基于QFD和FKM的自走式青贮饲料收获机设计研究

苏晨,曹剑 ,贺成柱,阮荣辉

(1.湖北工业大学工业设计学院，湖北 武汉，430068;2.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

近年来，随着我国畜牧业迅速发展及农业产业结构的不断调整，青贮作物种植面积逐步扩大[1-3]，青贮饲料因具有调制方便、储存期长、养分保存率高、可供牲畜全年饲喂及缓解供需矛盾等优点而备受人们关注[4-7]，但其因收获配套设施不完善，长期以来影响着草牧业的快速发展.

目前，国内青贮收获机械按结构主要分为牵引式、自走式及悬挂式3种[8-11]，虽形式不同，但均存在：(1)大多数设备青贮收获、打捆分开进行，作业方式单一，劳动强度高，严重影响作业效率和饲料存储质量；(2)设计过度依赖现有设备，限制了创新性，导致同质化严重[12]，无法较好匹配市场发展与用户需求.据此，本文提出一种集收获、打捆一体化的高效作业方式，以市场和用户为驱动对新设备进行设计，将用户需求映射为设计属性，据此进行新产品的开发设计.

质量功能展开(quality function deployment，QFD)理论是一种将顾客或市场的要求转化为设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求的多层次演绎分析方法，一直是产品设计研究的热点[13-15].模糊Kano模型(fuzzy-Kano model，FKM)是在传统 Kano模型不能精确反映用户实际体验与需求的问题基础上，提出利用模糊数值来表示用户的感受[16-18]，从而更精确地捕捉用户实际情感及重点需求.2种方法各有优势，通过两者结合更有助于新产品开发.Dionicio Neira-Rodado等[19]，通过客户需求向产品特性的转化，设计了老年人髋关节置换手术辅助设备.Lee等[20]通过PLM系统开发实例，说明了该方法的适用性和易用性.Shwetank Avikal等[21]以运动型多用途车为例，结合两种方法，对汽车审美属性进行优化、选择和对比，得出了满足汽车设计的美学属性，供设计者参考.

但目前还未见将此方法应用在农机产品开发领域,很少有以用户需求为驱动的方法解决农机设计问题，通常是以某一机型为基础完成设备改进，忽略了用户实际需求，从而导致设备过度同质化，缺乏创新性.将QFD与FKM集成模型应用于农机设备开发，能有效集合用户需求，为新设备开发提供设计依据.因此，本文将基于QFD与FKM集成方法对自走式青贮饲料收获机进行设计.

1 基于QFD与FKM的自走式青贮饲料收获机设计

1.1 设计流程

一直以来，农业机械的设计主要集中在构型设计阶段，以技术、零部件的详细参数设计为主，对现代设计理论与方法的应用相对较少，在一定程度上限制了农业机械设计的创新性.在面向自走式青贮饲料收获机的设计流程中，运用QFD与FKM集成方法，以市场和用户为驱动，通过对用户核心需求的识别、分析和转化，为设计创新点的挖掘提供科学依据，从而设计出真正符合需求的产品.具体设计流程包括：①建立调研小组，成员由具有统计学背景的人员和工程师组成，通过实地考察、访谈和文献研究等多渠道收集项目相关信息，进行设计目标定义；②收集和筛选产品样本，确定出评价样本；然后进行用户人群分析，选取K名目标用户，运用FKM问卷调查法和访谈法，搜集用户需求信息，最后对其进行归纳、补充和层次化分析，确定出M项用户需求；③根据问卷算出各项需求要素重要度，拟定产品设计要素，建立QFD关联矩阵，计算关联矩阵内各设计要素权重，将其填入质量屋矩阵，完成质量屋构建，同时验证是否满足各需求；④根据自走式青贮饲料收获机质量屋转化结果，利用三维软件SolidWorks进行整机方案设计并完成设计输出，最后通过田间试验对样机进行测试.具体设计流程如图1所示.

