基于QFD 的采礦動力空氣凈化呼吸器產(chǎn)品設計研究

魏樂樂， 邵 將

（中國礦業(yè)大學 建筑與設計學院， 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]。 采礦動力空氣凈化呼吸器作為井下作業(yè)人員最基本的防護裝備，起到呼吸安全與頭部防護的作用， 具有廣闊的應用前景。 在以用戶為中心的產(chǎn)品設計中，質(zhì)量功能展開（QFD）方法是分析用戶需求，改善產(chǎn)品設計質(zhì)量的優(yōu)良方法之一。 但是在產(chǎn)品設計過程中QFD 無法判定設計方案和設計參數(shù)的滿意度程度，而公理化（AD）設計則可有效地對設計需求和參數(shù)進行綜合分析， 一定程度上可以彌補傳統(tǒng)設計方法分析缺陷。 本文將在在傳統(tǒng)的QFD 基礎上結(jié)合AD 理論， 設計一款采礦動力空氣凈化呼吸器。

1 相關研究

質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是日本學者Mizuno 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)品設計要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求，用來指導產(chǎn)品設計[2]。QFD 在制造業(yè)和工程行業(yè)應用廣泛，Wang 等[3]應用QFD 識別智能手機關鍵特征來預測電子產(chǎn)品營銷要求和技術特征未來趨勢。 Homkhiew 等[4]利用QFD 技術根據(jù)客戶需求生產(chǎn)出家具設計方案原型。QFD 方法不僅適用于有形產(chǎn)品，也適用于服務等非有形產(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)外學者廣泛應用的是ASI 模式。

采礦動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40 年代率先發(fā)明了負壓式空氣呼吸器，隨后被拓展應用于醫(yī)療、煤礦、石油化工等領域；20 世紀初至20 世紀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、 人機舒適性強的優(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， 為后來的呼吸防護類頭盔的研制提供了一定的實踐基礎。

上世紀80 年代至今， 空氣呼吸器設計技術與制造工藝逐漸成熟。 20 世紀70 年代末期，我國煤礦企業(yè)率先開始從國外引進負壓式空氣呼吸器，隨后國外呼吸器產(chǎn)品相繼進入中國，推動了我國空氣呼吸器的迅速發(fā)展。 進入新世紀，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性能方面關注較多，部件的匹配度更加合理完善[11]，國內(nèi)產(chǎn)品在某些關鍵核心部件設計以及材料選用方面仍然存在不足。雖然我國現(xiàn)有的井下個體防護產(chǎn)品產(chǎn)品總量上已經(jīng)位居世界前列，但總體技術水平與國外相比，仍存在差距，產(chǎn)品低檔次、同質(zhì)化、低價競爭等現(xiàn)象普遍存在，設計能力和制造工藝水平有待大幅提升。

2 采礦動力空氣凈化呼吸器設計需求構(gòu)建

2.1 基于層次分析法的用戶需求權重分析

通過前期用戶調(diào)查與用戶訪談的內(nèi)容，運用KJ 法對需求進行歸納整理，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

運用AHP 對用戶需求權重分析。 首先構(gòu)建判斷矩陣A， 邀請相關行業(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 指標相對于j 指標重要程度值，m 為層級指標數(shù)量。 判斷矩陣中比較元素aij采用1～9 標度，該標度由數(shù)字1～9 及其倒數(shù)表示。

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

表1 準則層判斷矩陣及權重

表2 子準則層用戶需求權重

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

2.2 采礦動力空氣凈化呼吸器設計需求分析

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，需要進行用戶需求到設計需求的轉(zhuǎn)化?；谟脩粽鎸嵭枨螅M行用戶需求到產(chǎn)品功能的映射，并對之后的產(chǎn)品功能進行聚類分析，最終從功能需求、人機需求、防護需求、結(jié)構(gòu)外觀四個方面構(gòu)建產(chǎn)品設計需求見表3。

