杨博，王文学，梁龙，霍跃钦，乔玉聪，张瑞，翁承

（中国重型机械研究院股份公司，陕西，西安，710018）

摘要：随着我国钢铁行业向高端化、智能化转型，首台套设备研发中的正向设计能力成为行业竞争的关键。文中连铸核心设备捞钢机为研究对象，系统应用六西格玛设计（DFSS）方法论，通过ICDOV流程实现从客户需求到工程参数的精准转化。通过六西格玛方法的概述与分析，优化和改进设计捞钢机，提升钩升降防撞和吊钩防撞优化，车体停止精度检测元件优化改进，车体控制精度由±30mm左右，改进到±10mm以内，并对创新方法在连铸领域的持续深入应用进行了展望。本文为连铸设备的正向设计提供了可复用的创新工具链，对推动钢铁行业降本增效具有显著工程价值。

关键词：捞钢机；连铸设备；六西格玛；正向设计;质量功能展开

0 前言

六西格玛理论产生于摩托罗拉，并在GE得到长足发展，给欧美很多企业带来了巨大的收益，也为我国企业树立了众多成功的典范。六西格玛设计方法是一种正向、精细化设计方法，在欧美等公司取得良好的效果。我国企业引入六西格玛不能照搬国外的成功模式，而是应该结合自身状况和六西格玛的指导思想建立一套适合自身发展的六西格玛方法。对于我国军工行业开展新一代装配的自主创新研制、并向“高、精、尖”发展具有良好的借鉴意义，同时在船舶领域以及汽车领域得到一定发展^[1]~[5]。

目前，钢铁行业面临着严峻的形势，各企业都在努力提高管理水平和生产效率来提高自身竞争力。而精益六西格玛方法作为解决企业瓶颈问题方法之一，是降本增效和提升生产效率的有效方式。目前，国内在这方面的实践应用较多，各公司基于自身特点开展实践探索。例如，宝钢展开六西格玛精益运营体系，解决浪费问题；马钢运用精益六西格玛方法降低设备故障等。多家企业围绕瓶颈工序产能挖掘、重点产品质量改进、成本费用降低以及管理业务效能效率提升等内容，取得良好效果^[6]~[8]。

1 六西格玛设计（DFSS）的流程

六西格玛精细化正向设计，以下简称 DFSS ( Design for Six Sigma) ，强调在设计的早期倡导顾客至上的理念，采用过程分析实现持续改进，以满足客户需求并减少缺陷。

六西格玛设计的流程有很多，大部分流程包括定义、测量、分析、识别、设计、优化、验证等环节。因为六西格玛设计大多数情况都是针对新产品和新工艺，因此去掉测量和分析阶段，从识别阶段开始进入设计更为合理，本文采用ICDOV五个阶段进行研究与应用。

六西格玛设计的ICDOV流程中的详细内容和支持工具如表1所示。表1中对ICDOV流程进行了归纳总结。

表1 六西格玛设计流程和工具

六西格玛设计在质量和成本方面有较为突出的作用。

(1)质量方面

产品的质量分别与产品的设计、工艺、生产控制有关，而影响产品质量最多的则是产品的设计。在设计阶段的微小改进，最终产品质量也会大幅提升。

(2)成本方面

传统设计随着开发阶段的深入，成本是不断增加的，因此虽然设计阶段成本较低，但是后续成本越来越高且不好控制。六西格玛设计则与传统设计相反，产品研发阶段需要投入较多，需要考虑到各种可能发生的情况，这就意味着产品后续阶段改动少，迭代少，可以大幅减少设计更改所产生的费用。

2 六西格玛设计（DFSS）在机捞钢机优化系统中的应用

捞钢机是方坯或矩形坯连铸机出坯系统的重要中转设备，其自身设备结构、工作原理和控制策略直接影响出坯效率，关系到连铸生产节奏。其主要功能是将定尺切割后的大方坯或矩形坯运送到步进冷床、铸坯移送装置或存放台架上。捞钢机主要由车体、行走驱动装置、从动轮装置、提升钩架装置、提升驱动装置、行走及升降位置检测装置和电缆牵引装置等组成^[9]~[15]。

