风冷螺杆式冷水机组机械结构的模块化设计

引言

随着世界经济的快速增长,全球工业发展达到空前的高度。德国、美国和中国相继提出"工业4.0""工业互联网"以及"智能制造2025"等工业前瞻发展战略。机械设计作为工业不可或缺的组成部分,其地位举足轻重。在社会发展的进程中,机械设计逐渐淘汰了一些落后的技术。为了促进机械设计与生产效率的提升,满足降低整体成本的要求,机械结构模块化设计应运而生。

从设计、技术等层面出发,风冷螺杆式冷水机组的机械结构已经完成向模块化设计的转变。通过部件重新划分、组合,对风冷螺杆式冷水机组的机械结构进行模块化设计,一方面可以保证缩短研发周期,加速工厂生产制造,迅速响应客户市场需求:另一方面,模块化设计可以尽最大可能使机组零部件通用,以便实现全球采购,降低企业成本。

1模块化设计

1.1模块化设计概念

将机组零件或者部件划分到一个模块中,在该模块内的零件或者部件交互最大化,并且模块间的交互最小化。组合好的模块与机组系统其余模块或者部件之间,通过预先设计完善的标准接口来进行连接。

机组模块化设计定义如图1所示。

模块划分时一般原则如下:

(1)以尽可能少的模块组成更多产品,兼顾产品的通用性与多样性。

(2)模块结构及功能有一定的独立性和完整性。

(3)模块应具有可组合性和可互换性两个特征。

1.2模块化设计目的

通过模块化设计,可以大幅度降低风冷螺杆式冷水机组机械结构设计的复杂性。机组模块化设计通过"即插即用"轻松添加可选功能,可以最大限度满足市场客户的差异性需求。机组机械结构设计中,使用不同数量的模块,这些模块之间通过标准接口连接,相互组合可以轻松扩展产品系列的多样性。同时,对于模块的采购,可以根据模块的集成情况,整体采购,从而节约采购成本。

1.3模块化设计流程

机组机械结构的模块化设计分为两个不同的层次,一个是单一产品的模块化设计,另一个是家族产品、系列化模块设计[7-8]。

然而,无论是针对单一产品,还是家族系列化产品,一般都遵循一定的设计流程,如图2所示。

(1)根据市场部提供的市场客户需求,初步制定产品方案:

(2)分析产品库,拟定家族产品型谱:

(3)计算零部件通用性指数、产品族通用性指数:

(4)将零部件集成组合,把机组划分为几个核心模块:

(5)核心模块之间的零部件结构、位置等细节设计:

(6)完善核心模块库:

(7)制定并编写研发技术文档。

2模块化设计方法在风冷螺杆式冷水机组中的应用

2.1零部件与产品族通用性指数

针对风冷螺杆式冷水机组的机械结构,在产品库中有些零部件相似相通。为避免重复设计,降低制造、服务成本及家族产品的复杂性,需对产品数据库中的常见组件或部件的通用性进行统计。一般根据产品数据库参数,统计计算两个参数:一个为零部件通用性指数(CCI,ComponentCommonalityIndex),一个为产品族通用性指数(PFCI,ProductFamilyCommonalityIndex)。

2.1.1零部件通用性指数

对于机组常见组件或部件在产品系列中所占的百分比,定义为零部件通用性指数。

零部件通用性指数计算公式如下:

式中,N为产品变量数:M为组件变量的数量:L为通用子平台数量:pi为产品变量i的生产量:xij为产品变量i中存在的组件变体量j的数量。

根据零部件通用性指数的数值,可以判断出该零部件在产品库中的使用情况。数值越大,表明该零部件的通用程度越高,反之越小。然后,对比模块化设计参数,适当集成零部件,定义标准接口,组成模块。

2.1.2产品族通用性指数

产品族通用性指数是用来衡量设计变量在所有产品中取值的相似程度。通过产品族通用性指数,能够清楚设计变量的参数趋势、参数获取难易程度以及可重复性等特征。评价指数计算要从产品设计参数和结构出发,减少对权重参数的依赖。

产品族通用性指数计算公式如下:

式中,7为组件数量:CCI1为部件1的通用性指数:C1为部件1的平均成本。

一般要求零部件通用性指数和产品族通用性指数均大于60%,即零部件及机组结构具有较高程度的共性,但同时也能兼顾到产品的差异性。

2.2风冷螺杆式冷水机组模块划分

风冷螺杆式冷水机组,通过通用性计算,将其机械结构分为八大核心模块和六大可选模块。

2.2.1风冷螺杆式冷水机组核心模块

风冷螺杆式冷水机组八大核心模块分别为底框模块、压缩机一油分模块、盘管模块、盘管风机模块、蒸发器模块、风机支撑模块、控制器模块以及过滤器模块。

风冷螺杆式冷水机组机械结构八大核心模块及其相关信息如表1所示。

2.2.2风冷螺杆式冷水机组可选模块

风冷螺杆式冷水机组六大可选模块分别定义为能耗模块、经济器模块、加热段模块、ERV模块、湿度调节器模块以及回风模块。

该型号机组六大可选模块以及相关信息如表2所示。

2.3风冷螺杆式冷水机组的总装设计

根据风冷螺杆式冷水机组机械结构核心模块和可选模块的划分,建立各个模块的三维模型,并出具二维图纸。经过供应商三方比价,采购各个模块,搭建出工程样机以及制造样机。

风冷螺杆式冷水机组的总装设计如图3所示。

图3风冷螺杆式冷水机组的总装设计

3结语

本文采用模块化设计方法,对风冷螺杆式冷水机组的机械结构进行设计研发。经过从市场部调研、研发中心设计论证,到建立机组三维模型,再到实验及工程样机搭建,最终验证这种机组设计方法切实可行。机组机械结构采用模块化设计方法,不但提高了机组产品开发效率,也缩短了机组研发、制造的周期。另外,通过对模块内零部件结构的优化,调整了全球供应链,降低了企业整体的采购成本。本文对其他风冷螺杆式冷水机组的模块化设计研发具有一定的参考意义。