基于QFD和FKM的自走式青貯飼料收獲機(jī)設(shè)計(jì)研究

蘇晨,曹劍 ,賀成柱,阮榮輝

(1.湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢，430068;2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

近年來，隨著我國畜牧業(yè)迅速發(fā)展及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，青貯作物種植面積逐步擴(kuò)大[1-3]，青貯飼料因具有調(diào)制方便、儲(chǔ)存期長、養(yǎng)分保存率高、可供牲畜全年飼喂及緩解供需矛盾等優(yōu)點(diǎn)而備受人們關(guān)注[4-7]，但其因收獲配套設(shè)施不完善，長期以來影響著草牧業(yè)的快速發(fā)展.

目前，國內(nèi)青貯收獲機(jī)械按結(jié)構(gòu)主要分為牽引式、自走式及懸掛式3種[8-11]，雖形式不同，但均存在：(1)大多數(shù)設(shè)備青貯收獲、打捆分開進(jìn)行，作業(yè)方式單一，勞動(dòng)強(qiáng)度高，嚴(yán)重影響作業(yè)效率和飼料存儲(chǔ)質(zhì)量；(2)設(shè)計(jì)過度依賴現(xiàn)有設(shè)備，限制了創(chuàng)新性，導(dǎo)致同質(zhì)化嚴(yán)重[12]，無法較好匹配市場發(fā)展與用戶需求.據(jù)此，本文提出一種集收獲、打捆一體化的高效作業(yè)方式，以市場和用戶為驅(qū)動(dòng)對新設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，將用戶需求映射為設(shè)計(jì)屬性，據(jù)此進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì).

質(zhì)量功能展開(quality function deployment，QFD)理論是一種將顧客或市場的要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的多層次演繹分析方法，一直是產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)[13-15].模糊Kano模型(fuzzy-Kano model，F(xiàn)KM)是在傳統(tǒng) Kano模型不能精確反映用戶實(shí)際體驗(yàn)與需求的問題基礎(chǔ)上，提出利用模糊數(shù)值來表示用戶的感受[16-18]，從而更精確地捕捉用戶實(shí)際情感及重點(diǎn)需求.2種方法各有優(yōu)勢，通過兩者結(jié)合更有助于新產(chǎn)品開發(fā).Dionicio Neira-Rodado等[19]，通過客戶需求向產(chǎn)品特性的轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)了老年人髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)輔助設(shè)備.Lee等[20]通過PLM系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例，說明了該方法的適用性和易用性.Shwetank Avikal等[21]以運(yùn)動(dòng)型多用途車為例，結(jié)合兩種方法，對汽車審美屬性進(jìn)行優(yōu)化、選擇和對比，得出了滿足汽車設(shè)計(jì)的美學(xué)屬性，供設(shè)計(jì)者參考.

但目前還未見將此方法應(yīng)用在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域,很少有以用戶需求為驅(qū)動(dòng)的方法解決農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)問題，通常是以某一機(jī)型為基礎(chǔ)完成設(shè)備改進(jìn)，忽略了用戶實(shí)際需求，從而導(dǎo)致設(shè)備過度同質(zhì)化，缺乏創(chuàng)新性.將QFD與FKM集成模型應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)備開發(fā)，能有效集合用戶需求，為新設(shè)備開發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù).因此，本文將基于QFD與FKM集成方法對自走式青貯飼料收獲機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì).

