基于QFD/TRIZ集成理論的便攜式食用菌裝袋機創(chuàng)新設計

展鑫

摘要：針對目前市場上的食用菌裝袋機存在體積大、費用高、運輸困難等問題，運用QFD/TRIZ集成理論，設計了一種便攜式、自動化的食用菌裝袋機，首先對目前食用菌裝袋機進行用戶需求的分析，確定了故障率、使用壽命、產品噪音、產品大小、價位合理、生產浪費、運輸便利、占用空間、操作簡單、安全可靠十個重要功能指標。質量屋將用戶需求轉化為產品設計的技術參數，發(fā)現三對技術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計規(guī)劃，承受載荷量越大，外觀設計越難;承受載荷量與可拆卸性，承受載荷量越大，可拆卸性越小。然后運用TRIZ理論對食用菌裝袋機進行了一種創(chuàng)新設計。食用菌裝袋機具備性價比高、體積小的特點。

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.

關鍵詞：QFD;TRIZ;便攜式裝袋機;食用菌

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

中圖分類號：TS255.35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0297-03

0 ?引言

我國是食用菌產業(yè)大國，據統(tǒng)計，2012年我國食用菌總量約3000萬噸[1]。裝袋是保證產品質量、形狀標準的重要環(huán)節(jié)。大型自動裝袋機已經有比較成熟的技術，但家庭農場式的作業(yè)方式使得目前大型裝袋機性價比低、運輸困難。目前食用菌生產依舊是以家庭手工作坊為主的操作方式。半自動或者全自動小型食用菌代料栽培機械化將是需求主力。

一些學者開發(fā)對食用菌裝袋機進行設計。王鵬飛等[2]利用AIP軟件創(chuàng)建了食用菌培養(yǎng)料裝袋機初始模型，并根據培養(yǎng)料裝袋實際作業(yè)需求，設計了裝料和卸料等零部件，但裝袋工序需要較多勞動力，勞動強度大，效率低，且存在安全隱患;黃雙成[3]設計的食用菌袋裝工藝裝袋機但資源效率低力，需要較多勞動力等;王軍[4]設計了一款電動式抱筒食用菌裝袋機但存在效率低問題;楊艷等[5]基于PLC設計了食用菌速裝袋機，該機器結構緊湊，生產速度快，效率高，故障率低，極大地降低了勞動強度，節(jié)約了成本但是裝袋機體積大、運輸困難、噪聲大等不足;李國一等[6]設計的自動定量裝袋機，優(yōu)點是大大減輕了操作者的勞動強度、提高了裝袋效率，但存在安全隱患、費用高等不足。

綜上，目前食用菌裝袋機設計出現諸多問題，本文通過食用菌裝袋機的客戶需求分析，并將客戶需求轉化為產品設計的技術參數設計了一種創(chuàng)新型食用菌裝袋機。

1 ?QFD/TRIZ集成理論

QFD（質量功能展開）是在上世紀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品開發(fā)的方法。TRIZ是由G.S.Altshuller和他的研究團隊通過分析大量專利和創(chuàng)新案例總結出來的，揭示創(chuàng)造發(fā)明的內在規(guī)律和原理，，其目標是完全解決矛盾。QFD解決了用戶需求到技術參數之間轉化問題，而TRIZ工具則解決了技術參數矛盾問題，兩者有機結合，將更加能提高設計效率和滿足用戶需求。設計流程見圖1所示。

2 ?QFD/TRIZ集成理論對食用菌裝袋機的設計

2.1 食用菌裝袋機用戶需求分析

通過對河南省52戶食用菌種植用戶和27位裝袋機銷售用戶進行問卷調查和深度訪談，收集用戶對產品的需求信息，以及現有食用菌存在的不足，并對提出的需求指標進行聚類分析后，得出用戶最關鍵需求指標。具體需求如圖2所示。

2.2 建立“顧客需求-產品技術參數”質量屋

通過進一步分析和整理，用質量屋表達客戶需求與產品技術參數的關系，并分析產品技術參數中存在的沖突。其中若某兩個產品質量指標的技術改善會彼此帶動，則為正相關，用“+”表示，否則為負相關，用“-”表示。屋頂矩陣中存在負相關，則表示兩產品質量指標之間存在設計沖突。通過分類、分析、整理，食用菌裝袋機的產品技術參數包括“承受載荷量、耐久性、產品標準、操控技術難易程度、外觀設計規(guī)格、生產率、可拆性”。顧客需求主要有“故障率、使用壽命、產生噪音、產品大小、價格合理、生產浪費、運輸便利、占用空間、操作簡單、安全可靠”。對食用菌裝袋機的客戶需求和現有產品進行相關性分析，建立了食用菌裝袋機的“客戶需求-產品技術參數”質量屋如圖3所示。

