風冷螺桿式冷水機組機械結構的模塊化設計

引言

隨著世界經(jīng)濟的快速增長,全球工業(yè)發(fā)展達到空前的高度。德國、美國和中國相繼提出"工業(yè)4.0""工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"以及"智能制造2025"等工業(yè)前瞻發(fā)展戰(zhàn)略。機械設計作為工業(yè)不可或缺的組成部分,其地位舉足輕重。在社會發(fā)展的進程中,機械設計逐漸淘汰了一些落后的技術。為了促進機械設計與生產(chǎn)效率的提升,滿足降低整體成本的要求,機械結構模塊化設計應運而生。

從設計、技術等層面出發(fā),風冷螺桿式冷水機組的機械結構已經(jīng)完成向模塊化設計的轉(zhuǎn)變。通過部件重新劃分、組合,對風冷螺桿式冷水機組的機械結構進行模塊化設計,一方面可以保證縮短研發(fā)周期,加速工廠生產(chǎn)制造,迅速響應客戶市場需求:另一方面,模塊化設計可以盡最大可能使機組零部件通用,以便實現(xiàn)全球采購,降低企業(yè)成本。

1模塊化設計

1.1模塊化設計概念

將機組零件或者部件劃分到一個模塊中,在該模塊內(nèi)的零件或者部件交互最大化,并且模塊間的交互最小化。組合好的模塊與機組系統(tǒng)其余模塊或者部件之間,通過預先設計完善的標準接口來進行連接。

機組模塊化設計定義如圖1所示。

模塊劃分時一般原則如下:

(1)以盡可能少的模塊組成更多產(chǎn)品,兼顧產(chǎn)品的通用性與多樣性。

(2)模塊結構及功能有一定的獨立性和完整性。

(3)模塊應具有可組合性和可互換性兩個特征。

1.2模塊化設計目的

通過模塊化設計,可以大幅度降低風冷螺桿式冷水機組機械結構設計的復雜性。機組模塊化設計通過"即插即用"輕松添加可選功能,可以最大限度滿足市場客戶的差異性需求。機組機械結構設計中,使用不同數(shù)量的模塊,這些模塊之間通過標準接口連接,相互組合可以輕松擴展產(chǎn)品系列的多樣性。同時,對于模塊的采購,可以根據(jù)模塊的集成情況,整體采購,從而節(jié)約采購成本。

1.3模塊化設計流程

機組機械結構的模塊化設計分為兩個不同的層次,一個是單一產(chǎn)品的模塊化設計,另一個是家族產(chǎn)品、系列化模塊設計[7-8]。

然而,無論是針對單一產(chǎn)品,還是家族系列化產(chǎn)品,一般都遵循一定的設計流程,如圖2所示。

(1)根據(jù)市場部提供的市場客戶需求,初步制定產(chǎn)品方案:

(2)分析產(chǎn)品庫,擬定家族產(chǎn)品型譜:

(3)計算零部件通用性指數(shù)、產(chǎn)品族通用性指數(shù):

(4)將零部件集成組合,把機組劃分為幾個核心模塊:

(5)核心模塊之間的零部件結構、位置等細節(jié)設計:

(6)完善核心模塊庫:

(7)制定并編寫研發(fā)技術文檔。

2模塊化設計方法在風冷螺桿式冷水機組中的應用

2.1零部件與產(chǎn)品族通用性指數(shù)

針對風冷螺桿式冷水機組的機械結構,在產(chǎn)品庫中有些零部件相似相通。為避免重復設計,降低制造、服務成本及家族產(chǎn)品的復雜性,需對產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的常見組件或部件的通用性進行統(tǒng)計。一般根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫參數(shù),統(tǒng)計計算兩個參數(shù):一個為零部件通用性指數(shù)(CCI,ComponentCommonalityIndex),一個為產(chǎn)品族通用性指數(shù)(PFCI,ProductFamilyCommonalityIndex)。

2.1.1零部件通用性指數(shù)

對于機組常見組件或部件在產(chǎn)品系列中所占的百分比,定義為零部件通用性指數(shù)。

零部件通用性指數(shù)計算公式如下:

式中,N為產(chǎn)品變量數(shù):M為組件變量的數(shù)量:L為通用子平臺數(shù)量:pi為產(chǎn)品變量i的生產(chǎn)量:xij為產(chǎn)品變量i中存在的組件變體量j的數(shù)量。

根據(jù)零部件通用性指數(shù)的數(shù)值,可以判斷出該零部件在產(chǎn)品庫中的使用情況。數(shù)值越大,表明該零部件的通用程度越高,反之越小。然后,對比模塊化設計參數(shù),適當集成零部件,定義標準接口,組成模塊。

2.1.2產(chǎn)品族通用性指數(shù)

產(chǎn)品族通用性指數(shù)是用來衡量設計變量在所有產(chǎn)品中取值的相似程度。通過產(chǎn)品族通用性指數(shù),能夠清楚設計變量的參數(shù)趨勢、參數(shù)獲取難易程度以及可重復性等特征。評價指數(shù)計算要從產(chǎn)品設計參數(shù)和結構出發(fā),減少對權重參數(shù)的依賴。

產(chǎn)品族通用性指數(shù)計算公式如下:

式中,7為組件數(shù)量:CCI1為部件1的通用性指數(shù):C1為部件1的平均成本。

一般要求零部件通用性指數(shù)和產(chǎn)品族通用性指數(shù)均大于60%,即零部件及機組結構具有較高程度的共性,但同時也能兼顧到產(chǎn)品的差異性。

2.2風冷螺桿式冷水機組模塊劃分

風冷螺桿式冷水機組,通過通用性計算,將其機械結構分為八大核心模塊和六大可選模塊。

2.2.1風冷螺桿式冷水機組核心模塊

風冷螺桿式冷水機組八大核心模塊分別為底框模塊、壓縮機一油分模塊、盤管模塊、盤管風機模塊、蒸發(fā)器模塊、風機支撐模塊、控制器模塊以及過濾器模塊。

風冷螺桿式冷水機組機械結構八大核心模塊及其相關信息如表1所示。

2.2.2風冷螺桿式冷水機組可選模塊

風冷螺桿式冷水機組六大可選模塊分別定義為能耗模塊、經(jīng)濟器模塊、加熱段模塊、ERV模塊、濕度調(diào)節(jié)器模塊以及回風模塊。

該型號機組六大可選模塊以及相關信息如表2所示。

2.3風冷螺桿式冷水機組的總裝設計

根據(jù)風冷螺桿式冷水機組機械結構核心模塊和可選模塊的劃分,建立各個模塊的三維模型,并出具二維圖紙。經(jīng)過供應商三方比價,采購各個模塊,搭建出工程樣機以及制造樣機。

風冷螺桿式冷水機組的總裝設計如圖3所示。

圖3風冷螺桿式冷水機組的總裝設計

3結語

本文采用模塊化設計方法,對風冷螺桿式冷水機組的機械結構進行設計研發(fā)。經(jīng)過從市場部調(diào)研、研發(fā)中心設計論證,到建立機組三維模型,再到實驗及工程樣機搭建,最終驗證這種機組設計方法切實可行。機組機械結構采用模塊化設計方法,不但提高了機組產(chǎn)品開發(fā)效率,也縮短了機組研發(fā)、制造的周期。另外,通過對模塊內(nèi)零部件結構的優(yōu)化,調(diào)整了全球供應鏈,降低了企業(yè)整體的采購成本。本文對其他風冷螺桿式冷水機組的模塊化設計研發(fā)具有一定的參考意義。