楊博，王文學，梁龍，霍躍欽，喬玉聰，張瑞，翁承

（中國重型機械研究院股份公司，陜西，西安，710018）

摘要：隨著我國鋼鐵行業(yè)向高端化、智能化轉型，首臺套設備研發(fā)中的正向設計能力成為行業(yè)競爭的關鍵。文中連鑄核心設備撈鋼機為研究對象，系統(tǒng)應用六西格瑪設計（DFSS）方法論，通過ICDOV流程實現(xiàn)從客戶需求到工程參數(shù)的精準轉化。通過六西格瑪方法的概述與分析，優(yōu)化和改進設計撈鋼機，提升鉤升降防撞和吊鉤防撞優(yōu)化，車體停止精度檢測元件優(yōu)化改進，車體控制精度由±30mm左右，改進到±10mm以內，并對創(chuàng)新方法在連鑄領域的持續(xù)深入應用進行了展望。本文為連鑄設備的正向設計提供了可復用的創(chuàng)新工具鏈，對推動鋼鐵行業(yè)降本增效具有顯著工程價值。

關鍵詞：撈鋼機；連鑄設備；六西格瑪；正向設計;質量功能展開

0 前言

六西格瑪理論產生于摩托羅拉，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。六西格瑪設計方法是一種正向、精細化設計方法，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，而是應該結合自身狀況和六西格瑪?shù)闹笇枷虢⒁惶走m合自身發(fā)展的六西格瑪方法。對于我國軍工行業(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，同時在船舶領域以及汽車領域得到一定發(fā)展^[1]~[5]。

目前，鋼鐵行業(yè)面臨著嚴峻的形勢，各企業(yè)都在努力提高管理水平和生產效率來提高自身競爭力。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效率的有效方式。目前，國內在這方面的實踐應用較多，各公司基于自身特點開展實踐探索。例如，寶鋼展開六西格瑪精益運營體系，解決浪費問題；馬鋼運用精益六西格瑪方法降低設備故障等。多家企業(yè)圍繞瓶頸工序產能挖掘、重點產品質量改進、成本費用降低以及管理業(yè)務效能效率提升等內容，取得良好效果^[6]~[8]。

1 六西格瑪設計（DFSS）的流程

六西格瑪精細化正向設計，以下簡稱 DFSS ( Design for Six Sigma) ，強調在設計的早期倡導顧客至上的理念，采用過程分析實現(xiàn)持續(xù)改進，以滿足客戶需求并減少缺陷。

六西格瑪設計的流程有很多，大部分流程包括定義、測量、分析、識別、設計、優(yōu)化、驗證等環(huán)節(jié)。因為六西格瑪設計大多數(shù)情況都是針對新產品和新工藝，因此去掉測量和分析階段，從識別階段開始進入設計更為合理，本文采用ICDOV五個階段進行研究與應用。

六西格瑪設計的ICDOV流程中的詳細內容和支持工具如表1所示。表1中對ICDOV流程進行了歸納總結。

表1 六西格瑪設計流程和工具

六西格瑪設計在質量和成本方面有較為突出的作用。

(1)質量方面

產品的質量分別與產品的設計、工藝、生產控制有關，而影響產品質量最多的則是產品的設計。在設計階段的微小改進，最終產品質量也會大幅提升。

(2)成本方面

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

2 六西格瑪設計（DFSS）在機撈鋼機優(yōu)化系統(tǒng)中的應用

撈鋼機是方坯或矩形坯連鑄機出坯系統(tǒng)的重要中轉設備，其自身設備結構、工作原理和控制策略直接影響出坯效率，關系到連鑄生產節(jié)奏。其主要功能是將定尺切割后的大方坯或矩形坯運送到步進冷床、鑄坯移送裝置或存放臺架上。撈鋼機主要由車體、行走驅動裝置、從動輪裝置、提升鉤架裝置、提升驅動裝置、行走及升降位置檢測裝置和電纜牽引裝置等組成^[9]~[15]。

