面向制造安裝和維護(hù)的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)

茹志云

摘要：本文闡明了面向制造、安裝和維護(hù)的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的意義，系統(tǒng)、深入的介紹了怎樣從企業(yè)的組織架構(gòu)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程和技術(shù)手段等方面實(shí)施，并有針對(duì)性的列出了水輪發(fā)電機(jī)組的DFX設(shè)計(jì)原則。本文對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用和推廣DFX有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組；制造安裝和維護(hù)；并行工程

中圖分類(lèi)號(hào)TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095-6363（2016）06-0202-02

水輪發(fā)電機(jī)組的制造、安裝和維護(hù)成本很高。目前大部分水輪發(fā)電機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)還沒(méi)有實(shí)施面向制造、安裝和維護(hù)的設(shè)計(jì)，或者還沒(méi)有系統(tǒng)的深度實(shí)施。因此，很有必要系統(tǒng)、深入的闡述怎樣開(kāi)展面向制造、安裝和維護(hù)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)企業(yè)有效實(shí)施，加快水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，綜合考慮其設(shè)計(jì)、制造、安裝和維護(hù)的成本，提高整個(gè)工程的綜合效益。

1.面向制造、安裝和維護(hù)設(shè)計(jì)的意義

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式是串行方法，即收到客戶(hù)的產(chǎn)品基本參數(shù)要求（如水頭、流量、發(fā)電量）后，設(shè)計(jì)部進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，然后是工程部做工藝設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備工裝夾具，生產(chǎn)部進(jìn)行零部件加工和裝配，最后整套設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試。加工、裝配、安裝、調(diào)試依次串行進(jìn)行。設(shè)計(jì)部門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)考慮工藝、工裝、裝配、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)、檢測(cè)等方面的要求和能力不到位，即使有要求相關(guān)部門(mén)參與提意見(jiàn)，由于沒(méi)有流程的支持，沒(méi)有成熟的評(píng)估原則，蜻蜓點(diǎn)水式的淺度參與，終歸流于形式而起不到應(yīng)有的作用。

這種運(yùn)作方式存在如下不足：1）造成零部件的可制造性、可安裝性、可維護(hù)性較差；2）設(shè)計(jì)、工藝、夾具反復(fù)修改，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；3）項(xiàng)目整體費(fèi)用高，常常表現(xiàn)為制造和安裝費(fèi)用高；4）產(chǎn)品不方便維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用高，用戶(hù)不滿(mǎn)意。

鑒于此，水輪發(fā)電機(jī)組企業(yè)非常有必要采用并行工程，運(yùn)用DFX技術(shù)，即在設(shè)計(jì)階段綜合考慮滿(mǎn)足產(chǎn)品的制造、裝配、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)等方面的要求，從產(chǎn)品的整個(gè)生命周期考慮設(shè)計(jì)。

2.并行工程簡(jiǎn)介

并行工程是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)和（制造、安裝、維護(hù)等）過(guò)程設(shè)計(jì)并行、集成處理的系統(tǒng)方法和綜合技術(shù)，它要求在項(xiàng)目的概念（評(píng)估）與計(jì)劃（設(shè)計(jì)）階段，開(kāi)發(fā)相關(guān)人員就要綜合考慮產(chǎn)品從概念形成到報(bào)廢/回收的整個(gè)生命周期的各種因素。

本文將并行工程的系列核心技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為DFX技術(shù)，它至少包括：1）DFM面向制造的設(shè)計(jì)；2）DFA面向裝配/安裝的設(shè)計(jì)；3）DFI面向檢測(cè)的設(shè)計(jì)；4）DFU面向使用的設(shè)計(jì)；5）DFS面向維護(hù)的設(shè)計(jì)；6）DFE面向環(huán)境的設(shè)計(jì)；7）DFR面向報(bào)廢與回收的設(shè)計(jì)。本文著重于DFM/DFA/DFS。

