楊博，王文學(xué)，梁龍，霍躍欽，喬玉聰，張瑞，翁承

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西，西安，710018）

摘要：隨著我國鋼鐵行業(yè)向高端化、智能化轉(zhuǎn)型，首臺(tái)套設(shè)備研發(fā)中的正向設(shè)計(jì)能力成為行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。文中連鑄核心設(shè)備撈鋼機(jī)為研究對(duì)象，系統(tǒng)應(yīng)用六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）方法論，通過ICDOV流程實(shí)現(xiàn)從客戶需求到工程參數(shù)的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化。通過六西格瑪方法的概述與分析，優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)撈鋼機(jī)，提升鉤升降防撞和吊鉤防撞優(yōu)化，車體停止精度檢測(cè)元件優(yōu)化改進(jìn)，車體控制精度由±30mm左右，改進(jìn)到±10mm以內(nèi)，并對(duì)創(chuàng)新方法在連鑄領(lǐng)域的持續(xù)深入應(yīng)用進(jìn)行了展望。本文為連鑄設(shè)備的正向設(shè)計(jì)提供了可復(fù)用的創(chuàng)新工具鏈，對(duì)推動(dòng)鋼鐵行業(yè)降本增效具有顯著工程價(jià)值。

關(guān)鍵詞：撈鋼機(jī)；連鑄設(shè)備；六西格瑪；正向設(shè)計(jì);質(zhì)量功能展開

0 前言

六西格瑪理論產(chǎn)生于摩托羅拉，并在GE得到長足發(fā)展，給歐美很多企業(yè)帶來了巨大的收益，也為我國企業(yè)樹立了眾多成功的典范。六西格瑪設(shè)計(jì)方法是一種正向、精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，在歐美等公司取得良好的效果。我國企業(yè)引入六西格瑪不能照搬國外的成功模式，而是應(yīng)該結(jié)合自身狀況和六西格瑪?shù)闹笇?dǎo)思想建立一套適合自身發(fā)展的六西格瑪方法。對(duì)于我國軍工行業(yè)開展新一代裝配的自主創(chuàng)新研制、并向“高、精、尖”發(fā)展具有良好的借鑒意義，同時(shí)在船舶領(lǐng)域以及汽車領(lǐng)域得到一定發(fā)展^[1]~[5]。

目前，鋼鐵行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，各企業(yè)都在努力提高管理水平和生產(chǎn)效率來提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。而精益六西格瑪方法作為解決企業(yè)瓶頸問題方法之一，是降本增效和提升生產(chǎn)效率的有效方式。目前，國內(nèi)在這方面的實(shí)踐應(yīng)用較多，各公司基于自身特點(diǎn)開展實(shí)踐探索。例如，寶鋼展開六西格瑪精益運(yùn)營體系，解決浪費(fèi)問題；馬鋼運(yùn)用精益六西格瑪方法降低設(shè)備故障等。多家企業(yè)圍繞瓶頸工序產(chǎn)能挖掘、重點(diǎn)產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)、成本費(fèi)用降低以及管理業(yè)務(wù)效能效率提升等內(nèi)容，取得良好效果^[6]~[8]。

1 六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）的流程

六西格瑪精細(xì)化正向設(shè)計(jì)，以下簡(jiǎn)稱 DFSS ( Design for Six Sigma) ，強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)的早期倡導(dǎo)顧客至上的理念，采用過程分析實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，以滿足客戶需求并減少缺陷。

六西格瑪設(shè)計(jì)的流程有很多，大部分流程包括定義、測(cè)量、分析、識(shí)別、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。因?yàn)榱鞲瘳斣O(shè)計(jì)大多數(shù)情況都是針對(duì)新產(chǎn)品和新工藝，因此去掉測(cè)量和分析階段，從識(shí)別階段開始進(jìn)入設(shè)計(jì)更為合理，本文采用ICDOV五個(gè)階段進(jìn)行研究與應(yīng)用。

六西格瑪設(shè)計(jì)的ICDOV流程中的詳細(xì)內(nèi)容和支持工具如表1所示。表1中對(duì)ICDOV流程進(jìn)行了歸納總結(jié)。

表1 六西格瑪設(shè)計(jì)流程和工具

六西格瑪設(shè)計(jì)在質(zhì)量和成本方面有較為突出的作用。

(1)質(zhì)量方面

產(chǎn)品的質(zhì)量分別與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)控制有關(guān)，而影響產(chǎn)品質(zhì)量最多的則是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段的微小改進(jìn)，最終產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)大幅提升。