撈鋼機作為一個成熟設備，本文通過六西格瑪?shù)恼騼?yōu)化設計，對撈鋼機實現(xiàn)可持續(xù)改進，優(yōu)化撈鋼機運行時間，降低故障率等，提高生產效率和質量，降低成本和能耗。并以此為切入點，在連鑄現(xiàn)有設備特別是在創(chuàng)新型設備和首臺套設備的研發(fā)上使創(chuàng)新理論方法與工程問題相融合，形成具有針對性的復合型創(chuàng)新理論工具，提高行業(yè)的競爭力。

以下從識別階段的需求分析和概念階段的概念設計以及架構設計，到詳細設計階段和優(yōu)化階段五個方面入手，并從需求、概念和架構設計三個階段的質量功能展開（QFD）進行深入分析，優(yōu)化和改進撈鋼機設計。

2.1識別階段QFD

在識別階段，通過找準利益相關方，積極準確獲取顧客的需求，并對此進行識別和分析，結合場景識別、VOC分析和卡諾模型等找出重要的顧客需求，通過對需求的親和整理，將顧客需求轉化為技術要求，以及根據(jù)技術要求提出具體的目標值。如表2所示。

表2 識別階段需求定義

在六西格瑪設計（DFSS）中，質量功能展開扮演著重要角色^[16]，它將模糊的客戶需求轉化為具體、可量化的技術指標。

在需求和技術要求識別階段質量功能展開（QFDⅠ）中^[17]，質量屋左墻為需求，頂部為技術指標，中間部分為相關程度，右側為需求充分性檢查評分，下部為技術指標重要度加權評分，詳見表 3。通過質量屋的分析找出對滿足顧客需求貢獻最大的工程措施，即關鍵質量特性，從而指導設計人員抓住主要矛盾，開發(fā)出滿足顧客需求的產品。

通過表3識別階段質量功能展開（QFDⅠ）分析可以得出，我們必須嚴格控制設備重量以達到控制成本的要求，務必滿足撈鋼機起重能力的同時，自動化控制程度是顧客的極大需求。但是自動化程度高，成本必然升高；提高了起重能力，設備重量務必提高，都會提高成本。因此，我們在做分析時，必須設定項目目標以及對比標桿，通過風險矩陣分析等，更準確的確定“設計目標”，以提高項目的成功率。

表3 識別階段質量功能展開（QFDⅠ）

根據(jù)識別階段質量功能展開（QFDⅠ）技術重要度的分析，我們提出了初步的設計質量表，如圖4所示。

表4 識別階段設計質量表

在六西格瑪?shù)淖R別階段，通過找準利益相關方，經過充分的需求分析，并轉化為技術要求。再由質量功能展開，確定出重要的技術指標，提出設備質量表。為概念設計階段做好充分準備。

2.2概念設計QFD

通過關鍵技術檢索、概念相容性評估等工具實現(xiàn)顧客需求向功能、結構等方面轉化，并生成概念設計方案。在生成概念時，有基于關鍵技術的初步概念以及基于TRIZ的創(chuàng)新方案。通過PUGH矩陣評估，選擇優(yōu)選概念組合。結合優(yōu)選概念，進行單一和多場景分析確定產品的具體功能要求，最終進行功能分析，對概念進行重要度識別，即概念階段質量功能展開（QFDⅡ）。

表5 概念階段質量功能展開（QFDⅡ）

通過表3 識別階段質量功能展開（QFDⅠ）分析，結合表5 概念階段質量功能展開（QFDⅡ）分析可以得出，傳統(tǒng)撈鋼機提升鉤不具備防撞功能，在誤操作以及檢測不準的情況下，提升鉤的損壞會嚴重影響撈鋼機的工作效率。因此提升鉤防撞和橫移位置的檢測的改進成為撈鋼機一項重要工作。橫移位置檢測功能性能提升后，橫移的防撞也將同時得到解決。

2.3架構設計QFD

架構設計是功能和結構映射的反復迭代過程，是產品設計過程中關鍵技術產生的重要環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)架構設計可以是全新的開發(fā)的，具備獨創(chuàng)性的，也可以是在現(xiàn)有構架基礎上改進的。在架構設計階段，通過質量功能展開（QFDⅢ），實現(xiàn)功能要求到結構要求的轉換。