DFX是一種針對(duì)制造、安裝和維護(hù)等全生命周期的各環(huán)節(jié)統(tǒng)籌兼顧的設(shè)計(jì)技術(shù)。就是在產(chǎn)品滿(mǎn)足性能和使用的前提下，在設(shè)計(jì)一開(kāi)始就利用各種技術(shù)手段，進(jìn)行規(guī)劃、仿真、分析、評(píng)審，把制造、安裝和維護(hù)等系列因素添加到設(shè)計(jì)過(guò)程中去，從全生命周期的角度對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多方案分析，優(yōu)化決策，改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并盡可能降低產(chǎn)品總成本，實(shí)現(xiàn)整體效益。

3.矩陣組織架構(gòu)為并行工程提供組織保障

矩陣組織架構(gòu)由按職能劃分的部門(mén)和按項(xiàng)目劃分的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)組成。參與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員，在同原職能部門(mén)保持業(yè)務(wù)聯(lián)系的同時(shí)在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展相關(guān)工作。這種組織形式克服了傳統(tǒng)職能型組織架構(gòu)存在的跨部門(mén)溝通協(xié)調(diào)不便的固有缺陷，保證溝通順暢高效。

通過(guò)矩陣組織將市場(chǎng)、研發(fā)、工程、計(jì)劃、采購(gòu)、生產(chǎn)、質(zhì)量、財(cái)務(wù)、服務(wù)等項(xiàng)目成員組織到PDT（產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)）中，保證在項(xiàng)目的各個(gè)階段（尤其是概念階段和計(jì)劃階段）PDT成員能順利協(xié)同工作，以公司級(jí)組織的形式保證并行工程的穩(wěn)定、高效實(shí)施。

4.DFX與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程融合為并行工程提供流程保障

DFX理念和工具與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程相結(jié)合，能從流程上保證并行工程的切實(shí)實(shí)施。下面以IPD（集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)）為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明DFX與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程融合和實(shí)施過(guò)程。

在概念階段項(xiàng)目經(jīng)理即組建產(chǎn)品開(kāi)發(fā)核心小組。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)核心小組識(shí)別、定義用戶(hù)要求，設(shè)計(jì)初步方案，進(jìn)行功能/裝配建模，做產(chǎn)品的技術(shù)可行性與DFX（DFM/DFA/DFC/DFs/DFE）的分析與評(píng)審（TRl），以及項(xiàng)目的財(cái)務(wù)分析。經(jīng)IPMT或IRB決策評(píng)審（CDCP）決定項(xiàng)目是否繼續(xù)進(jìn)行。這樣就保證了各方面核心人員從一開(kāi)始就參與到項(xiàng)目中來(lái)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、DFX分析與評(píng)審。

在計(jì)劃階段進(jìn)行產(chǎn)品方案的完善、DFX分析與方案評(píng)審（TR2），以及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)評(píng)審（TR3），包括CAX（cAM/CAE/cAPP）設(shè)計(jì)與評(píng)審。

開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行樣機(jī)制作和測(cè)試，工程利用3D數(shù)據(jù)進(jìn)行CAX協(xié)同制造，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造無(wú)縫接軌。

在概念階段和計(jì)劃階段分別有CDCP和PDCP決策，只有方案技術(shù)可行，符合DFX要求，且達(dá)到預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目才會(huì)通過(guò)決策評(píng)審繼續(xù)往下開(kāi)展。

DFX集成進(jìn)入產(chǎn)品研發(fā)流程中，通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開(kāi)發(fā)和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的并行工程，可以大大縮短項(xiàng)目周期，提高產(chǎn)品的制造、安裝和維護(hù)的便利性。5技術(shù)手段保證并行工程的高效實(shí)施

應(yīng)用于并行工程的主要技術(shù)有：1）CAX技術(shù)：CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）；CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）；CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃）；CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）；2）PXM技術(shù)：PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）；PLM（產(chǎn)品生命周期管理）；3）計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。

開(kāi)發(fā)人員利用這些技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造一體化，使CAD、CAM、CAPP、PDM/PLM、ERP等實(shí)現(xiàn)真正的高度集成。這這些技術(shù)手段的支持下，在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的概念形成、方案分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、裝配安裝、維護(hù)售后、報(bào)廢回收、經(jīng)濟(jì)效益等所有因素。

6.水輪發(fā)電機(jī)組DFX設(shè)計(jì)原則

水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、裝配、安裝、維護(hù)是相互聯(lián)系的，是整個(gè)系統(tǒng)工程的一部分，應(yīng)該系統(tǒng)考慮，協(xié)同解決。

