系統(tǒng)工程思想在機械傳動產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

董建峰

(江蘇省金象傳動設(shè)備股份有限公司，江蘇 淮安 223001)

系統(tǒng)工程思想在機械傳動產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

董建峰

(江蘇省金象傳動設(shè)備股份有限公司，江蘇 淮安 223001)

運用系統(tǒng)工程的思想，對機械傳動產(chǎn)品設(shè)計工作的設(shè)計規(guī)劃、實施和設(shè)計質(zhì)量的檢驗等3個階段進行方法上的描述，對機械傳動產(chǎn)品的設(shè)計工作有一定的指導(dǎo)價值。

系統(tǒng)工程；機械傳動產(chǎn)品；設(shè)計

系統(tǒng)工程是實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的科學，是高度綜合性的管理工程技術(shù)，其主要任務(wù)是應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學和電子計算機等工具，對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動控制等功能進行綜合分析研究，以達到最優(yōu)化的目標[1]。

工程技術(shù)的現(xiàn)代化促進了產(chǎn)品的升級，也促進了設(shè)計技術(shù)的發(fā)展：從手工繪圖、二維CAD到三維CAD；進入新世紀以來，網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展，為設(shè)計提供了十分有利的手段，協(xié)同設(shè)計、遠程設(shè)計以及并行設(shè)計[2]等應(yīng)運而生。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度發(fā)達，市場經(jīng)濟高度繁榮，導(dǎo)致了大規(guī)模定制生產(chǎn)模式的興起，如何快速完成復(fù)雜的設(shè)計工作，對研發(fā)管理和設(shè)計人員提出了更高的要求：快速應(yīng)對市場要求、制定詳細合理的方案、設(shè)計工作協(xié)調(diào)推進、設(shè)計內(nèi)容全面無遺漏、設(shè)計變更高效有序。

機械傳動產(chǎn)品作為可應(yīng)用于各行各業(yè)的重要機械傳動設(shè)備，隨著工業(yè)技術(shù)的進步，已經(jīng)發(fā)展成為集機電液一體化的可智能控制和監(jiān)測的較為復(fù)雜的系統(tǒng)。機械傳動產(chǎn)品雖然只是主機中的一個部件，但從質(zhì)量上講可達數(shù)百噸，從傳動功率上講可達百兆瓦，齒輪節(jié)圓線速度可達200m/s，重大產(chǎn)品常配置溫度、壓力、流量、振動等傳感器，并配置智能控制系統(tǒng)以實現(xiàn)節(jié)能和提高可靠性，產(chǎn)品的重要性和復(fù)雜性不可小覷。本文運用系統(tǒng)工程的思想，按照上述對研發(fā)管理和設(shè)計人員提出的要求，對機械傳動產(chǎn)品設(shè)計工作的設(shè)計規(guī)劃、實施和設(shè)計質(zhì)量的檢驗等3個階段[3]，進行方法上的描述。

1 基于系統(tǒng)工程的機械傳動產(chǎn)品設(shè)計工作的總體規(guī)劃

與設(shè)計其他復(fù)雜系統(tǒng)或產(chǎn)品一樣，機械傳動產(chǎn)品的設(shè)計工作，應(yīng)該以系統(tǒng)工程的原理為指導(dǎo)，對其進行總體規(guī)劃，以保證研發(fā)工作全面、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、快速地進行，即按照系統(tǒng)工程學的觀點，考慮周圍環(huán)境對設(shè)計工作的約束和影響，對產(chǎn)品設(shè)計工作進行全面的規(guī)劃。要使產(chǎn)品從研發(fā)、使用到回收報廢的整個工作過程處于穩(wěn)定的狀態(tài)，防止出現(xiàn)波動，應(yīng)對設(shè)計目標、內(nèi)容和方法進行妥善的安排，以使設(shè)計工作快速和高質(zhì)量地完成。

機械傳動產(chǎn)品設(shè)計的第一階段，要基于系統(tǒng)工程對機械傳動產(chǎn)品設(shè)計工作進行總體規(guī)劃，也就是對設(shè)計的第二、第三階段進行系統(tǒng)的規(guī)劃。規(guī)劃模型有7個方面的內(nèi)容，其中6個方面映射于設(shè)計工作的實施階段，1個方面映射于設(shè)計質(zhì)量檢驗階段。

