陆武慧，赵 哲

（1.西安航空职业技术学院 通用航空学院，西安 710089；2.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021）

0 引言

随着社会发展，绿色、环保、方便、快捷逐渐成为人们生活的主题。一次性木浆纸杯是在关注环境、关注健康的潮流中的一种时代产物。在酒店、餐馆、机场、医院、政府机构、家庭以及商场用量巨大。木浆纸杯是利用化学木浆制成的原纸（白纸板）进行机械加工、粘合所得的一种纸容器，作为人们日常生活的消耗品，每年的消耗量很大。随着人们对食品卫生的重视，由于木浆纸杯环保、健康、卫生的特点，其材料多为食品级木浆纸和食品级PE薄膜，因此在生活中得到了普及。端送采用一次性纸杯盛放的饮品时，由于一次性纸杯的材质特性，以及在端送过程中的抖动，饮品存在溢漏、烫伤隐患、一次端送量少和取用不便等问题，导致端送效率低下、端送过程中浪费严重等现象，在很大程度上制约了一次性纸杯的使用。因此通过分析目前一次性纸杯端送过程中的缺点和不足，基于QFD与TRIZ的理论，针对性地设计出满足客户需求的纸杯端送架，在一次性纸杯饮品端送过程中提高了其安全性、方便性，避免烫伤等危害。

1 QFD和TRIZ理论

QFD理论是日本质量专家Akao等在1967年提出的，主要是应用于产品的设计过程。质量屋中的二维矩阵是QFD的关键内容，根据对客户的需求进行调研，将工艺要求、生产过程中的注意事项等内容进行分类，然后生产出满足用户需求的产品［1-2］。利用QFD理论可以将用户的需求点转化为工程技术语言，然后设计师根据工程语言，设计出符合用户需求的产品，可以缩短研发设计周期，降低研发成本。TRIZ理论是发明家根里奇·阿奇舒勒与其团队通过整理和分析大量专利文献后，总结和归纳出一套具有完整体系的创新方法，能在解决实际问题的过程中发挥很重要的作用。它主要是对需要解决的实际工程问题，寻找它目前存在的物理矛盾，并对其进行优化设计，从而解决预期的目标问题，从而揭示发明创造的原理和规律［3-5］。TRIZ 理论的使用工具有很多种，包括技术进化和技术系统、最终理想解、矛盾、39个通用工程参数和40个发明原理、物场分析、76种标准解等［6-9］。TRIZ理论在解决实际问题时，先将特殊问题转化为一般问题；然后，利用发明原理和技术效应等方法来解决转化后的一般问题；最后，通过解决一般问题来解决特殊问题［10-11］。

2 QFD和TRIZ理论对木浆纸杯端送装置的设计

QFD解决了从用户实际需求到技术参数之间的转化，TRIZ理论解决了技术参数之间互相矛盾的问题［12-13］，通过两者的结合，能够系统全面的分析产品的创新设计过程，使设计过程更加有效和便捷［14-16］。QFD/TRIZ理论在一次性木浆纸杯端送装置设计的具体应用流程如图1所示。

图1 QFD /TRIZ理论在木浆纸杯端送装置设计中的应用Fig.1 Application of QFD/TRIZ theory in design of wood pulp cup end-feeding device

2.1 木浆纸杯端送装置用户需求分析

对医院、公司、酒店和机场共35个纸杯应用场所的117位木浆纸杯端送人员进行问卷调查和深度访谈，收集用户的需求信息，以及目前现有一次性木浆纸杯存在的不足，对客户的需求指标进行按类分析，然后得出用户最关键和最关心的需求指标，如图2所示。

图2 木浆纸杯端送装置需求分析图Fig.2 Demand analysis diagram of wood pulp cup endfeeding device

2.2 建立木浆纸杯端送装置“用户需求-产品技术参数”矩阵

通过分析和整理目前市场上木浆纸杯端送装置的调研数据，建立质量屋矩阵来表达用户需求点和产品技术参数之间的关系，并寻找技术参数之间的矛盾冲突。

运用李克特量表法对用户需求的重要性进行赋分，取值范围为0～5分，分值越高则表示用户对该指标的需求较高，因此在设计过程中需要特别注意对比衡量，得到对应的用户需求权重。用符号“○”表示用户需求和产品技术参数之间的关联程度强，取值为5；符号“□”表示关联程度中等，取值为3；符号“△”表示关联程度较弱，取值为1。当其中某两个质量指标互相促进，对产品设计起到改善作用，则表示正相关，用“+”表示，否则为负相关，用“-”表示。当“用户需求-产品技术参数”矩阵中存在负相关，则表示这两个质量指标之间存在矛盾冲突。

通过分类整理便携式纸杯端送装置的技术参数包括“结构简单、缩减浪费、操作简单、装置适应性、承受载荷量、耐用性”。用户需求总结包括有“高效率、使用寿命、价格合理、维护简单、运输方便、安全性、准确性”。对木浆纸杯端送装置的用户需求和产品技术参数进行相关性分析，建立便携式木浆纸杯端送装置的“用户需求-产品技术参数”矩阵，如图3所示。

