基于QFD/TRIZ集成理論的便攜式食用菌裝袋機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

展鑫

摘要：針對(duì)目前市場(chǎng)上的食用菌裝袋機(jī)存在體積大、費(fèi)用高、運(yùn)輸困難等問題，運(yùn)用QFD/TRIZ集成理論，設(shè)計(jì)了一種便攜式、自動(dòng)化的食用菌裝袋機(jī)，首先對(duì)目前食用菌裝袋機(jī)進(jìn)行用戶需求的分析，確定了故障率、使用壽命、產(chǎn)品噪音、產(chǎn)品大小、價(jià)位合理、生產(chǎn)浪費(fèi)、運(yùn)輸便利、占用空間、操作簡(jiǎn)單、安全可靠十個(gè)重要功能指標(biāo)。質(zhì)量屋將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)三對(duì)技術(shù)矛盾分別為承受載荷量與耐久性，承受載荷量越大，耐久性越短;承受載荷量與外觀設(shè)計(jì)規(guī)劃，承受載荷量越大，外觀設(shè)計(jì)越難;承受載荷量與可拆卸性，承受載荷量越大，可拆卸性越小。然后運(yùn)用TRIZ理論對(duì)食用菌裝袋機(jī)進(jìn)行了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)。食用菌裝袋機(jī)具備性價(jià)比高、體積小的特點(diǎn)。

Abstract： In view of the problems existing in the current market， such as large volume， high cost and difficult transportation， a portable and automatic edible fungus bagging machine is designed by using QFD/TRIZ integrated theory. Firstly， the user demand of the current edible fungus bagging machine is analyzed， and the failure rate， service life， product noise， product size， reasonable price， production waste， convenient transportation， space occupation and simple operation are determined. Ten important functional indexes of safety and reliability. The house of quality converts the needs of users into the technical parameters of product design. It is found that the three pairs of technical contradictions are load bearing and durability， and the greater the load， the greater the load. The shorter the durability; the greater the load and design planning， the greater the load， the more difficult the appearance design; the greater the load and disassembly， the smaller the detachability. Then an innovative design of edible fungus bagging machine was carried out by using TRIZ theory. Edible fungus bagging machine has the characteristics of high performance-price ratio and small volume.

關(guān)鍵詞：QFD;TRIZ;便攜式裝袋機(jī);食用菌

Key words： QFD;TRIZ;portable bagging machine;edible fungus

中圖分類號(hào)：TS255.35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）06-0297-03

0 ?引言

我國是食用菌產(chǎn)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國食用菌總量約3000萬噸[1]。裝袋是保證產(chǎn)品質(zhì)量、形狀標(biāo)準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)。大型自動(dòng)裝袋機(jī)已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)，但家庭農(nóng)場(chǎng)式的作業(yè)方式使得目前大型裝袋機(jī)性價(jià)比低、運(yùn)輸困難。目前食用菌生產(chǎn)依舊是以家庭手工作坊為主的操作方式。半自動(dòng)或者全自動(dòng)小型食用菌代料栽培機(jī)械化將是需求主力。

一些學(xué)者開發(fā)對(duì)食用菌裝袋機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。王鵬飛等[2]利用AIP軟件創(chuàng)建了食用菌培養(yǎng)料裝袋機(jī)初始模型，并根據(jù)培養(yǎng)料裝袋實(shí)際作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了裝料和卸料等零部件，但裝袋工序需要較多勞動(dòng)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且存在安全隱患;黃雙成[3]設(shè)計(jì)的食用菌袋裝工藝裝袋機(jī)但資源效率低力，需要較多勞動(dòng)力等;王軍[4]設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)式抱筒食用菌裝袋機(jī)但存在效率低問題;楊艷等[5]基于PLC設(shè)計(jì)了食用菌速裝袋機(jī)，該機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)速度快，效率高，故障率低，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本但是裝袋機(jī)體積大、運(yùn)輸困難、噪聲大等不足;李國一等[6]設(shè)計(jì)的自動(dòng)定量裝袋機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是大大減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了裝袋效率，但存在安全隱患、費(fèi)用高等不足。

綜上，目前食用菌裝袋機(jī)設(shè)計(jì)出現(xiàn)諸多問題，本文通過食用菌裝袋機(jī)的客戶需求分析，并將客戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新型食用菌裝袋機(jī)。

