基于QFD 的采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究

魏樂樂， 邵 將

（中國礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

井下高濃度粉塵作業(yè)環(huán)境中， 作業(yè)人員塵肺病發(fā)病率非常突出，佩戴動(dòng)力空氣凈化呼吸器能有效減緩粉塵性職業(yè)病發(fā)病率[1]。 采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器作為井下作業(yè)人員最基本的防護(hù)裝備，起到呼吸安全與頭部防護(hù)的作用， 具有廣闊的應(yīng)用前景。 在以用戶為中心的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，質(zhì)量功能展開（QFD）方法是分析用戶需求，改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)良方法之一。 但是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中QFD 無法判定設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)的滿意度程度，而公理化（AD）設(shè)計(jì)則可有效地對設(shè)計(jì)需求和參數(shù)進(jìn)行綜合分析， 一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分析缺陷。 本文將在在傳統(tǒng)的QFD 基礎(chǔ)上結(jié)合AD 理論， 設(shè)計(jì)一款采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器。

1 相關(guān)研究

質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是日本學(xué)者M(jìn)izuno 和Akao 提出的一種方法，QFD 在新產(chǎn)品開發(fā)、 舊產(chǎn)品的改良升級以及精益研發(fā)過程當(dāng)中起到非常重要的作用。 其方法流程是：多層次分析用戶對產(chǎn)品的需求，將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求，用來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[2]。QFD 在制造業(yè)和工程行業(yè)應(yīng)用廣泛，Wang 等[3]應(yīng)用QFD 識別智能手機(jī)關(guān)鍵特征來預(yù)測電子產(chǎn)品營銷要求和技術(shù)特征未來趨勢。 Homkhiew 等[4]利用QFD 技術(shù)根據(jù)客戶需求生產(chǎn)出家具設(shè)計(jì)方案原型。QFD 方法不僅適用于有形產(chǎn)品，也適用于服務(wù)等非有形產(chǎn)品上[5]。 Benner M 等[6]明確了QFD 在食品制造業(yè)中的使用方法，Dolgun 等[7]基于此對原味酸奶進(jìn)行了案例研究，使用QFD 收集用戶基于味道、氣味和質(zhì)地的新產(chǎn)品享受評級，更好地了解到客戶的喜好。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前共有三種應(yīng)用廣泛的QFD 模式，分別為綜合QFD 模式，ASI 模式，GOAL/OPC 模式[8]，目前，國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用的是ASI 模式。

采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器屬于空氣凈化器研究范疇。 國外于20 世紀(jì)40 年代率先發(fā)明了負(fù)壓式空氣呼吸器，隨后被拓展應(yīng)用于醫(yī)療、煤礦、石油化工等領(lǐng)域；20 世紀(jì)初至20 世紀(jì)80 年代開始研制出正壓呼吸器， 正壓呼吸器憑借著安全系數(shù)高、 人機(jī)舒適性強(qiáng)的優(yōu)勢成為未來空氣呼吸器發(fā)展的主要方向。 英國Racal-Amp-Livox[10]于上世紀(jì)七十年代研制了一種AH-1 型氣流式防塵頭盔，這種頭盔不僅可以保護(hù)頭部和眼睛， 而且還能保證工作人員吸入干凈的空氣， 為后來的呼吸防護(hù)類頭盔的研制提供了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

上世紀(jì)80 年代至今， 空氣呼吸器設(shè)計(jì)技術(shù)與制造工藝逐漸成熟。 20 世紀(jì)70 年代末期，我國煤礦企業(yè)率先開始從國外引進(jìn)負(fù)壓式空氣呼吸器，隨后國外呼吸器產(chǎn)品相繼進(jìn)入中國，推動(dòng)了我國空氣呼吸器的迅速發(fā)展。 進(jìn)入新世紀(jì)，我國空氣呼吸器生產(chǎn)商初具規(guī)模，目前我國空氣呼吸器發(fā)展較發(fā)達(dá)國家仍然存在一定差距，國外產(chǎn)品在用戶佩戴舒適性與人機(jī)性能方面關(guān)注較多，部件的匹配度更加合理完善[11]，國內(nèi)產(chǎn)品在某些關(guān)鍵核心部件設(shè)計(jì)以及材料選用方面仍然存在不足。雖然我國現(xiàn)有的井下個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品產(chǎn)品總量上已經(jīng)位居世界前列，但總體技術(shù)水平與國外相比，仍存在差距，產(chǎn)品低檔次、同質(zhì)化、低價(jià)競爭等現(xiàn)象普遍存在，設(shè)計(jì)能力和制造工藝水平有待大幅提升。