1 基于QFD與FKM的自走式青貯飼料收獲機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)流程

一直以來，農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)主要集中在構(gòu)型設(shè)計(jì)階段，以技術(shù)、零部件的詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)為主，對現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的應(yīng)用相對較少，在一定程度上限制了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性.在面向自走式青貯飼料收獲機(jī)的設(shè)計(jì)流程中，運(yùn)用QFD與FKM集成方法，以市場和用戶為驅(qū)動(dòng)，通過對用戶核心需求的識別、分析和轉(zhuǎn)化，為設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)的挖掘提供科學(xué)依據(jù)，從而設(shè)計(jì)出真正符合需求的產(chǎn)品.具體設(shè)計(jì)流程包括：①建立調(diào)研小組，成員由具有統(tǒng)計(jì)學(xué)背景的人員和工程師組成，通過實(shí)地考察、訪談和文獻(xiàn)研究等多渠道收集項(xiàng)目相關(guān)信息，進(jìn)行設(shè)計(jì)目標(biāo)定義；②收集和篩選產(chǎn)品樣本，確定出評價(jià)樣本；然后進(jìn)行用戶人群分析，選取K名目標(biāo)用戶，運(yùn)用FKM問卷調(diào)查法和訪談法，搜集用戶需求信息，最后對其進(jìn)行歸納、補(bǔ)充和層次化分析，確定出M項(xiàng)用戶需求；③根據(jù)問卷算出各項(xiàng)需求要素重要度，擬定產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素，建立QFD關(guān)聯(lián)矩陣，計(jì)算關(guān)聯(lián)矩陣內(nèi)各設(shè)計(jì)要素權(quán)重，將其填入質(zhì)量屋矩陣，完成質(zhì)量屋構(gòu)建，同時(shí)驗(yàn)證是否滿足各需求；④根據(jù)自走式青貯飼料收獲機(jī)質(zhì)量屋轉(zhuǎn)化結(jié)果，利用三維軟件SolidWorks進(jìn)行整機(jī)方案設(shè)計(jì)并完成設(shè)計(jì)輸出，最后通過田間試驗(yàn)對樣機(jī)進(jìn)行測試.具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

1.2 目標(biāo)定義

由調(diào)研小組對我國鐮刀彎地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)及農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展需求信息進(jìn)行收集，經(jīng)歸納、整理后發(fā)現(xiàn)：1)青貯作物規(guī)模化種植面積逐年擴(kuò)增，農(nóng)場主及個(gè)體戶對青貯收獲設(shè)備剛性需求強(qiáng)烈；2)國民飲食結(jié)構(gòu)調(diào)整，牛羊肉、奶制品需求量增加，養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?？?/p>

圖1 設(shè)計(jì)流程Figure 1 The design process

速擴(kuò)大，飼草需求量增加；3)青貯飼料產(chǎn)業(yè)化體系相對落后，飼草生產(chǎn)供需不平衡，存有較大缺口；4)現(xiàn)有設(shè)備作業(yè)方式單一，自動(dòng)化程度及作業(yè)效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，設(shè)備價(jià)格較高.

根據(jù)以上需求信息，進(jìn)行青貯飼料收獲機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)初步定義.為提高目標(biāo)定義的準(zhǔn)確性和合理性，收集了包括企業(yè)決策、設(shè)計(jì)資源、生產(chǎn)計(jì)劃等多個(gè)領(lǐng)域的信息，建立信息空間集合，通過信息空間-目標(biāo)空間-信息空間的轉(zhuǎn)化、推導(dǎo)，從而完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的逐層拓展(圖2).

1.3 需求分析

以圖2轉(zhuǎn)化結(jié)果為依據(jù)，確定以自走式青貯飼料收獲機(jī)為設(shè)計(jì)對象.設(shè)計(jì)前期通過農(nóng)機(jī)展、網(wǎng)絡(luò)等渠道全面搜集產(chǎn)品樣本資料，獲取產(chǎn)品詳細(xì)信息，明確調(diào)研問卷設(shè)計(jì)內(nèi)容；其次，選取以企業(yè)管理者、工程師、生產(chǎn)裝配工人、代理商、飼草種植戶、牛羊養(yǎng)殖戶及農(nóng)機(jī)操作手7類目標(biāo)用戶群體進(jìn)行訪談和模糊Kano問卷調(diào)研，共發(fā)放問卷260份，收回有效問卷225份，有效率87%；通過對回收數(shù)據(jù)的聚類、補(bǔ)充與提煉，獲得層次化用戶需求信息，見表1.

圖2 信息-目標(biāo)-信息轉(zhuǎn)化Figure 2 Information target information transformation

1.4 需求轉(zhuǎn)化

1.4.1 確定用戶需求重要度

1.4.1.1 用戶滿意度及用戶需求水平調(diào)查 為保證最終用戶需求重要度的相對準(zhǔn)確性，調(diào)研時(shí)同時(shí)進(jìn)行了用戶滿意度及用戶需求水平調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表2.調(diào)研中收回有效問卷210份，問卷中關(guān)于評價(jià)對象的評分采用1～5分的度量等級進(jìn)行評分，滿意度隨分值增高而遞增，其中用戶當(dāng)前滿意度表示為So、目標(biāo)滿意度表示為Sr、需求水平表示為Po、目標(biāo)需求水平表示為Pr.