1 ?QFD/TRIZ集成理論

QFD（質(zhì)量功能展開）是在上世紀(jì)七十年代由赤尾洋二和水野滋提出的一種面向顧客需求的產(chǎn)品開發(fā)的方法。TRIZ是由G.S.Altshuller和他的研究團(tuán)隊(duì)通過分析大量專利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來的，揭示創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，，其目標(biāo)是完全解決矛盾。QFD解決了用戶需求到技術(shù)參數(shù)之間轉(zhuǎn)化問題，而TRIZ工具則解決了技術(shù)參數(shù)矛盾問題，兩者有機(jī)結(jié)合，將更加能提高設(shè)計(jì)效率和滿足用戶需求。設(shè)計(jì)流程見圖1所示。

2 ?QFD/TRIZ集成理論對(duì)食用菌裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 食用菌裝袋機(jī)用戶需求分析

通過對(duì)河南省52戶食用菌種植用戶和27位裝袋機(jī)銷售用戶進(jìn)行問卷調(diào)查和深度訪談，收集用戶對(duì)產(chǎn)品的需求信息，以及現(xiàn)有食用菌存在的不足，并對(duì)提出的需求指標(biāo)進(jìn)行聚類分析后，得出用戶最關(guān)鍵需求指標(biāo)。具體需求如圖2所示。

2.2 建立“顧客需求-產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)”質(zhì)量屋

通過進(jìn)一步分析和整理，用質(zhì)量屋表達(dá)客戶需求與產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的關(guān)系，并分析產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)中存在的沖突。其中若某兩個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的技術(shù)改善會(huì)彼此帶動(dòng)，則為正相關(guān)，用“+”表示，否則為負(fù)相關(guān)，用“-”表示。屋頂矩陣中存在負(fù)相關(guān)，則表示兩產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)之間存在設(shè)計(jì)沖突。通過分類、分析、整理，食用菌裝袋機(jī)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)包括“承受載荷量、耐久性、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、操控技術(shù)難易程度、外觀設(shè)計(jì)規(guī)格、生產(chǎn)率、可拆性”。顧客需求主要有“故障率、使用壽命、產(chǎn)生噪音、產(chǎn)品大小、價(jià)格合理、生產(chǎn)浪費(fèi)、運(yùn)輸便利、占用空間、操作簡(jiǎn)單、安全可靠”。對(duì)食用菌裝袋機(jī)的客戶需求和現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)性分析，建立了食用菌裝袋機(jī)的“客戶需求-產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)”質(zhì)量屋如圖3所示。

從質(zhì)量屋可以得出以下結(jié)論：①用戶需求中“使用壽命”、“價(jià)格合理”、“產(chǎn)品大小”、“操作簡(jiǎn)單”為主要需求;②技術(shù)特征中存在兩個(gè)負(fù)相關(guān)是承受載荷量與耐久性（即載荷量越大，耐久性越差）、承受載荷量與可拆卸性（載荷量越大，可拆卸性越差）。

運(yùn)用TRIZ理論中的39個(gè)通用工程參數(shù)描述沖突為：No11應(yīng)力或壓力——掌握單位面積上的力;No13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定——了解系統(tǒng)的完整性和系統(tǒng)組成部分間的關(guān)系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，化學(xué)分解、磨損及拆卸都能降低穩(wěn)定性。存在的主要技術(shù)矛盾是物體承受的壓力越大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越差。

目前可用發(fā)明原理有：No28——機(jī)械系統(tǒng)的代替——即半圓抱筒結(jié)構(gòu)的添加、使用電磁離合器代替機(jī)械離合器;No10預(yù)先作用——增設(shè)傳感檢測(cè)系統(tǒng)、加入激光傳感器設(shè)計(jì)。

3 ?總體方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要素、物化設(shè)計(jì)要素所對(duì)應(yīng)的矛盾和消解，最后得出創(chuàng)新方案，設(shè)計(jì)了一款便攜式自動(dòng)食用菌裝袋機(jī)。