2 產(chǎn)品設(shè)計的實施

2.1明確設(shè)計理念

在機械傳動產(chǎn)品設(shè)計中，關(guān)于設(shè)計理念，工程師們經(jīng)常想到的是模塊化設(shè)計理念、機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理念等。某電子產(chǎn)品制造商把“關(guān)注產(chǎn)品的使用者”作為在“功能、配置、價格、品質(zhì)”等4個元素之外所追求的“第五元素”，這也是一種設(shè)計理念。

有學者將工業(yè)設(shè)計理念歸納為5種：以藝術(shù)為中心、以功能為中心、以商業(yè)為中心、以人為中心和以自然為中心。

在高唱第四次工業(yè)革命的今天，綠色設(shè)計理念或稱低碳理念深得人心。

在設(shè)計時應(yīng)主動地遵循低碳理念，在繼承優(yōu)秀經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進行設(shè)計思路的創(chuàng)新和產(chǎn)品的創(chuàng)新，實現(xiàn)產(chǎn)品的節(jié)能降耗、社會的可持續(xù)發(fā)展。按照這種理念設(shè)計的產(chǎn)品，不僅市場歡迎，還符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，可得到政策支持，有利于產(chǎn)品發(fā)展。

明確設(shè)計理念非常重要。這是宏觀決策，是戰(zhàn)略。

2.2考慮設(shè)計環(huán)境

在開展設(shè)計工作之前以及設(shè)計過程中，設(shè)計者應(yīng)對產(chǎn)品設(shè)計的主觀條件和客觀環(huán)境做全面了解。

a.自然環(huán)境：如溫度(影響材料的低、高溫性能)、濕度(腐蝕)、氣壓(散熱)、粉塵等，延伸開來，還有生態(tài)環(huán)境的要求，如環(huán)境保護、資源利用等。

b.社會環(huán)境：有人文、法律等方面的內(nèi)容，如不同的民族習性。

c.技術(shù)環(huán)境：研發(fā)隊伍的情況、周邊協(xié)作廠商的技術(shù)設(shè)備水平和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、產(chǎn)學研合作情況、試驗條件等。筆者對這一條最有體會：對于齒輪傳動而言，近30年，齒輪精加工從滾插齒到磨齒，從展成磨到成形磨，精度不僅在提高，而且更穩(wěn)定，設(shè)計人員可以有把握地預(yù)測產(chǎn)品使用效果，因此在設(shè)計齒輪時，就可以降低安全系數(shù)，實現(xiàn)精確設(shè)計，降低成本。

d.資金環(huán)境：可用于研發(fā)的資金保證情況。

e.市場環(huán)境：市場的需求和潛在的需求，是產(chǎn)品研發(fā)的前提，其規(guī)模的大小決定了產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果。

設(shè)計環(huán)境既可能對產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生約束，也可能起促進作用。如果充分利用好周圍的環(huán)境，也會給產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)造良好的條件，成為產(chǎn)品設(shè)計工作可以充分利用的資源。

2.3制定設(shè)計步驟

機械傳動產(chǎn)品設(shè)計過程可細分為以下5個主要步驟：

第一步為獲取用戶信息、國際國內(nèi)同類產(chǎn)品信息、上下游產(chǎn)品信息，提出產(chǎn)品設(shè)計階段目標，輸出文件為設(shè)計和開發(fā)任務(wù)書。

第二步是依據(jù)提出的設(shè)計目標，根據(jù)長期積累的成功設(shè)計經(jīng)驗，選擇合適的傳動類型，完成傳動產(chǎn)品的方案設(shè)計。

第三步是運用動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化和可視化優(yōu)化等方法，完成產(chǎn)品的設(shè)計工作。具體包括幾何、運動、強度、剛度、修形、振動、熱變形、功率、效率、電器控制、冷卻潤滑等方面的計算，總裝圖、零部件圖、控制系統(tǒng)圖、冷卻潤滑系統(tǒng)圖的繪制，尺寸鏈、公差等的計算等。

第四步是完成產(chǎn)品及零部件的工藝設(shè)計，并設(shè)計必要的工藝工裝。

第五步是對設(shè)計的質(zhì)量進行驗證和改進。

上述步驟，特別是第二、三、四步，可由多人完成，但必須協(xié)調(diào)一致。

2.4確定設(shè)計目標

對于機械傳動產(chǎn)品，其總體宏觀的研發(fā)目標是：高性能、低成本、小型輕量化和適應(yīng)性。

對于具體的產(chǎn)品，確立產(chǎn)品的設(shè)計目標時，首先要分析產(chǎn)品質(zhì)量特性的重要度，根據(jù)表1所述產(chǎn)品質(zhì)量特性重要度，進行有針對性的構(gòu)建。