下面有針對(duì)性的提出水輪發(fā)電機(jī)DXF設(shè)計(jì)原則，這使得抽象的設(shè)計(jì)可以決策化，為開(kāi)發(fā)人員提供DFX設(shè)計(jì)指南，作為分析評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也便于計(jì)算機(jī)去處理這樣一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。

1）考慮零件的互換性，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，模塊化設(shè)計(jì)，減少零件個(gè)數(shù)和種類(lèi)。

2）充分考慮產(chǎn)品的裝夾與定位：有裝夾位特征，避免二次裝夾，使用標(biāo)準(zhǔn)刀具，減少換刀次數(shù)。

3）工差設(shè)計(jì)：尺寸公差、形位公差和表面粗糙度要求恰當(dāng)（滿(mǎn)足要求的前提下采用寬松的公差）；公差一致性；關(guān)鍵公差分析；零部件精度進(jìn)行合理的工藝分配。

4）易于檢測(cè)和可靠性試驗(yàn)；檢測(cè)工具、可靠性試驗(yàn)設(shè)備滿(mǎn)足要求。

5）可靠性設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品的MTBF。

6）根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境，靈活運(yùn)用一體式設(shè)計(jì)和分體式設(shè)計(jì)。

7）考慮安裝人員的技能與設(shè)備狀況，盡量采用易于裝配、方便維護(hù)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。

8）簡(jiǎn)化安裝過(guò)程，減少零件裝配方向，必要的導(dǎo)向、限位、避讓、防誤操作設(shè)計(jì)。

9）足夠的安裝操作空間；各安裝任務(wù)不沖突、不重復(fù)；滿(mǎn)足人機(jī)工程學(xué)要求。

10）防止零件欠約束和過(guò)約束；安裝后尺寸、公差滿(mǎn)足要求。

11）防錯(cuò)設(shè)計(jì)：具有唯一正確的安裝位置；明顯的防錯(cuò)特征；夸大零件的不相似性。

12）毛坯設(shè)計(jì)：分型面、澆口和流道合理；毛坯加工余量合理與裝夾位；毛坯加工后精度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

13）生產(chǎn)、安裝和維護(hù)能力是否能滿(mǎn)足產(chǎn)品要求；安裝現(xiàn)場(chǎng)是否滿(mǎn)足要求。

14）設(shè)備報(bào)廢與回收時(shí)便于拆卸。

15）綜合考慮產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和效率，使工程總成本達(dá)到最低。

16）各工序滿(mǎn)足勞動(dòng)防護(hù)要求。

7.實(shí)例說(shuō)明

本例介紹面向運(yùn)行、安裝和維護(hù)對(duì)推力軸承的設(shè)計(jì)優(yōu)化。推力軸承承受水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和軸向水推力，同時(shí)經(jīng)推力軸承將這些力傳遞給水輪發(fā)電機(jī)的載重機(jī)架。

軸承所承載的推力負(fù)荷決定了推力軸承的物理尺寸。通常大家按水輪機(jī)的最大水推力作為推力軸承的計(jì)算基準(zhǔn)。

如果深入分析水輪機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，統(tǒng)計(jì)相關(guān)運(yùn)行和維護(hù)數(shù)據(jù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)時(shí)候和情況下，水輪機(jī)承受的是額定水推力，這是水輪機(jī)工作的常態(tài)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步對(duì)水輪機(jī)的可靠性評(píng)估，發(fā)現(xiàn)按最大水推力計(jì)算推力軸承，安全系數(shù)太大，浪費(fèi)了材料和空間。如果按額定水推力設(shè)計(jì)軸承，同時(shí)用最大水推力進(jìn)行校核計(jì)算，可以非常明顯的降低推力軸承的材料成本和加工成本。

8.結(jié)論

在矩陣式的組織架構(gòu)下與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程融合、利用現(xiàn)代CAX和PXM技術(shù)手段、以DXF設(shè)計(jì)原則和成熟的經(jīng)驗(yàn)作為標(biāo)準(zhǔn)，保證水輪發(fā)電機(jī)組面向制造、安裝和維護(hù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)順利實(shí)施。