1.4.1.2K值計(jì)算 根據(jù)表2評分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按下式分別計(jì)算各項(xiàng)需求要素的So、Sr、Po、Pr：

(1)

表1 自走式青貯飼料收獲機(jī)用戶需求層次化識別

表2 用戶滿意度及用戶需求水平評分統(tǒng)計(jì)

(2)

(3)

(4)

將式(1)～式(4)求和數(shù)值代入式(5)，完成K值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3.

K=logPi/PoSr/So

(5)

1.4.1.3 重要度確定 利用表3計(jì)算結(jié)果，結(jié)合專家小組對各需求要素基礎(chǔ)重要度評分，通過基礎(chǔ)重要度×K值，明確各需求要素重要度I.

其中，基礎(chǔ)重要度用自然數(shù)1～5表示，由專家小組打分，數(shù)值越大表示越重要.各需求要素重要度計(jì)算結(jié)果見表4.

1.4.2 提取設(shè)計(jì)要素 設(shè)計(jì)要素是質(zhì)量屋關(guān)系矩陣的關(guān)鍵組成部分，也是產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案決策的重要影響因素，依據(jù)表1，歸納、提煉出8項(xiàng)與自走式青貯飼料收獲機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)相符的設(shè)計(jì)要素(表5).

1.4.3 建立質(zhì)量屋 結(jié)合表4和表5構(gòu)成自走式青貯飼料收獲機(jī)質(zhì)量屋關(guān)系矩陣.關(guān)聯(lián)矩陣中客戶需求信息與產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征之間的關(guān)聯(lián)程度由QFD專家小組進(jìn)行評分[22]，每項(xiàng)評分取人數(shù)占比最多的等級作最終值，以確保評分等級的準(zhǔn)確性和客觀性.相關(guān)等級評分分別用0、1、3、5四個(gè)數(shù)值表示，其中5為強(qiáng)相關(guān)、3為一般相關(guān)、1為弱相關(guān)、0為不相關(guān).然后，結(jié)合表4已知用戶需求重要度進(jìn)行設(shè)計(jì)要素權(quán)重和相對權(quán)重計(jì)算，從而確定設(shè)計(jì)要素重要度占比.關(guān)系矩陣中各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素權(quán)重Wi和相對權(quán)重Wi′通過式(6)和式(7)計(jì)算得出，具體表示為：

表3 K值計(jì)算結(jié)果

表4 各項(xiàng)用戶需求重要度

表5 自走式青貯飼料收獲機(jī)設(shè)計(jì)要素

(6)

式中，m為用戶需求總數(shù)；Ci為第i個(gè)用戶需求的基礎(chǔ)重要度，Rij為第i個(gè)用戶需求和第j個(gè)設(shè)計(jì)要素的對應(yīng)數(shù)值.

將式(6)代入式(7)，得出相對權(quán)重Wi′，表示為：

(7)

最后將式(6)和式(7)計(jì)算所得結(jié)果填入對應(yīng)的質(zhì)量屋中，由關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素與用戶需求構(gòu)成的自走式青貯飼料收獲機(jī)質(zhì)量屋如圖3所示.

圖3 自走式青貯飼料收獲機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量屋Figure 3 Self-propelled silage harvester design quality house

由以上QFD工具分析可知，自走式青貯飼料收獲機(jī)客戶需求重要度排名前6的分別是CR21、CR24、CR31、CR53、CR25、CR11；同時(shí)客戶關(guān)注的設(shè)計(jì)要素最為重要的分別為D1、D2、D4.

1.5 總體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

以圖3分析結(jié)果為依據(jù)，自走式青貯飼料收獲機(jī)主要設(shè)計(jì)要求有結(jié)構(gòu)緊湊，操作安全，具備一次性完成收獲、打捆等功能特性.因此，為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備設(shè)計(jì)要求，通過參數(shù)化建模、分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的自走式青貯飼料收獲機(jī)結(jié)構(gòu)主要由收割裝置、液壓電控系統(tǒng)、集料裝置、成捆裝置等部分組成，如圖4所示.

該機(jī)采用了HST行走系統(tǒng)，通過履帶底盤行走，形成工作部件和行走部件的動(dòng)力全分離，解決了工作部件的動(dòng)力降低、無法持續(xù)作業(yè)的技術(shù)難題，達(dá)到了設(shè)備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的要求.其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表6.