表1 產(chǎn)品質(zhì)量特性重要度

表格中質(zhì)量特性重要度一欄的3種特性之間，沒有劃出分隔線，是因為10種質(zhì)量特性的重要程度不是一成不變的。

產(chǎn)品的設(shè)計目標模型可以從兩個角度進行構(gòu)建。一是把產(chǎn)品的設(shè)計目標通過產(chǎn)品所要實現(xiàn)的主輔功能與產(chǎn)品的三大性能[4]加以描述。三大性能即結(jié)構(gòu)性能、使用性能、制造性能。二是直接以設(shè)計產(chǎn)品的5個基本要素對設(shè)計目標進行規(guī)劃，5個要素即產(chǎn)品的使用質(zhì)量Q、制造成本C、制造周期T、環(huán)境意識E和售后服務(wù)S(包括產(chǎn)品的維修、升級和回收)。在進行機械傳動產(chǎn)品的設(shè)計時，常采用第一種目標模型。

下面以構(gòu)建產(chǎn)品功能要求為例，說明如何正確確定產(chǎn)品的合適的功能。

用戶對產(chǎn)品的需求，就是對產(chǎn)品功能的需求。用戶購買產(chǎn)品實際就是購買產(chǎn)品的功能。而無論實現(xiàn)哪種功能，都需要有成本的投入。價值工程中常用價值來評價功能與成本的關(guān)系和程度，即價廉物美度。價值V可用功能Fi與成本C的比值來表示[3]:

式中：Fi為第i種功能；N為功能的數(shù)目。

可見，為提高產(chǎn)品的價值，應(yīng)該采取以下幾種措施：(1)在不增加成本C的情況下增加功能F；(2)在不降低功能F的情況下減少成本C；(3)功能F增加的倍數(shù)遠大于成本C增加的倍數(shù)；(4)功能F降低的倍數(shù)遠小于成本C降低的倍數(shù)；(5)功能F增加，而成本C降低。

顯然(5)為最理想的一種方案，但也可能是最困難的。只有在采用重大舉措，如采用高新技術(shù)的情況下，才能實現(xiàn)這一目標。因此，確定產(chǎn)品的功能時，應(yīng)遵循的原則是：保證基本功能，滿足使用功能，增添新的功能，剔除多余功能，恰到好處地利用外觀功能的原則，提高功能價值，力求使產(chǎn)品達到價廉物美的理想程度。

對產(chǎn)品功能的要求應(yīng)恰如其分，既不能過高，也不能過低。要求過高，如制造精度太高，安全系數(shù)過大，所選取的材料太昂貴，過長的壽命要求，過大的電機功率，采用過分先進的技術(shù)等，都會增加產(chǎn)品的制造成本，延長產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，造成不必要的浪費；如要求過低，會給產(chǎn)品使用帶來麻煩。

齒輪傳動產(chǎn)品設(shè)計人員特別需要注意幾種低碳合金鋼的性價比，幾種表面處理方法如滲碳淬火、感應(yīng)淬火、離子氮化等的性價比，合理選擇。

同樣道理，對產(chǎn)品三大性能的要求也應(yīng)恰當。三大性能的具體內(nèi)容[4]如下。

結(jié)構(gòu)性能：(1)人機安全性；(2)系統(tǒng)可靠性；(3)工作耐久性；(4)材質(zhì)適應(yīng)性；(5)結(jié)構(gòu)緊湊性；(6)環(huán)境無害性；(7)造型藝術(shù)性；(8)設(shè)計經(jīng)濟性。

使用性能：(1)工效適用性；(2)工作穩(wěn)定性；(3)指標優(yōu)越性；(4)設(shè)備動力性；(5)狀態(tài)測控性；(6)故障可診性；(7)操作宜人性；(8)使用經(jīng)濟性。

制造性能：(1)結(jié)構(gòu)工藝性；(2)機器規(guī)范性；(3)容差合理性；(4)生產(chǎn)時間性；(5)裝運可行性；(6)設(shè)備維修性；(7)報廢回收性；(8)制造經(jīng)濟性；(9)其他。

