基于QFD 的采矿动力空气净化呼吸器产品设计研究

魏乐乐， 邵 将

（中国矿业大学 建筑与设计学院， 江苏 徐州 221116）

0 引言

井下高浓度粉尘作业环境中， 作业人员尘肺病发病率非常突出，佩戴动力空气净化呼吸器能有效减缓粉尘性职业病发病率[1]。 采矿动力空气净化呼吸器作为井下作业人员最基本的防护装备，起到呼吸安全与头部防护的作用， 具有广阔的应用前景。 在以用户为中心的产品设计中，质量功能展开（QFD）方法是分析用户需求，改善产品设计质量的优良方法之一。 但是在产品设计过程中QFD 无法判定设计方案和设计参数的满意度程度，而公理化（AD）设计则可有效地对设计需求和参数进行综合分析， 一定程度上可以弥补传统设计方法分析缺陷。 本文将在在传统的QFD 基础上结合AD 理论， 设计一款采矿动力空气净化呼吸器。

1 相关研究

质量功能展开（Quality Function Deployment，QFD）是日本学者Mizuno 和Akao 提出的一种方法，QFD 在新产品开发、 旧产品的改良升级以及精益研发过程当中起到非常重要的作用。 其方法流程是：多层次分析用户对产品的需求，将用户需求转化为产品设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求，用来指导产品设计[2]。QFD 在制造业和工程行业应用广泛，Wang 等[3]应用QFD 识别智能手机关键特征来预测电子产品营销要求和技术特征未来趋势。 Homkhiew 等[4]利用QFD 技术根据客户需求生产出家具设计方案原型。QFD 方法不仅适用于有形产品，也适用于服务等非有形产品上[5]。 Benner M 等[6]明确了QFD 在食品制造业中的使用方法，Dolgun 等[7]基于此对原味酸奶进行了案例研究，使用QFD 收集用户基于味道、气味和质地的新产品享受评级，更好地了解到客户的喜好。经过多年的发展，目前共有三种应用广泛的QFD 模式，分别为综合QFD 模式，ASI 模式，GOAL/OPC 模式[8]，目前，国内外学者广泛应用的是ASI 模式。

采矿动力空气净化呼吸器属于空气净化器研究范畴。 国外于20 世纪40 年代率先发明了负压式空气呼吸器，随后被拓展应用于医疗、煤矿、石油化工等领域；20 世纪初至20 世纪80 年代开始研制出正压呼吸器， 正压呼吸器凭借着安全系数高、 人机舒适性强的优势成为未来空气呼吸器发展的主要方向。 英国Racal-Amp-Livox[10]于上世纪七十年代研制了一种AH-1 型气流式防尘头盔，这种头盔不仅可以保护头部和眼睛， 而且还能保证工作人员吸入干净的空气， 为后来的呼吸防护类头盔的研制提供了一定的实践基础。

上世纪80 年代至今， 空气呼吸器设计技术与制造工艺逐渐成熟。 20 世纪70 年代末期，我国煤矿企业率先开始从国外引进负压式空气呼吸器，随后国外呼吸器产品相继进入中国，推动了我国空气呼吸器的迅速发展。 进入新世纪，我国空气呼吸器生产商初具规模，目前我国空气呼吸器发展较发达国家仍然存在一定差距，国外产品在用户佩戴舒适性与人机性能方面关注较多，部件的匹配度更加合理完善[11]，国内产品在某些关键核心部件设计以及材料选用方面仍然存在不足。虽然我国现有的井下个体防护产品产品总量上已经位居世界前列，但总体技术水平与国外相比，仍存在差距，产品低档次、同质化、低价竞争等现象普遍存在，设计能力和制造工艺水平有待大幅提升。

2 采矿动力空气净化呼吸器设计需求构建

2.1 基于层次分析法的用户需求权重分析

通过前期用户调查与用户访谈的内容，运用KJ 法对需求进行归纳整理，区分用户的需求层次，并构建用户需求层次结构，见图1。

图1 用户需求层次结构图

运用AHP 对用户需求权重分析。 首先构建判断矩阵A， 邀请相关行业专家对各层级两两元素重要度作出判别。式（1）中，aij为判断矩阵中i 指标相对于j 指标重要程度值，m 为层级指标数量。 判断矩阵中比较元素aij采用1～9 标度，该标度由数字1～9 及其倒数表示。

本文利用Matlab 软件计算判断矩阵的最大特征值（λmax）、一致性指标（CI）、一致性比值（CR）指标综合权重（W）。经计算，CR＜0.1，通过一致性检验，计算结果见表1。按照此方法计算子准则层权重，计算结果见表2。

表1 准则层判断矩阵及权重

表2 子准则层用户需求权重

通过表1、表2 权重结果分析得出：用户更加注重防护需求与功能需求， 注重产品的易用性与安全性以及实际使用过程中的产品的面部防护与呼吸防护。

2.2 采矿动力空气净化呼吸器设计需求分析

通过前期用户调查与用户访谈， 充分了解并分析用户需求后，需要进行用户需求到设计需求的转化。基于用户真实需求，进行用户需求到产品功能的映射，并对之后的产品功能进行聚类分析，最终从功能需求、人机需求、防护需求、结构外观四个方面构建产品设计需求见表3。

