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：隨著我國鋼鐵行業向高端化、智能化轉型，首臺套設備研發中的正向設計能力成為行業競爭的關鍵。文中連鑄核心設備撈鋼機為研究對象，系統應用六西格瑪設計（DFSS）方法論，通過ICDOV流程實現從客戶需求到工程參數的精準轉化。通過六西格瑪方法的概述與分析，優化和改進設計撈鋼機，提升鉤升降防撞和吊鉤防撞優化，車體停止精度檢測元件優化改進，車體控制精度由±30mm左右，改進到±10mm以內，并對創新方法在連鑄領域的持續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新工具鏈，對推動鋼鐵行業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得到長足發展，給歐美很多企業帶來了巨大的收益，也為我國企業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的指導思想建立一套適合自身發展的六西格瑪方法。對于我國軍工行業開展新一代裝配的自主創新研制、并向“高、精、尖”發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展^[1]~[5]。

目前，鋼鐵行業面臨著嚴峻的形勢，各企業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，采用過程分析實現持續改進，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、優化、驗證等環節。因為六西格瑪設計大多數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

傳統設計隨著開發階段的深入，成本是不斷增加的，因此雖然設計階段成本較低，但是后續成本越來越高且不好控制。六西格瑪設計則與傳統設計相反，產品研發階段需要投入較多，需要考慮到各種可能發生的情況，這就意味著產品后續階段改動少，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）在機撈鋼機優化系統中的應用

撈鋼機是方坯或矩形坯連鑄機出坯系統的重要中轉設備，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，本文通過六西格瑪的正向優化設計，對撈鋼機實現可持續改進，優化撈鋼機運行時間，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，在連鑄現有設備特別是在創新型設備和首臺套設備的研發上使創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新理論工具，提高行業的競爭力。

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

在六西格瑪的識別階段，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的創新方案。通過PUGH矩陣評估，選擇優選概念組合。結合優選概念，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節。

系統架構設計可以是全新的開發的，具備獨創性的，也可以是在現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，務必穩定可靠，這是撈鋼機正常工作的前提條件。實現撈鋼機的各項功能，供電系統必須穩定，同時位置檢測系統同樣可靠，才能實現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，并針對其薄弱環節，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，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。同時通過風險分析確定設計潛在的失效模式，提前規避。

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的轉化。通過一系列的工具如DFX、硬件FMECA等，優化設計，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，提高電機供電的穩定性。

2.5優化階段

針對設計出來的初步產品，實現關鍵重要設計參數優化與容差設計，得到更優選的方案。

可以包括以下幾個方面：

設備結構優化：對高效撈鋼機的結構進行優化，提高其穩定性和可靠性，如優化材料選擇、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，優化升降防撞和提升鉤防撞功能。

傳動裝置優化：優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。

控制系統改進：改進高效撈鋼機的控制系統，如提高響應速度、優化控制算法等。優選檢測元器件，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

通過六西格瑪的正向優化設計，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的逐層轉化。

a.持續改進撈鋼機車體結構，提升鉤升降防撞和吊鉤防撞優化；

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

通過六西格瑪的正向優化設計，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、有效地進行高效撈鋼機持的續改進，實現性能的大幅提升，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的競爭力，為企業帶來更大的經濟效益，還有助于提升整個行業的水平。

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作，不僅提升了共同解決問題能力，還加強了團隊協作和溝通能力。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展。

在面對快速變化的市場環境時，六西格瑪管理將更加注重創新驅動，通過持續改進和創新來提升企業競爭力。六西格瑪的應用也為企業提供了一套科學、系統的質量管理方法，有助于提升企業的整體水平。

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