表3 采礦動力空氣凈化呼吸器設計需求

（續(xù)表3）

2.3 基于QFD 的采礦動力空氣凈化呼吸器設計需求分析

QFD 法作為一種基于用戶需求展開產(chǎn)品設計的方法，在產(chǎn)品設計等各領域均有應用，其中設計需求是構(gòu)建質(zhì)量屋的關鍵因素之一。本文通過用戶需求-設計需求建立質(zhì)量屋模型并進行量化評價，構(gòu)建出用戶需求-設計需求關系矩陣，關系矩陣見表4，并計算權重值（其中◎表示“強”相關，取值為5，○表示“中”相關，取值為3，△表示“弱”相關，取值為1，空表示“不相關”，取值為0）。

圖2 用戶需求與設計需求的關系矩陣

從質(zhì)量屋結(jié)果分析得出：氣密性好，隔絕外部灰塵、風機供風量滿足標準、滿足照明環(huán)境、具有氣體檢測功能是產(chǎn)品功能部分設計重點；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)角度為人機需求設計重點；外殼堅固耐沖擊、內(nèi)襯材料無毒無害、有害氣體檢測為防護需求設計重點；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)外觀部分設計重點。 采礦動力空氣凈化呼吸器結(jié)構(gòu)及零部件設計按以上設計要素展開。

2.4 基于AD 的采礦動力空氣凈化呼吸器設計參數(shù)分析

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

本文將QFD 分析得到的重要度較高的設計需求定義為AD 中的功能需求，并提出相應設計參數(shù)。 例如：將氣密性好、 隔絕外部灰塵與風機供風量滿足標準合并為動力送風功能，并提出風機過濾器單元（FFU）與外部電源兩設計參數(shù)，詳細功能需求與設計參數(shù)見表4。 運用公理設計理論獨立性公理進行設計參數(shù)檢驗。 將功能需求FR 與設計參數(shù)DP 進行映射，檢驗是否滿足獨立性公理，經(jīng)檢驗， 得到非耦合設計對角矩陣， 檢驗滿足獨立性公理，設計參數(shù)是可接受的。

表4 功能需求和設計參數(shù)對照表

3 采礦動力空氣凈化呼吸器產(chǎn)品設計實踐

本設計主要設計目標是空氣凈化以及頭部面部的防護，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力空氣凈化呼吸器產(chǎn)品設計方案。產(chǎn)品使用時，首先將采礦動力空氣凈化呼吸器主體置于頭頂進行佩戴，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，風機過濾器單元（FFU）開始轉(zhuǎn)動，空氣進入除塵過濾層進行空氣凈化，通過送風管路輸送到面部。

該產(chǎn)品主要由呼吸與防護系統(tǒng)、 動力送風系統(tǒng)和供電電源三部分組成。呼吸與防護系統(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；動力送風系統(tǒng)包括濾塵組件與動力組件和送風管路， 濾塵過程通過除塵過濾層過濾粉塵顆粒，并由風機過濾器單元（FFU）通過送風管路送至面部。 除此之外， 具有有害氣體檢測功能，實時測定井下空氣環(huán)境進行風險預警；在人機與舒適度優(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，本設計主體外殼尺寸采用采用亞洲版頭盔人機尺寸標準進行設計， 更加貼合中國人頭部造型，并以此展開頭盔內(nèi)襯等各部件的設計?？刹鹦兜V燈區(qū)設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；獨立外置供電電源工作時放于腰間，通過電源線與風機過濾器單元（FFU）電路相連，區(qū)別于傳統(tǒng)鼻前式與后背管路式送風方式，有效降低礦工長時間攜帶防塵設備的載荷，減少體能消耗。具體產(chǎn)品設計效果圖見圖3。

圖3 設計效果圖

4 結(jié)束語

本文引用QFD 理論方法設計了一款采礦動力空氣凈化呼吸器。通過構(gòu)建用戶需求在功能、人機、造型上的質(zhì)量屋模型，并引入AD 理論細化設計需求與設計參數(shù)，獲取產(chǎn)品設計重點， 彌補了傳統(tǒng)QFD 對設計參數(shù)與方案分析的缺陷。 本設計在產(chǎn)品功能、舒適性及人機關系方面做了優(yōu)化調(diào)整，改善了現(xiàn)有通用性產(chǎn)品的不足之處，設計出更加符合井下環(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用將更加廣泛。