基于QFD與TRIZ理論的裝備創(chuàng)新研究

李可用 南舒?zhèn)?羅海有

（遼寧工業(yè)大學，遼寧 錦州 121001）

0 引言

遼寧具有雄厚的裝備制造基礎(chǔ)，在石油化工、汽車部件、船舶、冶金、礦山以及大型火（核）電站等領(lǐng)域擔負著為國家經(jīng)濟建設(shè)和國防安全提供重大裝備的重任，裝備制造業(yè)也是遼寧工業(yè)的第一支柱產(chǎn)業(yè)，在東北振興中具有舉足輕重的地位。然而，在材料、設(shè)計和工藝等方面還存在一些問題，裝備制造產(chǎn)品出口交貨值持續(xù)下降，周邊新興經(jīng)濟體的“供給替代”逐步顯現(xiàn)。因此，必須堅持走內(nèi)涵發(fā)展的道路，實現(xiàn)新興產(chǎn)業(yè)和核心技術(shù)方面重大突破，變“中國制造”為“中國智造”。該文以石油樹脂生產(chǎn)裝備的改進為切入點，以QFD與TRIZ的理論為基礎(chǔ)，研究創(chuàng)新的基本程序和范式，為遼寧裝備制造業(yè)的創(chuàng)新理清思路。

1 QFD和TRIZ概述

QFD質(zhì)量機能展開，是將顧客的需求系統(tǒng)展開并貫穿到產(chǎn)品設(shè)計、零部件制造和生產(chǎn)的過程。QFD從質(zhì)量保證的角度出發(fā)，通過市場調(diào)查，確定顧客需求，并轉(zhuǎn)化成技術(shù)特性，進行產(chǎn)品策劃，再轉(zhuǎn)化成工藝要求和生產(chǎn)要求，層層展開[1]。這樣可以準確把握顧客需求，減少設(shè)計更改的頻次，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

TRIZ發(fā)明問題解決理論，是技術(shù)創(chuàng)新方法論，是處理很多領(lǐng)域工程設(shè)計矛盾的工具[2]。它的核心在于給出技術(shù)矛盾與創(chuàng)新方向的映射關(guān)系。它從250萬以上的發(fā)明專利中，歸納出人類創(chuàng)新的共性思維，定義成一系列有效的法則，作為創(chuàng)新的指南，用以選擇清晰的解決方案。其主要內(nèi)容包括技術(shù)進化工具、矛盾矩陣工具、物場分析、科學效應庫工具、ARIZ算法。

2 創(chuàng)新設(shè)計模型構(gòu)建

QFD能夠有效地通過問卷調(diào)查、專家咨詢、顧客滿意度反饋等方式發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計過程中存在的技術(shù)問題，并將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計要素；TRIZ則給出處理矛盾的工具，以解決設(shè)計中所遇到的技術(shù)問題，最終形成創(chuàng)新設(shè)計方案[3]。兩者的有效銜接，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新。基于QFD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計模型見圖1：1） 創(chuàng)新目標選擇，以訪談、問卷、反饋法等形式展開市場調(diào)查。2） 調(diào)研信息分析，確定顧客需求并賦權(quán)，完成顧客需求到設(shè)計要素的轉(zhuǎn)化。3） 質(zhì)量屋構(gòu)建，設(shè)計要素的重要度賦值，找到關(guān)鍵設(shè)計要素。4） 將設(shè)計要素轉(zhuǎn)化為技術(shù)沖突，根據(jù)矛盾矩陣，選擇合適的TRIZ工具，根據(jù)專業(yè)知識，尋找對應的沖突處理途徑[4]。5） 解決問題，篩選原理，擬定創(chuàng)新設(shè)計方案。若設(shè)計輸出不能滿足輸入需求，則需重新擬定設(shè)計方案，直至滿足顧客要求。

圖1 QFD與TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計模型

3 創(chuàng)新模型的應用分析

石油樹脂的生產(chǎn)加工過程中，聚合體系反應殘留大量的反應溶劑，生產(chǎn)末期，需要對石油樹脂進行分離提純。生產(chǎn)過程中，主要利用閃蒸技術(shù)，即利用溶劑和樹脂溶液沸點的不同，通過對樹脂溶液加熱，溶劑由于沸點低而汽化，從而去除溶液中未聚合的溶劑以及小分子聚合物。目前生產(chǎn)中，常使用閃蒸罐進行閃蒸。閃蒸過程中，汽化物容易夾帶石油樹脂逃逸，并且閃蒸罐整體夾套進行加熱，換熱效率偏低，最終導致產(chǎn)物純度低，閃蒸效果不夠理想；樹脂中殘留的部分聚合不完全的小分子聚合物，在下游客戶使用及生產(chǎn)加工過程中普遍反饋，產(chǎn)品揮發(fā)減量偏高、熱穩(wěn)定性差、產(chǎn)品氣味大、色澤偏深等，整個工藝生產(chǎn)效率降低。