捞钢机作为一个成熟设备，本文通过六西格玛的正向优化设计，对捞钢机实现可持续改进，优化捞钢机运行时间，降低故障率等，提高生产效率和质量，降低成本和能耗。并以此为切入点，在连铸现有设备特别是在创新型设备和首台套设备的研发上使创新理论方法与工程问题相融合，形成具有针对性的复合型创新理论工具，提高行业的竞争力。

以下从识别阶段的需求分析和概念阶段的概念设计以及架构设计，到详细设计阶段和优化阶段五个方面入手，并从需求、概念和架构设计三个阶段的质量功能展开（QFD）进行深入分析，优化和改进捞钢机设计。

2.1识别阶段QFD

在识别阶段，通过找准利益相关方，积极准确获取顾客的需求，并对此进行识别和分析，结合场景识别、VOC分析和卡诺模型等找出重要的顾客需求，通过对需求的亲和整理，将顾客需求转化为技术要求，以及根据技术要求提出具体的目标值。如表2所示。

表2 识别阶段需求定义

在六西格玛设计（DFSS）中，质量功能展开扮演着重要角色^[16]，它将模糊的客户需求转化为具体、可量化的技术指标。

在需求和技术要求识别阶段质量功能展开（QFDⅠ）中^[17]，质量屋左墙为需求，顶部为技术指标，中间部分为相关程度，右侧为需求充分性检查评分，下部为技术指标重要度加权评分，详见表 3。通过质量屋的分析找出对满足顾客需求贡献最大的工程措施，即关键质量特性，从而指导设计人员抓住主要矛盾，开发出满足顾客需求的产品。

通过表3识别阶段质量功能展开（QFDⅠ）分析可以得出，我们必须严格控制设备重量以达到控制成本的要求，务必满足捞钢机起重能力的同时，自动化控制程度是顾客的极大需求。但是自动化程度高，成本必然升高；提高了起重能力，设备重量务必提高，都会提高成本。因此，我们在做分析时，必须设定项目目标以及对比标杆，通过风险矩阵分析等，更准确的确定“设计目标”，以提高项目的成功率。

表3 识别阶段质量功能展开（QFDⅠ）

根据识别阶段质量功能展开（QFDⅠ）技术重要度的分析，我们提出了初步的设计质量表，如图4所示。

表4 识别阶段设计质量表

在六西格玛的识别阶段，通过找准利益相关方，经过充分的需求分析，并转化为技术要求。再由质量功能展开，确定出重要的技术指标，提出设备质量表。为概念设计阶段做好充分准备。

2.2概念设计QFD

通过关键技术检索、概念相容性评估等工具实现顾客需求向功能、结构等方面转化，并生成概念设计方案。在生成概念时，有基于关键技术的初步概念以及基于TRIZ的创新方案。通过PUGH矩阵评估，选择优选概念组合。结合优选概念，进行单一和多场景分析确定产品的具体功能要求，最终进行功能分析，对概念进行重要度识别，即概念阶段质量功能展开（QFDⅡ）。

表5 概念阶段质量功能展开（QFDⅡ）

通过表3 识别阶段质量功能展开（QFDⅠ）分析，结合表5 概念阶段质量功能展开（QFDⅡ）分析可以得出，传统捞钢机提升钩不具备防撞功能，在误操作以及检测不准的情况下，提升钩的损坏会严重影响捞钢机的工作效率。因此提升钩防撞和横移位置的检测的改进成为捞钢机一项重要工作。横移位置检测功能性能提升后，横移的防撞也将同时得到解决。

2.3架构设计QFD

架构设计是功能和结构映射的反复迭代过程，是产品设计过程中关键技术产生的重要环节。

系统架构设计可以是全新的开发的，具备独创性的，也可以是在现有构架基础上改进的。在架构设计阶段，通过质量功能展开（QFDⅢ），实现功能要求到结构要求的转换。

通过表6 构架设计阶段质量功能展开（QFDⅢ）分析可以得出，横移电机、提升电机为重要选型部件，同时横移和提升的制动情况，以及检测元件和车体结构都需在设计阶段重点考虑。车体结构方面，务必稳定可靠，这是捞钢机正常工作的前提条件。实现捞钢机的各项功能，供电系统必须稳定，同时位置检测系统同样可靠，才能实现捞钢机的整体工艺需求。