(2)成本方面

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)隨著開發(fā)階段的深入，成本是不斷增加的，因此雖然設(shè)計(jì)階段成本較低，但是后續(xù)成本越來越高且不好控制。六西格瑪設(shè)計(jì)則與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相反，產(chǎn)品研發(fā)階段需要投入較多，需要考慮到各種可能發(fā)生的情況，這就意味著產(chǎn)品后續(xù)階段改動(dòng)少，迭代少，可以大幅減少設(shè)計(jì)更改所產(chǎn)生的費(fèi)用。

2 六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）在機(jī)撈鋼機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

撈鋼機(jī)是方坯或矩形坯連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)的重要中轉(zhuǎn)設(shè)備，其自身設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理和控制策略直接影響出坯效率，關(guān)系到連鑄生產(chǎn)節(jié)奏。其主要功能是將定尺切割后的大方坯或矩形坯運(yùn)送到步進(jìn)冷床、鑄坯移送裝置或存放臺(tái)架上。撈鋼機(jī)主要由車體、行走驅(qū)動(dòng)裝置、從動(dòng)輪裝置、提升鉤架裝置、提升驅(qū)動(dòng)裝置、行走及升降位置檢測(cè)裝置和電纜牽引裝置等組成^[9]~[15]。

撈鋼機(jī)作為一個(gè)成熟設(shè)備，本文通過六西格瑪?shù)恼騼?yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)撈鋼機(jī)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)改進(jìn)，優(yōu)化撈鋼機(jī)運(yùn)行時(shí)間，降低故障率等，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本和能耗。并以此為切入點(diǎn)，在連鑄現(xiàn)有設(shè)備特別是在創(chuàng)新型設(shè)備和首臺(tái)套設(shè)備的研發(fā)上使創(chuàng)新理論方法與工程問題相融合，形成具有針對(duì)性的復(fù)合型創(chuàng)新理論工具，提高行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

以下從識(shí)別階段的需求分析和概念階段的概念設(shè)計(jì)以及架構(gòu)設(shè)計(jì)，到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和優(yōu)化階段五個(gè)方面入手，并從需求、概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)階段的質(zhì)量功能展開（QFD）進(jìn)行深入分析，優(yōu)化和改進(jìn)撈鋼機(jī)設(shè)計(jì)。

2.1識(shí)別階段QFD

在識(shí)別階段，通過找準(zhǔn)利益相關(guān)方，積極準(zhǔn)確獲取顧客的需求，并對(duì)此進(jìn)行識(shí)別和分析，結(jié)合場(chǎng)景識(shí)別、VOC分析和卡諾模型等找出重要的顧客需求，通過對(duì)需求的親和整理，將顧客需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求，以及根據(jù)技術(shù)要求提出具體的目標(biāo)值。如表2所示。

表2 識(shí)別階段需求定義

在六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）中，質(zhì)量功能展開扮演著重要角色^[16]，它將模糊的客戶需求轉(zhuǎn)化為具體、可量化的技術(shù)指標(biāo)。

在需求和技術(shù)要求識(shí)別階段質(zhì)量功能展開（QFDⅠ）中^[17]，質(zhì)量屋左墻為需求，頂部為技術(shù)指標(biāo)，中間部分為相關(guān)程度，右側(cè)為需求充分性檢查評(píng)分，下部為技術(shù)指標(biāo)重要度加權(quán)評(píng)分，詳見表 3。通過質(zhì)量屋的分析找出對(duì)滿足顧客需求貢獻(xiàn)最大的工程措施，即關(guān)鍵質(zhì)量特性，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員抓住主要矛盾，開發(fā)出滿足顧客需求的產(chǎn)品。

通過表3識(shí)別階段質(zhì)量功能展開（QFDⅠ）分析可以得出，我們必須嚴(yán)格控制設(shè)備重量以達(dá)到控制成本的要求，務(wù)必滿足撈鋼機(jī)起重能力的同時(shí)，自動(dòng)化控制程度是顧客的極大需求。但是自動(dòng)化程度高，成本必然升高；提高了起重能力，設(shè)備重量務(wù)必提高，都會(huì)提高成本。因此，我們?cè)谧龇治鰰r(shí)，必須設(shè)定項(xiàng)目目標(biāo)以及對(duì)比標(biāo)桿，通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析等，更準(zhǔn)確的確定“設(shè)計(jì)目標(biāo)”，以提高項(xiàng)目的成功率。