3.1 顧客需求分析

基于QFD與TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計模型，對石油樹脂生產(chǎn)所使用的閃蒸分離設(shè)備進行問題分析。

該創(chuàng)新目標為閃蒸分離設(shè)備，通過顧客訪問、現(xiàn)場查看，對現(xiàn)有石油樹脂生產(chǎn)行業(yè)所涉及的閃蒸分離設(shè)備進行調(diào)研。

目前生產(chǎn)所采用的閃蒸分離設(shè)備主要是閃蒸罐，進行兩級閃蒸[5]；生產(chǎn)過程中通入260℃左右的導熱油作為蒸發(fā)所需熱源，整體為負壓操作（-90 kPa～-95 kPa），閃蒸罐內(nèi)頂部為2～3層傘狀蒸發(fā)擋板結(jié)構(gòu)；罐頂采出未聚稀釋劑及部分小分子聚合物，經(jīng)循環(huán)水冷凝后入液體產(chǎn)品儲罐，罐底部脫半聚物后，聚合液二級閃蒸，鋼帶冷卻后產(chǎn)出石油樹脂。調(diào)研分析表明：閃蒸罐裝置結(jié)構(gòu)單一，閃蒸效果不好，耗熱能偏多，影響整個工藝生產(chǎn)效率；換熱效果不高，物料整體受熱不均勻，樹脂色澤偏深；通過負壓操作，只能除去部分稀釋劑產(chǎn)品；提高進料負荷后，閃蒸汽化量受限，無法更有效脫除小分子半聚物。

整理出顧客需求，準確降低樹脂產(chǎn)品的揮發(fā)減量、脫除產(chǎn)品氣味影響因素、提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性、改善樹脂產(chǎn)品外觀色澤、提高產(chǎn)品軟化點指標。

根據(jù)顧客需求，最終確定出石油樹脂生產(chǎn)的閃蒸分離設(shè)備設(shè)計要素有6點：換熱面積、真空度、增加成膜設(shè)施、處理負荷、改變進料口位置、熱介質(zhì)溫度。

運用李克特量表法，以0～5對顧客需求的重要性進行賦值，設(shè)計價值越高，賦值越大，計算出顧客需求系數(shù)。根據(jù)顧客需求與設(shè)計要素關(guān)系分析，繪制相應的質(zhì)量屋見圖2。顧客需求與技術(shù)特性的相關(guān)性用不同的符號標識：用 “●”表示 “強相關(guān)”，取值為5； “◎”表示“中度相關(guān)”，取值為3； “△”表示 “弱相關(guān)”，取值為1；空格表示不相關(guān)；“+”代表正相關(guān)，“-”代表負相關(guān)。

圖2顯示，6個設(shè)計要素中，分量最重的是增加設(shè)備成膜設(shè)施，確定為主要要素。通過變頻電機帶動刮膜擋板，將物料均勻分布在受熱筒體上，目的是使物料內(nèi)部受熱均勻，提高熱交換效果。其次，增加閃蒸分離設(shè)備換熱面積為次要考慮要素，為確保提供充足熱接觸面，提高換熱效率。最后，提高閃蒸分離設(shè)備夾套的熱介質(zhì)導熱油的運行溫度，確保換熱效率，減少熱量耗損。

圖2 質(zhì)量屋

將設(shè)計要素轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾。質(zhì)量屋顯示，技術(shù)特征中存在2個負相關(guān)關(guān)系。

增加成膜設(shè)施與改變進料位置成負相關(guān)關(guān)系。原工藝流程的閃蒸罐進料口只有一個，且進口位置為側(cè)中部；改造成膜設(shè)施后，為了確保物料在成膜刮板與設(shè)備換熱筒體的3mm～5mm間距內(nèi)分布均勻，需要將進料口改至頂部雙側(cè)對應進料，使膜面物料受熱平衡，并且在重力作用下，加熱后的物料從設(shè)備底出口流到下一道工序。因此，增加成膜設(shè)施與改變進料系統(tǒng)位置，則產(chǎn)生改善TRIZ理論中第33個參數(shù)（裝置可操作性）和惡化第26個參數(shù)（物質(zhì)或事物的數(shù)量）之間的技術(shù)矛盾。

真空度與熱介質(zhì)溫度成負相關(guān)關(guān)系。由于閃蒸裝置的兩個重要參數(shù)為系統(tǒng)真空度與熱介質(zhì)導熱油溫度，在保證處理加工量不變的情況下，提高熱介質(zhì)溫度，勢必增加氣化量，從而導致系統(tǒng)操作真空度偏低。但較高操作溫度下，不但會造成能量損失，樹脂的產(chǎn)品質(zhì)量也會受到影響。因此，要改善真空度與調(diào)整熱介質(zhì)溫度，從而提高樹脂產(chǎn)品使用指標，就是要改善TRIZ理論中第35個參數(shù)與第22個參數(shù)的矛盾，即適應性及通用性與能量損失之間的技術(shù)矛盾。