通過表6 構架設計階段質量功能展開（QFDⅢ）分析可以得出，橫移電機、提升電機為重要選型部件，同時橫移和提升的制動情況，以及檢測元件和車體結構都需在設計階段重點考慮。車體結構方面，務必穩(wěn)定可靠，這是撈鋼機正常工作的前提條件。實現(xiàn)撈鋼機的各項功能，供電系統(tǒng)必須穩(wěn)定，同時位置檢測系統(tǒng)同樣可靠，才能實現(xiàn)撈鋼機的整體工藝需求。

在撈鋼機的各部件之間，部件與外界之間都存在各種聯(lián)系。在設計階段，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，以提高架構設計的完善性。

在構架設計階段質量功能展開（QFDⅢ）分析時，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域進行展開。在架構的子架構即零組件方向進一步向下分解，盡可能識別功能和結構的需求，同時運用FMECA等風險分析工具，找出產品在功能及硬件設計中所有可能得故障模式、原因以及影響，并針對其薄弱環(huán)節(jié)，提出設計改進和使用補償措施。

表6 架構設計階段質量功能展開（QFDⅢ）

2.4設計階段

在設計階段，將識別關鍵、重要的設計參數(shù)，通過功能流程圖和功能分配圖，找出每個變量的控制因子，確定設計參數(shù)。同時通過風險分析確定設計潛在的失效模式，提前規(guī)避。

在結構設計時，進一步依托專家團隊，通過結構設計質量功能展開（QFDⅣ）完成重要零組件結構要求向設計參數(shù)的轉化。通過一系列的工具如DFX、硬件FMECA等，優(yōu)化設計，減少錯誤，提高設備的可靠性。比如在硬件FMECA中，通過優(yōu)選電機，減少因電機損壞導致的停工停產；通過線路防護，提高電機供電的穩(wěn)定性。

2.5優(yōu)化階段

針對設計出來的初步產品，實現(xiàn)關鍵重要設計參數(shù)優(yōu)化與容差設計，得到更優(yōu)選的方案。

可以包括以下幾個方面：

設備結構優(yōu)化：對高效撈鋼機的結構進行優(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、提高強度等。通過軟件計算分析，設計車體優(yōu)選寬高比，在車體減重的同時，保持良好的強度和剛度。通過防錯設計，改進提升鉤形式，優(yōu)化升降防撞和提升鉤防撞功能。

傳動裝置優(yōu)化：優(yōu)化高效撈鋼機的傳動裝置，如采用更高效的傳動方式、減少能量損失等。通過優(yōu)選電機功率和減速機速比，在保持高效傳動的情況下，降低高轉速對設備的沖擊，降低事故率。

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

自動化程度提升：增加高效撈鋼機的自動化程度，減少人工干預，提高生產效率和質量。

3 結束語

通過六西格瑪?shù)恼騼?yōu)化設計，從源頭分析利益相關方需求，通過各階段質量屋分析，撈鋼機從需求到技術要求，從技術要求到功能要求，從功能要求到技術參數(shù)的逐層轉化。

a.持續(xù)改進撈鋼機車體結構，提升鉤升降防撞和吊鉤防撞優(yōu)化；

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

通過六西格瑪?shù)恼騼?yōu)化設計，積極從操作人員、維護人員和其他利益相關者那里收集反饋，了解他們對改進措施的看法和建議，我們可以更加系統(tǒng)、有效地進行高效撈鋼機持的續(xù)改進，實現(xiàn)性能的大幅提升，提高生產效率和質量，降低成本和能耗。這不僅有助于增強企業(yè)的競爭力，為企業(yè)帶來更大的經濟效益，還有助于提升整個行業(yè)的水平。

同時，在項目實施過程中，我們加強了團隊成員之間的溝通與協(xié)作，不僅提升了共同解決問題能力，還加強了團隊協(xié)作和溝通能力。團隊成員的技能和知識水平對項目的成功至關重要，因此我們需要加強對團隊成員的培訓和發(fā)展。

在面對快速變化的市場環(huán)境時，六西格瑪管理將更加注重創(chuàng)新驅動，通過持續(xù)改進和創(chuàng)新來提升企業(yè)競爭力。六西格瑪?shù)膽靡矠槠髽I(yè)提供了一套科學、系統(tǒng)的質量管理方法，有助于提升企業(yè)的整體水平。

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