表3 采矿动力空气净化呼吸器设计需求

（续表3）

2.3 基于QFD 的采矿动力空气净化呼吸器设计需求分析

QFD 法作为一种基于用户需求展开产品设计的方法，在产品设计等各领域均有应用，其中设计需求是构建质量屋的关键因素之一。本文通过用户需求-设计需求建立质量屋模型并进行量化评价，构建出用户需求-设计需求关系矩阵，关系矩阵见表4，并计算权重值（其中◎表示“强”相关，取值为5，○表示“中”相关，取值为3，△表示“弱”相关，取值为1，空表示“不相关”，取值为0）。

图2 用户需求与设计需求的关系矩阵

从质量屋结果分析得出：气密性好，隔绝外部灰尘、风机供风量满足标准、满足照明环境、具有气体检测功能是产品功能部分设计重点；贴合头部，头围可调节、面部防雾，视野开阔、矿灯可拆卸可调节角度为人机需求设计重点；外壳坚固耐冲击、内衬材料无毒无害、有害气体检测为防护需求设计重点；产品造型简洁大方、装配方便，产品工作效率高为结构外观部分设计重点。 采矿动力空气净化呼吸器结构及零部件设计按以上设计要素展开。

2.4 基于AD 的采矿动力空气净化呼吸器设计参数分析

公理化设计（Axiomatic Design，AD）过程是以用户需求为驱动的域之间的映射过程， 并在映射过程中利用独立性公理和信息公理来判断设计的合理性和最优解，从而将设计问题逐步解决。 该理论由美国麻省理工学院SUH 教授1900 年提出。

本文将QFD 分析得到的重要度较高的设计需求定义为AD 中的功能需求，并提出相应设计参数。 例如：将气密性好、 隔绝外部灰尘与风机供风量满足标准合并为动力送风功能，并提出风机过滤器单元（FFU）与外部电源两设计参数，详细功能需求与设计参数见表4。 运用公理设计理论独立性公理进行设计参数检验。 将功能需求FR 与设计参数DP 进行映射，检验是否满足独立性公理，经检验， 得到非耦合设计对角矩阵， 检验满足独立性公理，设计参数是可接受的。

表4 功能需求和设计参数对照表

3 采矿动力空气净化呼吸器产品设计实践

本设计主要设计目标是空气净化以及头部面部的防护，能更好的满足矿下粉尘性环境作业要求，根据上一阶段分析整合得出采矿动力空气净化呼吸器产品设计方案。产品使用时，首先将采矿动力空气净化呼吸器主体置于头顶进行佩戴，将调节旋钮调节至松紧舒适状态。打开供电电源开关，风机过滤器单元（FFU）开始转动，空气进入除尘过滤层进行空气净化，通过送风管路输送到面部。

该产品主要由呼吸与防护系统、 动力送风系统和供电电源三部分组成。呼吸与防护系统包括除尘过滤层、防爆矿灯组成，产品使用方便，密闭性优良；动力送风系统包括滤尘组件与动力组件和送风管路， 滤尘过程通过除尘过滤层过滤粉尘颗粒，并由风机过滤器单元（FFU）通过送风管路送至面部。 除此之外， 具有有害气体检测功能，实时测定井下空气环境进行风险预警；在人机与舒适度优化方面，由于地区人种的差异，亚洲人的头型比较圆而饱满，欧美人头型相对较窄，本设计主体外壳尺寸采用采用亚洲版头盔人机尺寸标准进行设计， 更加贴合中国人头部造型，并以此展开头盔内衬等各部件的设计。可拆卸矿灯区设置于聚碳酸酯透明面板上， 避免了传统壳体穿孔固定的方式，增加了产品顶部的抗冲击性；可调节衬带可根据不同头围进行松紧调节；下颏带贴合面部，防止气体泄漏，保障了罩内气体的清洁；独立外置供电电源工作时放于腰间，通过电源线与风机过滤器单元（FFU）电路相连，区别于传统鼻前式与后背管路式送风方式，有效降低矿工长时间携带防尘设备的载荷，减少体能消耗。具体产品设计效果图见图3。

图3 设计效果图

4 结束语

本文引用QFD 理论方法设计了一款采矿动力空气净化呼吸器。通过构建用户需求在功能、人机、造型上的质量屋模型，并引入AD 理论细化设计需求与设计参数，获取产品设计重点， 弥补了传统QFD 对设计参数与方案分析的缺陷。 本设计在产品功能、舒适性及人机关系方面做了优化调整，改善了现有通用性产品的不足之处，设计出更加符合井下环境的矿用呼吸器，相较于传统自吸过滤式空气净化呼吸器及自给式空气净化呼吸器应用将更加广泛。