1.2 目标定义

由调研小组对我国镰刀弯地区农业产业及农业机械发展需求信息进行收集，经归纳、整理后发现：1)青贮作物规模化种植面积逐年扩增，农场主及个体户对青贮收获设备刚性需求强烈；2)国民饮食结构调整，牛羊肉、奶制品需求量增加，养殖业规模快

图1 设计流程Figure 1 The design process

速扩大，饲草需求量增加；3)青贮饲料产业化体系相对落后，饲草生产供需不平衡，存有较大缺口；4)现有设备作业方式单一，自动化程度及作业效率较低，劳动强度大，设备价格较高.

根据以上需求信息，进行青贮饲料收获机设计目标初步定义.为提高目标定义的准确性和合理性，收集了包括企业决策、设计资源、生产计划等多个领域的信息，建立信息空间集合，通过信息空间-目标空间-信息空间的转化、推导，从而完成设计目标的逐层拓展(图2).

1.3 需求分析

以图2转化结果为依据，确定以自走式青贮饲料收获机为设计对象.设计前期通过农机展、网络等渠道全面搜集产品样本资料，获取产品详细信息，明确调研问卷设计内容；其次，选取以企业管理者、工程师、生产装配工人、代理商、饲草种植户、牛羊养殖户及农机操作手7类目标用户群体进行访谈和模糊Kano问卷调研，共发放问卷260份，收回有效问卷225份，有效率87%；通过对回收数据的聚类、补充与提炼，获得层次化用户需求信息，见表1.

图2 信息-目标-信息转化Figure 2 Information target information transformation

1.4 需求转化

1.4.1 确定用户需求重要度

1.4.1.1 用户满意度及用户需求水平调查 为保证最终用户需求重要度的相对准确性，调研时同时进行了用户满意度及用户需求水平调查，调查结果见表2.调研中收回有效问卷210份，问卷中关于评价对象的评分采用1～5分的度量等级进行评分，满意度随分值增高而递增，其中用户当前满意度表示为So、目标满意度表示为Sr、需求水平表示为Po、目标需求水平表示为Pr.

1.4.1.2K值计算 根据表2评分统计结果，按下式分别计算各项需求要素的So、Sr、Po、Pr：

(1)

表1 自走式青贮饲料收获机用户需求层次化识别

表2 用户满意度及用户需求水平评分统计

(2)

(3)

(4)

将式(1)～式(4)求和数值代入式(5)，完成K值计算，计算结果见表3.

K=logPi/PoSr/So

(5)

1.4.1.3 重要度确定 利用表3计算结果，结合专家小组对各需求要素基础重要度评分，通过基础重要度×K值，明确各需求要素重要度I.

其中，基础重要度用自然数1～5表示，由专家小组打分，数值越大表示越重要.各需求要素重要度计算结果见表4.

1.4.2 提取设计要素 设计要素是质量屋关系矩阵的关键组成部分，也是产品整体设计方案决策的重要影响因素，依据表1，归纳、提炼出8项与自走式青贮饲料收获机创新设计相符的设计要素(表5).

1.4.3 建立质量屋 结合表4和表5构成自走式青贮饲料收获机质量屋关系矩阵.关联矩阵中客户需求信息与产品设计特征之间的关联程度由QFD专家小组进行评分[22]，每项评分取人数占比最多的等级作最终值，以确保评分等级的准确性和客观性.相关等级评分分别用0、1、3、5四个数值表示，其中5为强相关、3为一般相关、1为弱相关、0为不相关.然后，结合表4已知用户需求重要度进行设计要素权重和相对权重计算，从而确定设计要素重要度占比.关系矩阵中各项设计要素权重Wi和相对权重Wi′通过式(6)和式(7)计算得出，具体表示为：

表3 K值计算结果

表4 各项用户需求重要度

表5 自走式青贮饲料收获机设计要素

(6)

式中，m为用户需求总数；Ci为第i个用户需求的基础重要度，Rij为第i个用户需求和第j个设计要素的对应数值.

将式(6)代入式(7)，得出相对权重Wi′，表示为：

(7)

最后将式(6)和式(7)计算所得结果填入对应的质量屋中，由关键设计要素与用户需求构成的自走式青贮饲料收获机质量屋如图3所示.