2 采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器設(shè)計(jì)需求構(gòu)建

2.1 基于層次分析法的用戶需求權(quán)重分析

通過前期用戶調(diào)查與用戶訪談的內(nèi)容，運(yùn)用KJ 法對需求進(jìn)行歸納整理，區(qū)分用戶的需求層次，并構(gòu)建用戶需求層次結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 用戶需求層次結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)用AHP 對用戶需求權(quán)重分析。 首先構(gòu)建判斷矩陣A， 邀請相關(guān)行業(yè)專家對各層級兩兩元素重要度作出判別。式（1）中，aij為判斷矩陣中i 指標(biāo)相對于j 指標(biāo)重要程度值，m 為層級指標(biāo)數(shù)量。 判斷矩陣中比較元素aij采用1～9 標(biāo)度，該標(biāo)度由數(shù)字1～9 及其倒數(shù)表示。

本文利用Matlab 軟件計(jì)算判斷矩陣的最大特征值（λmax）、一致性指標(biāo)（CI）、一致性比值（CR）指標(biāo)綜合權(quán)重（W）。經(jīng)計(jì)算，CR＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表1。按照此方法計(jì)算子準(zhǔn)則層權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 準(zhǔn)則層判斷矩陣及權(quán)重

表2 子準(zhǔn)則層用戶需求權(quán)重

通過表1、表2 權(quán)重結(jié)果分析得出：用戶更加注重防護(hù)需求與功能需求， 注重產(chǎn)品的易用性與安全性以及實(shí)際使用過程中的產(chǎn)品的面部防護(hù)與呼吸防護(hù)。

2.2 采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器設(shè)計(jì)需求分析

通過前期用戶調(diào)查與用戶訪談， 充分了解并分析用戶需求后，需要進(jìn)行用戶需求到設(shè)計(jì)需求的轉(zhuǎn)化。基于用戶真實(shí)需求，進(jìn)行用戶需求到產(chǎn)品功能的映射，并對之后的產(chǎn)品功能進(jìn)行聚類分析，最終從功能需求、人機(jī)需求、防護(hù)需求、結(jié)構(gòu)外觀四個(gè)方面構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求見表3。

表3 采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器設(shè)計(jì)需求

（續(xù)表3）

2.3 基于QFD 的采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器設(shè)計(jì)需求分析

QFD 法作為一種基于用戶需求展開產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)等各領(lǐng)域均有應(yīng)用，其中設(shè)計(jì)需求是構(gòu)建質(zhì)量屋的關(guān)鍵因素之一。本文通過用戶需求-設(shè)計(jì)需求建立質(zhì)量屋模型并進(jìn)行量化評價(jià)，構(gòu)建出用戶需求-設(shè)計(jì)需求關(guān)系矩陣，關(guān)系矩陣見表4，并計(jì)算權(quán)重值（其中◎表示“強(qiáng)”相關(guān)，取值為5，○表示“中”相關(guān)，取值為3，△表示“弱”相關(guān)，取值為1，空表示“不相關(guān)”，取值為0）。

圖2 用戶需求與設(shè)計(jì)需求的關(guān)系矩陣

從質(zhì)量屋結(jié)果分析得出：氣密性好，隔絕外部灰塵、風(fēng)機(jī)供風(fēng)量滿足標(biāo)準(zhǔn)、滿足照明環(huán)境、具有氣體檢測功能是產(chǎn)品功能部分設(shè)計(jì)重點(diǎn)；貼合頭部，頭圍可調(diào)節(jié)、面部防霧，視野開闊、礦燈可拆卸可調(diào)節(jié)角度為人機(jī)需求設(shè)計(jì)重點(diǎn)；外殼堅(jiān)固耐沖擊、內(nèi)襯材料無毒無害、有害氣體檢測為防護(hù)需求設(shè)計(jì)重點(diǎn)；產(chǎn)品造型簡潔大方、裝配方便，產(chǎn)品工作效率高為結(jié)構(gòu)外觀部分設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)按以上設(shè)計(jì)要素展開。

2.4 基于AD 的采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器設(shè)計(jì)參數(shù)分析

公理化設(shè)計(jì)（Axiomatic Design，AD）過程是以用戶需求為驅(qū)動(dòng)的域之間的映射過程， 并在映射過程中利用獨(dú)立性公理和信息公理來判斷設(shè)計(jì)的合理性和最優(yōu)解，從而將設(shè)計(jì)問題逐步解決。 該理論由美國麻省理工學(xué)院SUH 教授1900 年提出。

