基于QFD产品设计方法的动态机械载荷试验设备研究

2018-06-14卢小犇程云斌范海艇屠淳

机械工程师 2018年6期

卢小犇，程云斌，范海艇，屠淳

（上海市质量监督检验技术研究院上海201112）

0 引言

近年来，随着国家大力发展光伏产业以及行业的日益成熟，每年光伏组件的总装机容量都在增加，安装地区和使用范围也越来越广，相继而来的就是光伏组件制造商和使用者对于产品的性能要求也越来越严格。针对光伏组件的动态机械载荷试验，新颁布的IEC 62782给出了比较全面系统的测试方法，但是目前市场上能够完全满足新标准要求的设备还是处于探索阶段。本文通过产品设计方法QFD对光伏组件动态机械载荷试验设备进行顾客需求的分析研究，为设备的研制开发提供优化可行的设计方案。

1 动态机械载荷试验设备介绍

目前IEC61215/IEC61646标准中机械载荷试验主要模拟组件经受风（建筑一体化组件）、雪或覆冰等静态载荷的情况，考核组件在静止不变的压力下是否可靠。实际环境中，组件在经历强风时所引发的晃动，会使得组件经受正反两个方向交替受压，从而产生动态载荷。动态机械载荷更容易引发材料疲劳，特别是电池片和汇流条的失效[15]。因此新颁布的IEC 62782则针对光伏组件的这一重要机械特性给出了比较完整的动态机械载荷试验方法：总共对光伏组件施加1000次动态机械载荷循环，过程中的最大压力为±1000 Pa，在最大压力下保持至少（7±3）s，测试频率为每分钟1~3个循环，在测试过程中需要检测组件的电路连续性。

经过一段时间的调研走访发现，国内市场上还没有出现完全符合测试要求的设备，绝大多数仪器厂商也都处于对设备的摸索研发阶段，因此我们需要自己设计研发检测设备来达到项目的需求，因此需要运用产品设计理论对设备进行设计研发[11]。

2 QFD基本理论

质量功能展开（Quality Function Deployment,QFD）作为一种面向顾客需求的产品开发设计方法，是一种将顾客需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法，使所涉及和制造的产品能真正地满足顾客需求[4]。QFD的优势在于努力发掘顾客需求，在减少设计时间和制造成本的基础上提高产品质量和客户满意度。

QFD是通过一系列图表和矩阵来完成的，核心内容是各个阶段的“需求转换”，而实施这个过程的工具就是质量屋（House of Quality,HOQ）[5]。质量屋（HOQ）是一种直观的矩阵框架表达形式，一个完整的质量屋包括六大部分：顾客需求、技术需求、关系矩阵、竞争分析、屋顶和技术评估。QFD就是通过质量屋量化工程上各种直接技术特性和间接技术特性的值[2,14]。质量屋中包含了顾客的需求特性以及此类特性的重要性信息，同时又包含了与以上各类特性相关的工程技术特性信息和相互关系的信息，因此可以借此分析判断该技术特性是否符合客户要求，同时也可以确定质量改进所在[3,12]。

3 动态机械载荷试验设备的QFD分析结果

3.1 顾客需求获取

在大量查阅与有关试验设备设计相关的文献的基础上，邀请5位专家和检测工程师，召开头脑风暴会议，采用5W1H方法，提炼具体的顾客需求，并且运用亲和图（KJ）法进行需求归类，如图1所示[6,10]。

3.2 需求层次化分析

经过整理后，将图1中的顾客需求根据“一次水平需求”、“二次水平需求”和“三次水平需求”相应的填入，整理成顾客需求展开表，如表1所示[7]。

图1 亲和图

3.3 需求重要度排序

在确定了动态机械载荷试验设备顾客需求之后，运用层次分析（AHP）法，计算每一层次的顾客需求重要度。具体的步骤如下：

1）步骤1：建立比较矩阵。以上一层次需求为基准，对每一层次的两两需求之间进行评分。评分方式见表2。

各层次需求之间的评分结果如表3~表8所示。

2）步骤2：计算每一层相对于其父层的权重和一致性检验。以第一层次需求和第二层次需求为例，根据表3的比较矩阵评分，得到比较矩阵A：

表2 AHP法中两项比较值及其含义

表3 比较矩阵1

表4 比较矩阵2

表5 比较矩阵3

表6 比较矩阵4

表7 比较矩阵5

表8 比较矩阵6

a.求解矩阵的最大特征值近似值。借助MATLAB软件，求得该矩阵的最大特征根为λmax=5.24,特征向量归一化值

b.计算一致性指标C.I.。

其中，n为矩阵的阶数。

c.计算一致性率C.R.。根据表9，RI的取值表可得，RI=1.12，C.R.=C.I./R.I.=0.06/1.12=0.05＜0.1,通过一致性检验。其中（0.129,0.513,0.261,0.064,0.033）分别是（Q1,Q2,Q3,Q4,Q5）对于QR（动态机械载荷试验设备性能好）的标准权重，按照上述计算步骤，对第三层次需求相对于第二层次需求的权重依次进行计算，可得第三层次需求相对于第一层次需求的权重，即每个需求在整个体系中的重要度，经过图表处理后，如图2所示。

图2 结果分析表

表9 RI的取值表（随机一致性指标）

经QFD分析可知，动态机械载荷试验设备的设计中，需将“试验板变形后试验机仍对其受力均匀”作为最为重要的设计目标进行结构设计[8-9]。

4 结论

产品开发人员可以根据客户需求重要度的排序，确定一套较为优化的、可行的，并且充分满足顾客需求的动态机械载荷试验设备设计方案。对于重要度高的客户需求，例如：试验板变形后仍受力均匀、试验板双向加压、保证测试循环次数、数据准确度高、保证极限压力下的测试时间等参数，产品开发人员要着重进行研究和设计；而对于那些重要度不高的客户需求，例如：价格低、信号传送速度快等，研究人员不必对此花费过多精力[15]。由此可见，对动态机械载荷试验机的顾客需求进行详细深入的分析之后，可以为后续的技术特性研究提供数据基础，在设计之初就保障了产品的质量，满足了顾客的需求。

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