图3 自走式青贮饲料收获机设计质量屋Figure 3 Self-propelled silage harvester design quality house

由以上QFD工具分析可知，自走式青贮饲料收获机客户需求重要度排名前6的分别是CR21、CR24、CR31、CR53、CR25、CR11；同时客户关注的设计要素最为重要的分别为D1、D2、D4.

1.5 总体结构及特点

以图3分析结果为依据，自走式青贮饲料收获机主要设计要求有结构紧凑，操作安全，具备一次性完成收获、打捆等功能特性.因此，为实现上述设备设计要求，通过参数化建模、分析和优化设计后的自走式青贮饲料收获机结构主要由收割装置、液压电控系统、集料装置、成捆装置等部分组成，如图4所示.

该机采用了HST行走系统，通过履带底盘行走，形成工作部件和行走部件的动力全分离，解决了工作部件的动力降低、无法持续作业的技术难题，达到了设备机动性强的要求.其关键技术参数见表6.

1：割台；2：液压系统；3：抛料筒；4：电控系统；5：驾驶室；6：集料箱；7：成捆室；8：打捆装置；9：抬升杆；10：发动机总成；11：传动系统；12：履带底盘.1：Header；2：Hydraulic system；3：Throwing barrel；4：Electronic control system 5：Cab；6：Collecting box；7：Bundling chamber；8：Bundling device；9：Lifting rod；10：Engine assembly；11：Transmission system；12：Tracked chassis.图4 整机设计Figure 4 Operator design

表6 自走式青贮饲料收获机关键技术参数

1.6 工作原理

作业时，首先通过扶禾器将秸秆扶正，并利用割盘将其隔断，经喂入装置输送至物料切碎机构，通过高速旋转的切刀，将物料切碎，再经抛料筒抛至集料仓中.物料进入集料仓后，由拨料辊和皮带将其输送至成捆室内，进入成捆室的物料，受离心力作用，以圆形轨迹运转并逐渐被压实，当草捆压实程度达到设定范围时，传感器开始工作，此时集料仓停止物料输送，布网装置开始工作，对草捆进行丝网包裹，当包裹层数达到设定值，切刀工作，切断丝网，此时成捆室仓门打开，圆草捆通过抬升杆输送至地面，然后复原准备下一个青贮捆制作.

2 作业试验

本项目创新性地设计了一种自走式青贮饲料收获打捆一体机.图5为试验样机工作状态及试验过程中完成的饲草打捆实物.

图5 田间作业试验Figure 5 Field experiment

2.1 试验条件

为测试该机性能，2019年10月初，在甘肃省武威市黄羊镇农场对该机进行了田间测试，试验条件见表7.

表7 试验条件列表

2.2 试验方法

为验证自走式青贮饲料收获机的可靠性及工作稳定性，以全株玉米为收获作业对象，对整机性能进行测试.性能试验采用田间作业模式，随机选取试验地块，设定作业速度0.75 m/s匀速前进，共计收获全株玉米2.3 hm2，约138 t.试验过程重点对作业效率、打捆尺寸、打捆时间和成捆率等参数进行了测定，最终测定结果采用所有试验结果的平均值.

2.3 试验结果

经多次试验，测定整机功能强、效率高，作业性能稳定可靠，打捆速度快、密实度高，符合 NY/T 2088-2011[23]要求，可完全满足大规模、高效率优质青贮饲料生产，试验参数见表8.

3 结论

本文将QFD和FKM两者结合应用于青贮收获设备的开发设计中，在提高设计效率，保证产品设计质量的同时，能有效帮助设计人员快速找准设计方向、明确设计目的、提出创新设计方案.以自走式青贮饲料收获机设计实例，阐述了该方法的具体应用过程.实例表明：通过挖掘青贮收获设备用户需求，借助FKM确定需求权重，运用QFD实现需求转化，最终演绎的设计方案有效地解决了现有设备作业方式单一、工作强度大、效率低等问题，极大满足了企业设计要求，提高了产品市场竞争力，验证了设计方法的可行性和实用性.该方法不仅能为企业进行新产品开发设计提供理论指导，提高产品开发效率和质量，优化企业资源配置，而且能为市场上其他同类产品的设计提供新的设计思路与方法.

表8 样机实验结果