通過分析，這2個負相關(guān)的關(guān)系，將設(shè)計要素轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾，查詢得到相應的發(fā)明原理，建立沖突矩陣，見表1。

從矛盾矩陣查得6個發(fā)明原理：“3”局部質(zhì)量原理、“2”抽取原理、 “15”動態(tài)化原理、“10”預先作用原理、“13”反向作用原理、 “16”局部作用或過量作用原理、“35”改變物體聚合態(tài)原理。結(jié)合實際，根據(jù)專業(yè)知識，從TRIZ矛盾矩陣中的6個發(fā)明原理中，篩選閃蒸分離設(shè)備的具體設(shè)計解決方案。其中“3局部質(zhì)量原理”和“15動態(tài)化原理”與該設(shè)計密切相關(guān)，因此選用這2個原理作為創(chuàng)新的突破口，展開設(shè)計工作。

3.2 解決問題

對閃蒸分離運用局部質(zhì)量原理，將原物料形態(tài)通過電機帶動2組刮板與反向成膜縫的作用下，涂成3 mm～5 mm膜狀后，使物料縱向分割為無數(shù)小部分，在滿足局部質(zhì)量特性條件下，再進行稀釋劑和小分子半聚物的揮發(fā)分離，從而改變原生產(chǎn)過程中物料內(nèi)部受熱不均勻，稀釋劑及小分子物質(zhì)難以揮發(fā)分離，影響產(chǎn)品的揮發(fā)減量及氣味。

對閃蒸分離運用動態(tài)化原理，物料在橫向與重力的動態(tài)作用力下，與自下而上蒸汽進行氣液能量交換，分散運動的小分子物質(zhì)更容易被蒸汽及真空的作用力下閃蒸分離，從而提高樹脂熱穩(wěn)定性及產(chǎn)品的軟化點；同時也可以節(jié)約熱介質(zhì)的使用量，降低樹脂物料在局部高溫的熱影響，改善樹脂外觀色澤。閃蒸分離設(shè)備核心組成為成膜設(shè)施（見圖3）、導熱油夾套、筒體成膜縫、真空及蒸汽汽提設(shè)施。因此，該文主要針對局部質(zhì)量原理和動態(tài)化原理進行分析后，得到相對應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計啟發(fā)。

圖3 成膜設(shè)施

閃蒸分離設(shè)備整體優(yōu)化設(shè)計見圖4，上部為圓柱體形、下部為圓錐體形，整體高7 000 mm，直徑1 500 mm，筒體為雙夾套殼體，熱源由導熱油加熱裝置提供，殼體內(nèi)部設(shè)有溫度探頭及溫度控制傳感，以便精確控制加熱溫度，設(shè)備換熱面積約12 m2；物料由進料口上部進料后，由于重力作用向下流動，在變頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置帶動刮板轉(zhuǎn)動的情況下，均勻涂撥在圓柱形筒體內(nèi)表面，刮板與筒體間距3 mm～5 mm，導熱油控溫230 ℃～240 ℃，電機頻率30 Hz～40 Hz；設(shè)備口通入蒸汽，與物料混合后，增加物料-水汽的共沸效果；物料在下落過程中成膜并被離心，稀釋劑及小分子半聚物氣化后通過閃蒸分離設(shè)備氣象出口蒸發(fā)閃蒸出去，液體由物料出口流入下一級儲罐中。當裝置運行時，通過控制系統(tǒng)真空度、熱介質(zhì)導熱油溫度、刮板間距、成膜器電機轉(zhuǎn)速調(diào)整氣液分布比例，增加物料與熱量換熱效率，并促進了稀釋劑和小分子物質(zhì)物料的汽化；設(shè)備筒體表面有內(nèi)凹的成膜縫隙，其朝刮板旋轉(zhuǎn)方向反向彎曲，增加物料流動阻力，確保涂膜均勻。

圖4 閃蒸分離設(shè)備整體優(yōu)化設(shè)計

4 結(jié)語

QFD與TRIZ是發(fā)現(xiàn)和解決問題的工具，在產(chǎn)品的創(chuàng)新中具有很好的可操作性，能夠很準確地發(fā)現(xiàn)顧客的需求，抓住關(guān)鍵的技術(shù)特性，并依次轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的特性、工藝要求、生產(chǎn)要求，在設(shè)計的早期就關(guān)注到了風險，從而使設(shè)計方案更加符合市場需要，這在石油樹脂分離裝備的創(chuàng)新設(shè)計中得到驗證。鑒于矛盾矩陣中的工程參數(shù)，源于化工、機械、船舶、電子等很多領(lǐng)域的設(shè)計特性，因此，QFD和TRIZ集成具有很大的柔性，它的發(fā)明原理廣泛應用于各行業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新領(lǐng)域，為設(shè)計開發(fā)指明了方向，對新產(chǎn)品新裝備的開發(fā)及應用具有重要意義。