從質量屋可以得出以下結論：①用戶需求中“使用壽命”、“價格合理”、“產品大小”、“操作簡單”為主要需求;②技術特征中存在兩個負相關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）。

運用TRIZ理論中的39個通用工程參數描述沖突為：No11應力或壓力——掌握單位面積上的力;No13結構的穩(wěn)定——了解系統(tǒng)的完整性和系統(tǒng)組成部分間的關系結構穩(wěn)定性，化學分解、磨損及拆卸都能降低穩(wěn)定性。存在的主要技術矛盾是物體承受的壓力越大，結構的穩(wěn)定性越差。

目前可用發(fā)明原理有：No28——機械系統(tǒng)的代替——即半圓抱筒結構的添加、使用電磁離合器代替機械離合器;No10預先作用——增設傳感檢測系統(tǒng)、加入激光傳感器設計。

3 ?總體方案

根據設計要素、物化設計要素所對應的矛盾和消解，最后得出創(chuàng)新方案，設計了一款便攜式自動食用菌裝袋機。

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

①尾座添加兩個半圓抱筒結構，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增設傳感檢測系統(tǒng)，可以根據不同的生產要求改變裝袋的長度;

④加入激光傳感器設計，可以避免操作不當給操作人員造成人身傷害，使系統(tǒng)做到安全可靠;本機使用單片機來控制單元，可以根據不同生產工藝要求修正相關參數，提高設備科技創(chuàng)新水平，通過軟件改進提高設備的保護安全性能，提升生產效率，增加經濟效益;

⑤增設傳送帶裝置，在產品退到合適位置后，脫袋至傳送帶上，進入下一工序。

基于單片機的食用菌裝袋機工作原理：系統(tǒng)上電后主電機通電，通過帶傳動帶動電磁離合器做等速空轉，塑料袋套在特定套袋位置自動套袋，操作開關后，抱筒開始旋轉，下一個抱筒進入套袋位置，套袋抱筒進入裝料階段，單片機發(fā)出指令讓控制電機正轉，通過鏈傳動讓尾座向絞龍裝置方向前進。尾座和套筒之間的機械聯(lián)動機構使抱筒緊閉，前置傳感器檢測到抱筒已經前進到位置后，發(fā)出信號給單片機，單片機收到信息后發(fā)出指令開動電磁離合器，絞龍裝置的內螺旋啟動開始旋轉裝料操作。隨著絞龍裝置內螺旋裝料持續(xù)，尾座抱筒在培養(yǎng)料的推力下畏縮，當尾座（抱筒）退至中置傳感器（裝滿狀態(tài)傳感器）時，單片機發(fā)送指令關停電磁離合器，同時發(fā)送指令啟動控制電機展轉，帶動尾座畏縮。當尾座（抱筒）畏縮到后置傳感器，控制電機停轉同時尾座抱筒打開，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，進入下一工序，完成一次裝袋操作，如圖4所示。

4 ?結論

為設計適用于食用菌裝袋機的生產裝置，在分析現有裝袋機裝置以及用戶需求的基礎上準確、快速、便捷地提取了食用菌裝袋機設計中的創(chuàng)新點，運用QFD與TRIZ相結合的產品創(chuàng)新設計方法，以QFD技術指明產品設計的方向，以TRIZ創(chuàng)新方法為工具，解決在便攜式食用菌裝袋機設計過程中所遇到的問題，從而實現食用菌裝袋機的創(chuàng)新設計。通過集成創(chuàng)新理論設計的食用菌裝袋機，具有較高的可行性和實用價值。

參考文獻：

[1]對2012年度食用菌統(tǒng)計結果的分析[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)料裝袋機設計[J].河北農業(yè)大學學報，2018，41（02）：110-115.

[3]黃雙成，李志偉，張秋紅.基于單片機的食用菌裝袋機設計與實現[J].機電一體化，2017，23（09）：53-57.

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[5]楊艷，王登貴.基于PLC的食用菌速裝袋機的設計[J].農業(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)料自動定量裝袋機的設計[J].農機化研究，2010，32（01）：110-112.