設(shè)計目標的規(guī)劃、產(chǎn)品功能性能的確定，屬于產(chǎn)品研發(fā)過程的宏觀決策，應(yīng)慎重對待。

2.5規(guī)劃好設(shè)計內(nèi)容

主要是對產(chǎn)品功能的設(shè)計。包括：方案、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、強度、剛度、摩擦學和表面處理、可靠性、運動學設(shè)計、動力學設(shè)計、監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、容差設(shè)計、工藝設(shè)計、檢驗試驗設(shè)計等。

設(shè)計內(nèi)容的規(guī)劃應(yīng)該由具有足夠的產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗的工程技術(shù)人員負責，以保證規(guī)劃內(nèi)容充分但不浪費。

通常，機械傳動產(chǎn)品設(shè)計輸出文件有：(1)方案圖；(2)裝配圖；(3)零部件圖；(4)潤滑系統(tǒng)圖；(5)電氣系統(tǒng)圖；(6)工裝圖；(7)工藝文件；(8)采購及外包文件；(9)檢驗試驗規(guī)范；(10)安裝示意圖；(11) 產(chǎn)品使用說明書；(12)BOM清單；(13)常規(guī)設(shè)計計算報告及其他要求的計算報告；(14)對于配備潤滑系統(tǒng)的傳動設(shè)備，設(shè)計輸出文件中應(yīng)包含潤滑系統(tǒng)圖并需進行必要的壓力、流量、熱功率等方面的計算；(15)對于配置電氣控制或電子控制系統(tǒng)的傳動設(shè)備，需進行控制方面的計算和控制過程的設(shè)計，給出相應(yīng)的計算報告、采購規(guī)范等設(shè)計文件；(16)裝箱單(若分箱，還需分箱明細表)；(17)其他要求的輸出文件。

2．6選擇好設(shè)計方法

對于機械傳動產(chǎn)品，包括其他類型的機械產(chǎn)品，常采用1+3綜合設(shè)計法[4]。

綜合設(shè)計法的主要內(nèi)容是功能優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、智能優(yōu)化設(shè)計和可視化優(yōu)化設(shè)計。具體敘述如下：

a.功能優(yōu)化設(shè)計。這是從產(chǎn)品所要實現(xiàn)的功能、產(chǎn)品標準和用戶所提出的基本要求出發(fā)，選定產(chǎn)品的設(shè)計方案，即確定傳動結(jié)構(gòu)形式、傳動系統(tǒng)組成，計算與選擇主要參數(shù)。

b.動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。這是在已完成機械傳動產(chǎn)品初步方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，進一步分析和計算傳動系統(tǒng)的運動學和動力學參數(shù)，計算零部件的剛度、強度及壽命等，進而確定機械傳動產(chǎn)品及其零部件的尺寸；通過理論分析，研究機械傳動產(chǎn)品的動態(tài)特性，并在可能進行的結(jié)構(gòu)或其模型試驗的基礎(chǔ)上，對初步設(shè)計階段的圖形、尺寸和方案等進行修改。

c.智能優(yōu)化設(shè)計。有兩方面的含義：一是采用智能化的手段來完成產(chǎn)品設(shè)計；二是對所設(shè)計的產(chǎn)品的主要參數(shù)和工作過程實現(xiàn)智能控制和優(yōu)化，使機械傳動產(chǎn)品具有更高的工作性能及更人性化的操控性能。

d.可視化優(yōu)化設(shè)計。屬局部范圍內(nèi)的虛擬設(shè)計。在設(shè)計過程中，采用三維造型和各種先進的可視化技術(shù)手段，將機械傳動產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、制造過程、裝配過程以及工作過程的特征形象地表現(xiàn)出來，通過可視化手段來檢驗其可行性與合理性，以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，從而對設(shè)計方案和圖樣進行修改，進一步提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

針對不同的產(chǎn)品，或不同的設(shè)計階段，產(chǎn)品研發(fā)部門應(yīng)建立指導(dǎo)性的制度，用于設(shè)計方法的選擇。努力推廣采用智能設(shè)計軟件進行具體的運算、優(yōu)化選擇和優(yōu)化設(shè)計。

3 設(shè)計質(zhì)量檢驗與評估

為了提高開發(fā)機械傳動產(chǎn)品的速度和質(zhì)量，需要建立設(shè)計質(zhì)量的評價準則和評價方法。

基于系統(tǒng)工程的設(shè)計是一種全程的全方位的設(shè)計，對設(shè)計質(zhì)量的檢驗與評估也是一項復(fù)雜的工作。按照ISO9001質(zhì)量管理體系的觀點，評價設(shè)計質(zhì)量有對設(shè)計輸出文件進行評審、驗證和確認3種方法。