1：割臺；2：液壓系統(tǒng)；3：拋料筒；4：電控系統(tǒng)；5：駕駛室；6：集料箱；7：成捆室；8：打捆裝置；9：抬升桿；10：發(fā)動(dòng)機(jī)總成；11：傳動(dòng)系統(tǒng)；12：履帶底盤.1：Header；2：Hydraulic system；3：Throwing barrel；4：Electronic control system 5：Cab；6：Collecting box；7：Bundling chamber；8：Bundling device；9：Lifting rod；10：Engine assembly；11：Transmission system；12：Tracked chassis.圖4 整機(jī)設(shè)計(jì)Figure 4 Operator design

表6 自走式青貯飼料收獲機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.6 工作原理

作業(yè)時(shí)，首先通過扶禾器將秸稈扶正，并利用割盤將其隔斷，經(jīng)喂入裝置輸送至物料切碎機(jī)構(gòu)，通過高速旋轉(zhuǎn)的切刀，將物料切碎，再經(jīng)拋料筒拋至集料倉中.物料進(jìn)入集料倉后，由撥料輥和皮帶將其輸送至成捆室內(nèi)，進(jìn)入成捆室的物料，受離心力作用，以圓形軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)并逐漸被壓實(shí)，當(dāng)草捆壓實(shí)程度達(dá)到設(shè)定范圍時(shí)，傳感器開始工作，此時(shí)集料倉停止物料輸送，布網(wǎng)裝置開始工作，對草捆進(jìn)行絲網(wǎng)包裹，當(dāng)包裹層數(shù)達(dá)到設(shè)定值，切刀工作，切斷絲網(wǎng)，此時(shí)成捆室倉門打開，圓草捆通過抬升桿輸送至地面，然后復(fù)原準(zhǔn)備下一個(gè)青貯捆制作.

2 作業(yè)試驗(yàn)

本項(xiàng)目創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種自走式青貯飼料收獲打捆一體機(jī).圖5為試驗(yàn)樣機(jī)工作狀態(tài)及試驗(yàn)過程中完成的飼草打捆實(shí)物.

圖5 田間作業(yè)試驗(yàn)Figure 5 Field experiment

2.1 試驗(yàn)條件

為測試該機(jī)性能，2019年10月初，在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)農(nóng)場對該機(jī)進(jìn)行了田間測試，試驗(yàn)條件見表7.

表7 試驗(yàn)條件列表

2.2 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證自走式青貯飼料收獲機(jī)的可靠性及工作穩(wěn)定性，以全株玉米為收獲作業(yè)對象，對整機(jī)性能進(jìn)行測試.性能試驗(yàn)采用田間作業(yè)模式，隨機(jī)選取試驗(yàn)地塊，設(shè)定作業(yè)速度0.75 m/s勻速前進(jìn)，共計(jì)收獲全株玉米2.3 hm2，約138 t.試驗(yàn)過程重點(diǎn)對作業(yè)效率、打捆尺寸、打捆時(shí)間和成捆率等參數(shù)進(jìn)行了測定，最終測定結(jié)果采用所有試驗(yàn)結(jié)果的平均值.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)多次試驗(yàn)，測定整機(jī)功能強(qiáng)、效率高，作業(yè)性能穩(wěn)定可靠，打捆速度快、密實(shí)度高，符合 NY/T 2088-2011[23]要求，可完全滿足大規(guī)模、高效率優(yōu)質(zhì)青貯飼料生產(chǎn)，試驗(yàn)參數(shù)見表8.

3 結(jié)論

本文將QFD和FKM兩者結(jié)合應(yīng)用于青貯收獲設(shè)備的開發(fā)設(shè)計(jì)中，在提高設(shè)計(jì)效率，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，能有效幫助設(shè)計(jì)人員快速找準(zhǔn)設(shè)計(jì)方向、明確設(shè)計(jì)目的、提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案.以自走式青貯飼料收獲機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了該方法的具體應(yīng)用過程.實(shí)例表明：通過挖掘青貯收獲設(shè)備用戶需求，借助FKM確定需求權(quán)重，運(yùn)用QFD實(shí)現(xiàn)需求轉(zhuǎn)化，最終演繹的設(shè)計(jì)方案有效地解決了現(xiàn)有設(shè)備作業(yè)方式單一、工作強(qiáng)度大、效率低等問題，極大滿足了企業(yè)設(shè)計(jì)要求，提高了產(chǎn)品市場競爭力，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性和實(shí)用性.該方法不僅能為企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，提高產(chǎn)品開發(fā)效率和質(zhì)量，優(yōu)化企業(yè)資源配置，而且能為市場上其他同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路與方法.

表8 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果