設(shè)備主要由絞龍裝置、送料裝置、電磁離合器、控制電機(jī)、尾座（抱筒）、傳感器系統(tǒng)和機(jī)架等組成。具有以下5個(gè)特征：

①尾座添加兩個(gè)半圓抱筒結(jié)構(gòu)，保證裝袋過程中食用菌的外裝塑料袋不承受壓力，且裝袋硬度適中，畏縮到適合位置后立刻脫袋;

②采用電磁離合器代替原來的機(jī)械離合器，保證離合器分離的可靠性、穩(wěn)定性和易控性;

③增設(shè)傳感檢測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的生產(chǎn)要求改變裝袋的長度;

④加入激光傳感器設(shè)計(jì)，可以避免操作不當(dāng)給操作人員造成人身傷害，使系統(tǒng)做到安全可靠;本機(jī)使用單片機(jī)來控制單元，可以根據(jù)不同生產(chǎn)工藝要求修正相關(guān)參數(shù)，提高設(shè)備科技創(chuàng)新水平，通過軟件改進(jìn)提高設(shè)備的保護(hù)安全性能，提升生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益;

⑤增設(shè)傳送帶裝置，在產(chǎn)品退到合適位置后，脫袋至傳送帶上，進(jìn)入下一工序。

基于單片機(jī)的食用菌裝袋機(jī)工作原理：系統(tǒng)上電后主電機(jī)通電，通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)電磁離合器做等速空轉(zhuǎn)，塑料袋套在特定套袋位置自動(dòng)套袋，操作開關(guān)后，抱筒開始旋轉(zhuǎn)，下一個(gè)抱筒進(jìn)入套袋位置，套袋抱筒進(jìn)入裝料階段，單片機(jī)發(fā)出指令讓控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過鏈傳動(dòng)讓尾座向絞龍裝置方向前進(jìn)。尾座和套筒之間的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)使抱筒緊閉，前置傳感器檢測(cè)到抱筒已經(jīng)前進(jìn)到位置后，發(fā)出信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)收到信息后發(fā)出指令開動(dòng)電磁離合器，絞龍裝置的內(nèi)螺旋啟動(dòng)開始旋轉(zhuǎn)裝料操作。隨著絞龍裝置內(nèi)螺旋裝料持續(xù)，尾座抱筒在培養(yǎng)料的推力下畏縮，當(dāng)尾座（抱筒）退至中置傳感器（裝滿狀態(tài)傳感器）時(shí)，單片機(jī)發(fā)送指令關(guān)停電磁離合器，同時(shí)發(fā)送指令啟動(dòng)控制電機(jī)展轉(zhuǎn)，帶動(dòng)尾座畏縮。當(dāng)尾座（抱筒）畏縮到后置傳感器，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)同時(shí)尾座抱筒打開，裝滿料基的食用菌袋子順斜抱筒的下半部分滑出至傳送帶上，進(jìn)入下一工序，完成一次裝袋操作，如圖4所示。

4 ?結(jié)論

為設(shè)計(jì)適用于食用菌裝袋機(jī)的生產(chǎn)裝置，在分析現(xiàn)有裝袋機(jī)裝置以及用戶需求的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確、快速、便捷地提取了食用菌裝袋機(jī)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)，運(yùn)用QFD與TRIZ相結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，以QFD技術(shù)指明產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向，以TRIZ創(chuàng)新方法為工具，解決在便攜式食用菌裝袋機(jī)設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題，從而實(shí)現(xiàn)食用菌裝袋機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過集成創(chuàng)新理論設(shè)計(jì)的食用菌裝袋機(jī)，具有較高的可行性和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]對(duì)2012年度食用菌統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析[J].食藥用菌，2013，21（06）：363.

[2]王鵬飛，王利源，何建華，楊欣，李建平.基于AIP的食用菌培養(yǎng)料裝袋機(jī)設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，41（02）：110-115.

[3]黃雙成，李志偉，張秋紅.基于單片機(jī)的食用菌裝袋機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化，2017，23（09）：53-57.

[4]王軍.介紹一款電動(dòng)式食用菌抱筒裝袋機(jī)[J].農(nóng)村百事通，2016（16）：51.

[5]楊艷，王登貴.基于PLC的食用菌速裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（04）：82-84.

[6]李國一，李革，蘇和生，趙勻.食用菌培養(yǎng)料自動(dòng)定量裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（01）：110-112.