現旋轉臺在底座上的旋轉，并能夠帶動端送臺轉動。端送臺上開設若干杯托口，杯托一端與端送臺下表面連接，位于杯托口下方；杯蓋與端送臺上表面轉動連接，能夠旋轉至杯托口正上方或完全遠離杯托口。杯托口直徑略大于9盎司紙杯口徑，深度比紙杯高度深1～2 cm，匹配目前常用的9盎司熱冷飲紙杯。支架包括支架桿、套管和調節裝置，支架桿采用圓柱形結構，一端伸出端送臺，另一端插入套管內部。套管與旋轉臺固定連接，套管上開設調節導孔。調節裝置包括調節按鈕和彈簧，彈簧一端連接支架桿，另一端連接調節按鈕，調節按鈕驅動部位穿過調節導孔伸出套管，與套管接觸部位采用不銹鋼或鋁合金材質，且設置若干防滑凹槽。當未按壓調節按鈕時，在彈簧的彈力作用下，調節按鈕驅動部位與套管內壁緊密接觸，在摩擦力的作用下，阻止支架桿在套管的移動；當按壓調節按鈕時，調節按鈕驅動部位與套管內壁分離，自由調節支架桿在套管內的長度。如需將支架調節更長，可通過支架桿伸出端送臺的長度進行調節。

圖4 紙杯端送裝置整體結構Fig.4 Overall structure of paper cup end-feeding device

3.2 木漿紙杯端送裝置工作原理

杯托結構見圖5，裝置使用時打開杯蓋，放入飲品，此時紙杯上沿略高于端送臺上表面1～2cm，旋動杯托的底盤，使紙杯沉入杯托的本體內部，通過旋轉把杯蓋合上，然后反向旋動杯托的底盤，此時彈簧阻尼裝置處于壓縮狀態，紙杯杯口與杯蓋頂住，端送時飲品不易溢出。端送到指定地點后，打開杯蓋，彈簧阻尼裝置回彈，紙杯連同飲品在底盤凹槽內的彈簧阻尼裝置作用下平穩升高，方便取用。根據使用場合的不同，通過調節支架的高度，能夠很好的調節端送裝置整體的高度，還可以在杯托的本體上添加標簽，在旋轉臺的作用下，客人能夠轉動端送臺尋找飲品。

圖5 杯托結構局部示意圖Fig.5 Partial structural diagram of cup holder

4 結語

由于木漿紙杯的便捷、環保和安全特點，已成為人們日常生活的常用品。為設計滿足市場上木漿紙杯端送實際需求的裝置，分析用戶需求的基礎上，利用QFD模型將用戶需求轉化為關鍵設計要素，借助TRIZ發明原理解決設計過程中的矛盾沖突，得到便攜式木漿紙杯端送裝置的創新設計方案。采用新型杯托結構，與杯蓋配合保證端送途中飲品不溢出，可實現較遠距離的端送，且在取用時能夠自行彈出，便于取用。采用可伸縮的支架便于不同身高人員使用，也便于裝箱運輸。旋轉臺能夠實現有限空間內多種飲品的端送。解決了市場上實際應用問題，對端送裝置的進一步優化提供了基礎和依據。