表3 識(shí)別階段質(zhì)量功能展開（QFDⅠ）

根據(jù)識(shí)別階段質(zhì)量功能展開（QFDⅠ）技術(shù)重要度的分析，我們提出了初步的設(shè)計(jì)質(zhì)量表，如圖4所示。

表4 識(shí)別階段設(shè)計(jì)質(zhì)量表

在六西格瑪?shù)淖R(shí)別階段，通過找準(zhǔn)利益相關(guān)方，經(jīng)過充分的需求分析，并轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求。再由質(zhì)量功能展開，確定出重要的技術(shù)指標(biāo)，提出設(shè)備質(zhì)量表。為概念設(shè)計(jì)階段做好充分準(zhǔn)備。

2.2概念設(shè)計(jì)QFD

通過關(guān)鍵技術(shù)檢索、概念相容性評(píng)估等工具實(shí)現(xiàn)顧客需求向功能、結(jié)構(gòu)等方面轉(zhuǎn)化，并生成概念設(shè)計(jì)方案。在生成概念時(shí)，有基于關(guān)鍵技術(shù)的初步概念以及基于TRIZ的創(chuàng)新方案。通過PUGH矩陣評(píng)估，選擇優(yōu)選概念組合。結(jié)合優(yōu)選概念，進(jìn)行單一和多場(chǎng)景分析確定產(chǎn)品的具體功能要求，最終進(jìn)行功能分析，對(duì)概念進(jìn)行重要度識(shí)別，即概念階段質(zhì)量功能展開（QFDⅡ）。

表5 概念階段質(zhì)量功能展開（QFDⅡ）

通過表3 識(shí)別階段質(zhì)量功能展開（QFDⅠ）分析，結(jié)合表5 概念階段質(zhì)量功能展開（QFDⅡ）分析可以得出，傳統(tǒng)撈鋼機(jī)提升鉤不具備防撞功能，在誤操作以及檢測(cè)不準(zhǔn)的情況下，提升鉤的損壞會(huì)嚴(yán)重影響撈鋼機(jī)的工作效率。因此提升鉤防撞和橫移位置的檢測(cè)的改進(jìn)成為撈鋼機(jī)一項(xiàng)重要工作。橫移位置檢測(cè)功能性能提升后，橫移的防撞也將同時(shí)得到解決。

2.3架構(gòu)設(shè)計(jì)QFD

架構(gòu)設(shè)計(jì)是功能和結(jié)構(gòu)映射的反復(fù)迭代過程，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)可以是全新的開發(fā)的，具備獨(dú)創(chuàng)性的，也可以是在現(xiàn)有構(gòu)架基礎(chǔ)上改進(jìn)的。在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過質(zhì)量功能展開（QFDⅢ），實(shí)現(xiàn)功能要求到結(jié)構(gòu)要求的轉(zhuǎn)換。

通過表6 構(gòu)架設(shè)計(jì)階段質(zhì)量功能展開（QFDⅢ）分析可以得出，橫移電機(jī)、提升電機(jī)為重要選型部件，同時(shí)橫移和提升的制動(dòng)情況，以及檢測(cè)元件和車體結(jié)構(gòu)都需在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮。車體結(jié)構(gòu)方面，務(wù)必穩(wěn)定可靠，這是撈鋼機(jī)正常工作的前提條件。實(shí)現(xiàn)撈鋼機(jī)的各項(xiàng)功能，供電系統(tǒng)必須穩(wěn)定，同時(shí)位置檢測(cè)系統(tǒng)同樣可靠，才能實(shí)現(xiàn)撈鋼機(jī)的整體工藝需求。

在撈鋼機(jī)的各部件之間，部件與外界之間都存在各種聯(lián)系。在設(shè)計(jì)階段，確保部件與部件之間以及部件與外界之間的聯(lián)系類型，邊界清晰，沒有遺漏，以提高架構(gòu)設(shè)計(jì)的完善性。

在構(gòu)架設(shè)計(jì)階段質(zhì)量功能展開（QFDⅢ）分析時(shí)，可以沿著不同的發(fā)展方向，在需求域、功能域以及工藝域等不同領(lǐng)域進(jìn)行展開。在架構(gòu)的子架構(gòu)即零組件方向進(jìn)一步向下分解，盡可能識(shí)別功能和結(jié)構(gòu)的需求，同時(shí)運(yùn)用FMECA等風(fēng)險(xiǎn)分析工具，找出產(chǎn)品在功能及硬件設(shè)計(jì)中所有可能得故障模式、原因以及影響，并針對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施。