在捞钢机的各部件之间，部件与外界之间都存在各种联系。在设计阶段，确保部件与部件之间以及部件与外界之间的联系类型，边界清晰，没有遗漏，以提高架构设计的完善性。

在构架设计阶段质量功能展开（QFDⅢ）分析时，可以沿着不同的发展方向，在需求域、功能域以及工艺域等不同领域进行展开。在架构的子架构即零组件方向进一步向下分解，尽可能识别功能和结构的需求，同时运用FMECA等风险分析工具，找出产品在功能及硬件设计中所有可能得故障模式、原因以及影响，并针对其薄弱环节，提出设计改进和使用补偿措施。

表6 架构设计阶段质量功能展开（QFDⅢ）

2.4设计阶段

在设计阶段，将识别关键、重要的设计参数，通过功能流程图和功能分配图，找出每个变量的控制因子，确定设计参数。同时通过风险分析确定设计潜在的失效模式，提前规避。

在结构设计时，进一步依托专家团队，通过结构设计质量功能展开（QFDⅣ）完成重要零组件结构要求向设计参数的转化。通过一系列的工具如DFX、硬件FMECA等，优化设计，减少错误，提高设备的可靠性。比如在硬件FMECA中，通过优选电机，减少因电机损坏导致的停工停产；通过线路防护，提高电机供电的稳定性。

2.5优化阶段

针对设计出来的初步产品，实现关键重要设计参数优化与容差设计，得到更优选的方案。

可以包括以下几个方面：

设备结构优化：对高效捞钢机的结构进行优化，提高其稳定性和可靠性，如优化材料选择、减轻重量、提高强度等。通过软件计算分析，设计车体优选宽高比，在车体减重的同时，保持良好的强度和刚度。通过防错设计，改进提升钩形式，优化升降防撞和提升钩防撞功能。

传动装置优化：优化高效捞钢机的传动装置，如采用更高效的传动方式、减少能量损失等。通过优选电机功率和减速机速比，在保持高效传动的情况下，降低高转速对设备的冲击，降低事故率。

控制系统改进：改进高效捞钢机的控制系统，如提高响应速度、优化控制算法等。优选检测元器件，比如采用激光测距代替接近开关或者编码器，提升车体到位精度检测，降低拉钢机发生事故的概率，提升效率。采用接近开关检测，车体控制精度一般在±30mm左右；采用激光测距，车体控制精度控制在±10mm以内。

自动化程度提升：增加高效捞钢机的自动化程度，减少人工干预，提高生产效率和质量。

3 结束语

通过六西格玛的正向优化设计，从源头分析利益相关方需求，通过各阶段质量屋分析，捞钢机从需求到技术要求，从技术要求到功能要求，从功能要求到技术参数的逐层转化。

a.持续改进捞钢机车体结构，提升钩升降防撞和吊钩防撞优化；

b.车体停止精度检测元件优化改进，车体控制精度由±30mm左右，改进到±10mm以内。

通过六西格玛的正向优化设计，积极从操作人员、维护人员和其他利益相关者那里收集反馈，了解他们对改进措施的看法和建议，我们可以更加系统、有效地进行高效捞钢机持的续改进，实现性能的大幅提升，提高生产效率和质量，降低成本和能耗。这不仅有助于增强企业的竞争力，为企业带来更大的经济效益，还有助于提升整个行业的水平。

同时，在项目实施过程中，我们加强了团队成员之间的沟通与协作，不仅提升了共同解决问题能力，还加强了团队协作和沟通能力。团队成员的技能和知识水平对项目的成功至关重要，因此我们需要加强对团队成员的培训和发展。

在面对快速变化的市场环境时，六西格玛管理将更加注重创新驱动，通过持续改进和创新来提升企业竞争力。六西格玛的应用也为企业提供了一套科学、系统的质量管理方法，有助于提升企业的整体水平。

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