本文將QFD 分析得到的重要度較高的設(shè)計(jì)需求定義為AD 中的功能需求，并提出相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)。 例如：將氣密性好、 隔絕外部灰塵與風(fēng)機(jī)供風(fēng)量滿足標(biāo)準(zhǔn)合并為動(dòng)力送風(fēng)功能，并提出風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）與外部電源兩設(shè)計(jì)參數(shù)，詳細(xì)功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。 運(yùn)用公理設(shè)計(jì)理論獨(dú)立性公理進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)檢驗(yàn)。 將功能需求FR 與設(shè)計(jì)參數(shù)DP 進(jìn)行映射，檢驗(yàn)是否滿足獨(dú)立性公理，經(jīng)檢驗(yàn)， 得到非耦合設(shè)計(jì)對角矩陣， 檢驗(yàn)滿足獨(dú)立性公理，設(shè)計(jì)參數(shù)是可接受的。

表4 功能需求和設(shè)計(jì)參數(shù)對照表

3 采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐

本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是空氣凈化以及頭部面部的防護(hù)，能更好的滿足礦下粉塵性環(huán)境作業(yè)要求，根據(jù)上一階段分析整合得出采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。產(chǎn)品使用時(shí)，首先將采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器主體置于頭頂進(jìn)行佩戴，將調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)至松緊舒適狀態(tài)。打開供電電源開關(guān)，風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）開始轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣進(jìn)入除塵過濾層進(jìn)行空氣凈化，通過送風(fēng)管路輸送到面部。

該產(chǎn)品主要由呼吸與防護(hù)系統(tǒng)、 動(dòng)力送風(fēng)系統(tǒng)和供電電源三部分組成。呼吸與防護(hù)系統(tǒng)包括除塵過濾層、防爆礦燈組成，產(chǎn)品使用方便，密閉性優(yōu)良；動(dòng)力送風(fēng)系統(tǒng)包括濾塵組件與動(dòng)力組件和送風(fēng)管路， 濾塵過程通過除塵過濾層過濾粉塵顆粒，并由風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）通過送風(fēng)管路送至面部。 除此之外， 具有有害氣體檢測功能，實(shí)時(shí)測定井下空氣環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；在人機(jī)與舒適度優(yōu)化方面，由于地區(qū)人種的差異，亞洲人的頭型比較圓而飽滿，歐美人頭型相對較窄，本設(shè)計(jì)主體外殼尺寸采用采用亞洲版頭盔人機(jī)尺寸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 更加貼合中國人頭部造型，并以此展開頭盔內(nèi)襯等各部件的設(shè)計(jì)。可拆卸礦燈區(qū)設(shè)置于聚碳酸酯透明面板上， 避免了傳統(tǒng)殼體穿孔固定的方式，增加了產(chǎn)品頂部的抗沖擊性；可調(diào)節(jié)襯帶可根據(jù)不同頭圍進(jìn)行松緊調(diào)節(jié)；下頦帶貼合面部，防止氣體泄漏，保障了罩內(nèi)氣體的清潔；獨(dú)立外置供電電源工作時(shí)放于腰間，通過電源線與風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）電路相連，區(qū)別于傳統(tǒng)鼻前式與后背管路式送風(fēng)方式，有效降低礦工長時(shí)間攜帶防塵設(shè)備的載荷，減少體能消耗。具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果圖見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)效果圖

4 結(jié)束語

本文引用QFD 理論方法設(shè)計(jì)了一款采礦動(dòng)力空氣凈化呼吸器。通過構(gòu)建用戶需求在功能、人機(jī)、造型上的質(zhì)量屋模型，并引入AD 理論細(xì)化設(shè)計(jì)需求與設(shè)計(jì)參數(shù)，獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)， 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)QFD 對設(shè)計(jì)參數(shù)與方案分析的缺陷。 本設(shè)計(jì)在產(chǎn)品功能、舒適性及人機(jī)關(guān)系方面做了優(yōu)化調(diào)整，改善了現(xiàn)有通用性產(chǎn)品的不足之處，設(shè)計(jì)出更加符合井下環(huán)境的礦用呼吸器，相較于傳統(tǒng)自吸過濾式空氣凈化呼吸器及自給式空氣凈化呼吸器應(yīng)用將更加廣泛。