表6 架構(gòu)設(shè)計(jì)階段質(zhì)量功能展開（QFDⅢ）

2.4設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，將識(shí)別關(guān)鍵、重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過功能流程圖和功能分配圖，找出每個(gè)變量的控制因子，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)通過風(fēng)險(xiǎn)分析確定設(shè)計(jì)潛在的失效模式，提前規(guī)避。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步依托專家團(tuán)隊(duì)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量功能展開（QFDⅣ）完成重要零組件結(jié)構(gòu)要求向設(shè)計(jì)參數(shù)的轉(zhuǎn)化。通過一系列的工具如DFX、硬件FMECA等，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少錯(cuò)誤，提高設(shè)備的可靠性。比如在硬件FMECA中，通過優(yōu)選電機(jī)，減少因電機(jī)損壞導(dǎo)致的停工停產(chǎn)；通過線路防護(hù)，提高電機(jī)供電的穩(wěn)定性。

2.5優(yōu)化階段

針對(duì)設(shè)計(jì)出來的初步產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵重要設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化與容差設(shè)計(jì)，得到更優(yōu)選的方案。

可以包括以下幾個(gè)方面：

設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化：對(duì)高效撈鋼機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其穩(wěn)定性和可靠性，如優(yōu)化材料選擇、減輕重量、提高強(qiáng)度等。通過軟件計(jì)算分析，設(shè)計(jì)車體優(yōu)選寬高比，在車體減重的同時(shí)，保持良好的強(qiáng)度和剛度。通過防錯(cuò)設(shè)計(jì)，改進(jìn)提升鉤形式，優(yōu)化升降防撞和提升鉤防撞功能。

傳動(dòng)裝置優(yōu)化：優(yōu)化高效撈鋼機(jī)的傳動(dòng)裝置，如采用更高效的傳動(dòng)方式、減少能量損失等。通過優(yōu)選電機(jī)功率和減速機(jī)速比，在保持高效傳動(dòng)的情況下，降低高轉(zhuǎn)速對(duì)設(shè)備的沖擊，降低事故率。

控制系統(tǒng)改進(jìn)：改進(jìn)高效撈鋼機(jī)的控制系統(tǒng)，如提高響應(yīng)速度、優(yōu)化控制算法等。優(yōu)選檢測(cè)元器件，比如采用激光測(cè)距代替接近開關(guān)或者編碼器，提升車體到位精度檢測(cè)，降低拉鋼機(jī)發(fā)生事故的概率，提升效率。采用接近開關(guān)檢測(cè)，車體控制精度一般在±30mm左右；采用激光測(cè)距，車體控制精度控制在±10mm以內(nèi)。

自動(dòng)化程度提升：增加高效撈鋼機(jī)的自動(dòng)化程度，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

3 結(jié)束語

通過六西格瑪?shù)恼騼?yōu)化設(shè)計(jì)，從源頭分析利益相關(guān)方需求，通過各階段質(zhì)量屋分析，撈鋼機(jī)從需求到技術(shù)要求，從技術(shù)要求到功能要求，從功能要求到技術(shù)參數(shù)的逐層轉(zhuǎn)化。

a.持續(xù)改進(jìn)撈鋼機(jī)車體結(jié)構(gòu)，提升鉤升降防撞和吊鉤防撞優(yōu)化；

b.車體停止精度檢測(cè)元件優(yōu)化改進(jìn)，車體控制精度由±30mm左右，改進(jìn)到±10mm以內(nèi)。

通過六西格瑪?shù)恼騼?yōu)化設(shè)計(jì)，積極從操作人員、維護(hù)人員和其他利益相關(guān)者那里收集反饋，了解他們對(duì)改進(jìn)措施的看法和建議，我們可以更加系統(tǒng)、有效地進(jìn)行高效撈鋼機(jī)持的續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)性能的大幅提升，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本和能耗。這不僅有助于增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，還有助于提升整個(gè)行業(yè)的水平。

同時(shí)，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，我們加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)成員之間的溝通與協(xié)作，不僅提升了共同解決問題能力，還加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力。團(tuán)隊(duì)成員的技能和知識(shí)水平對(duì)項(xiàng)目的成功至關(guān)重要，因此我們需要加強(qiáng)對(duì)團(tuán)隊(duì)成員的培訓(xùn)和發(fā)展。

在面對(duì)快速變化的市場(chǎng)環(huán)境時(shí)，六西格瑪管理將更加注重創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，通過持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新來提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。六西格瑪?shù)膽?yīng)用也為企業(yè)提供了一套科學(xué)、系統(tǒng)的質(zhì)量管理方法，有助于提升企業(yè)的整體水平。

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