图3 木浆纸杯端送装置质量屋矩阵Fig.3 Quality house matrix of wood pulp cup end-feeding device

从木浆纸杯端送装置的质量矩阵发现，用户对木浆纸杯端送过程中的“高效率、安全性、运输方便、准确性”指标需求重要，此外，在该矩阵中技术特征中存在两个负相关关系。

承受载荷量与耐用性成负相关关系。在通常情况下，产品的承载量越大，产品的使用寿命就越短，产品的耐用性就越差。对木浆纸杯端送装置而言，当端送的饮品质量越大、数量越多，对于纸杯端装置承受的载荷量就越大，它的耐用性就越差。根据承受载荷量和耐用性之间的矛盾，运用TRIZ理论，需改善受力与结构稳定之间的矛盾，确定选择预先作用来解决此项矛盾。

装置适应性与缩减浪费成负相关关系。由于纸杯饮品在端送过程中容易出现洒漏的情况，且递送一杯饮品的同时，其他饮品容易洒出。因此，要求端送装置适用于端送过程和递送瞬间，减少浪费，需要改善TRIZ理论中物质损失和产品适用性之间的矛盾。通过查询TRIZ理论中的发明原理，根据木浆纸杯的材质特点及端送装置的用户需求进行研究，确定用解决矛盾动态化原理，即采用动态化装置提高产品适应性，并降低浪费。

设置调节装置和可转动的杯盖，将位于托孔内部的纸杯盖住，防止在端送时纸杯中的饮料洒出造成浪费或热饮洒出烫伤端送人员。这样可以提高木浆纸杯端送装置的适应性，同时降低在端送过程中饮品的洒落浪费。

对于矩阵中的矛盾冲突，通过增设弹簧阻尼装置来解决。当饮品端送到指定地点后，打开杯盖，弹簧阻尼装置回弹，纸杯连同饮品在底盘凹槽内的弹簧阻尼装置作用下平稳升高，从而解决产品承受负荷量与产品耐用性之间的问题。

3 木浆纸杯端送装置优化设计

3.1 木浆纸杯端送装置结构

按照客户的需求，对矩阵中存在的矛盾问题进行一一化解，从而设计得到木浆纸杯端送装置的整体结构。

木浆纸杯端送装置包括端送台、杯盖、杯托、支架和旋转台，见图4。支架一端连接端送台，另一端连接旋转台，旋转台通过轴承连接底座，实现旋转台在底座上的旋转，并能够带动端送台转动。端送台上开设若干杯托口，杯托一端与端送台下表面连接，位于杯托口下方；杯盖与端送台上表面转动连接，能够旋转至杯托口正上方或完全远离杯托口。杯托口直径略大于9盎司纸杯口径，深度比纸杯高度深1～2 cm，匹配目前常用的9盎司热冷饮纸杯。支架包括支架杆、套管和调节装置，支架杆采用圆柱形结构，一端伸出端送台，另一端插入套管内部。套管与旋转台固定连接，套管上开设调节导孔。调节装置包括调节按钮和弹簧，弹簧一端连接支架杆，另一端连接调节按钮，调节按钮驱动部位穿过调节导孔伸出套管，与套管接触部位采用不锈钢或铝合金材质，且设置若干防滑凹槽。当未按压调节按钮时，在弹簧的弹力作用下，调节按钮驱动部位与套管内壁紧密接触，在摩擦力的作用下，阻止支架杆在套管的移动；当按压调节按钮时，调节按钮驱动部位与套管内壁分离，自由调节支架杆在套管内的长度。如需将支架调节更长，可通过支架杆伸出端送台的长度进行调节。

图4 纸杯端送装置整体结构Fig.4 Overall structure of paper cup end-feeding device

3.2 木浆纸杯端送装置工作原理

杯托结构见图5，装置使用时打开杯盖，放入饮品，此时纸杯上沿略高于端送台上表面1～2cm，旋动杯托的底盘，使纸杯沉入杯托的本体内部，通过旋转把杯盖合上，然后反向旋动杯托的底盘，此时弹簧阻尼装置处于压缩状态，纸杯杯口与杯盖顶住，端送时饮品不易溢出。端送到指定地点后，打开杯盖，弹簧阻尼装置回弹，纸杯连同饮品在底盘凹槽内的弹簧阻尼装置作用下平稳升高，方便取用。根据使用场合的不同，通过调节支架的高度，能够很好的调节端送装置整体的高度，还可以在杯托的本体上添加标签，在旋转台的作用下，客人能够转动端送台寻找饮品。

图5 杯托结构局部示意图Fig.5 Partial structural diagram of cup holder

4 结语

由于木浆纸杯的便捷、环保和安全特点，已成为人们日常生活的常用品。为设计满足市场上木浆纸杯端送实际需求的装置，分析用户需求的基础上，利用QFD模型将用户需求转化为关键设计要素，借助TRIZ发明原理解决设计过程中的矛盾冲突，得到便携式木浆纸杯端送装置的创新设计方案。采用新型杯托结构，与杯盖配合保证端送途中饮品不溢出，可实现较远距离的端送，且在取用时能够自行弹出，便于取用。采用可伸缩的支架便于不同身高人员使用，也便于装箱运输。旋转台能够实现有限空间内多种饮品的端送。解决了市场上实际应用问题，对端送装置的进一步优化提供了基础和依据。