評審是對設(shè)計質(zhì)量進行審查評估，采用的方法有模糊評價法、系統(tǒng)分析法和價值工程評價法等。評審的組織實施，常采用校對、審、批等逐級簽字方式進行評審或召開評審會議。

通常，對機械傳動產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量審查評估采用模糊評價法，具體評價以下內(nèi)容：(1)承載能力；(2)安裝條件、接口尺寸及其可檢測性；(3)可用性；(4)可維修性；(5)可靠性；(6)結(jié)構(gòu)；(7)經(jīng)濟性；(8)各重要零部件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、幾何參數(shù)、尺寸、尺寸關(guān)系、精度、冷熱加工工藝性、可檢測性，包括整機的可檢測性；(9)各重要零部件及整機的搬運、起吊、防護；(10)輸出文件的完整性、正確性。

驗證方法有：

a.可以采用多種方法進行計算，如強度剛度計算、應(yīng)力計算、變形計算等，采用不同的計算方法對設(shè)計結(jié)果進行驗證。

b.有成功經(jīng)驗可借鑒的，采用類比的方法，通過與已成功的類似設(shè)計的比較進行驗證。

c.對于重要且復(fù)雜的新產(chǎn)品，應(yīng)在設(shè)計的適當階段，進行產(chǎn)品部件的試驗，或?qū)Ξa(chǎn)品樣機采用加載試驗的方法對設(shè)計進行驗證。

d.常規(guī)機械傳動產(chǎn)品的設(shè)計，采用整機裝配的方法進行驗證。

設(shè)計驗證證實輸出文件不滿足輸入要求時，設(shè)計者應(yīng)更正輸出文件或重新設(shè)計。

確認是為了確保所設(shè)計的產(chǎn)品滿足規(guī)定的或預(yù)期的使用要求。確認方法有：

a.產(chǎn)品鑒定。

b.產(chǎn)品要求特殊，無法在實際使用條件下進行確認的，可由顧客在設(shè)計開發(fā)輸出圖樣、工藝文件上簽字進行確認，或在試驗臺模擬產(chǎn)品的使用條件，通過試驗進行確認。

c.常規(guī)機械傳動產(chǎn)品，采用顧客使用的方法進行確認。

總之，機械傳動產(chǎn)品要做到高性能、低成本、小型輕量化和強適應(yīng)性，設(shè)計工作至關(guān)重要。有研究發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)計費用只占生產(chǎn)總成本的5%～10%，但是卻決定了制造成本的75%以及產(chǎn)品性能的80%。另外有研究表明，設(shè)計階段就確定了產(chǎn)品全生命周期成本的70%，其中產(chǎn)品全生命周期成本包括材料費、制造費、使用費、維修和拋棄處理費用。因此，要按照系統(tǒng)工程的思想，對設(shè)計全過程進行系統(tǒng)規(guī)劃，使設(shè)計工作高效運轉(zhuǎn)，使產(chǎn)品在全生命周期處于可控的狀態(tài)。

[1] [美]亞歷山大·柯薩科夫，威廉姆·N·斯威特.系統(tǒng)工程原理與實踐[M].胡保生，譯. 西安:西安交通大學出版社，2006.

[2] 余俊.現(xiàn)代設(shè)計方法及應(yīng)用[M].北京:中國標準出版社，2002.

[3] 聞邦椿.機械產(chǎn)品的功能及功能優(yōu)化設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[4] 聞邦椿，劉樹英，李小彭.產(chǎn)品的主輔功能與功能優(yōu)化設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

TheApplicationofSystemEngineeringTheoryintheDesignofMechanicalTransmissionProduct

DONG Jianfeng

(Jiangsu Jinxiang Transmission Equipment Co., Ltd., Jiangsu Huai'an, 223001, China)

It applies the theory of system engineering technology to design the mechanical transmission product, describes the method of the scheme, execution and quality inspection in mechanical transmission product design process, and introduces the values in the design work of mechanical transmission product.

System Engineering; Mechanical Transmission Product; Design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.020

2013-12-23

董建峰(1966—)，男，江蘇沭陽人，江蘇省金象傳動設(shè)備股份有限公司高級工程師，碩士，主要從事機械傳動產(chǎn)品研發(fā)工作。

TB47

A

2095-509X(2014)02-0082-04