精益設(shè)計(jì)在提升設(shè)備設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

惠川川， 張虎山， 高翔， 李慧瑩， 唐文

( 1. 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司, 陜西 寶雞721002；2. 國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002)

0 引 言

鉆井和采油提升設(shè)備的范圍比較廣泛，包括游車、大鉤、水龍頭及提升滑輪等。目前提升設(shè)備根據(jù)鉆深或承載能力分類已基本上實(shí)現(xiàn)系列化，對(duì)這些系列化產(chǎn)品我們通常稱之為老產(chǎn)品?，F(xiàn)如今，石油鉆采設(shè)備發(fā)展日新月異，自動(dòng)化、智能化及輕量化等已成為鉆采設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)這些老產(chǎn)品而言，設(shè)備笨重、材料種類繁多、結(jié)構(gòu)形式多樣化等特點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了提升設(shè)備的發(fā)展，因此，很有必要針對(duì)老產(chǎn)品進(jìn)行精益化的設(shè)計(jì)。

本文介紹了精益設(shè)計(jì)的思想和精益設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并以提升設(shè)備的精益化設(shè)計(jì)的案例證明精益設(shè)計(jì)可以降低生產(chǎn)制造成本，實(shí)施精益設(shè)計(jì)是非常必要的，為提升設(shè)備的后續(xù)發(fā)展提供了參考及思路。

1 精益設(shè)計(jì)思想

精益生產(chǎn)源自于日本豐田管理方式，它的主要思想是消除浪費(fèi)、持續(xù)改善[1]。實(shí)踐證明，精益生產(chǎn)在當(dāng)時(shí)是一種科學(xué)的、有效的管理理念，使得豐田公司成功登頂全球第一大汽車制造商，隨后被眾多企業(yè)學(xué)習(xí)借鑒并應(yīng)用。但是，隨著時(shí)間的推移和社會(huì)的發(fā)展，這些企業(yè)中，部分企業(yè)取得了效果，但仍有部分企業(yè)毫無(wú)進(jìn)步甚至倒退。主要原因是部分企業(yè)在借鑒使用的過程中存在意識(shí)上的誤區(qū)，把精益生產(chǎn)僅僅局限在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，收效甚微。所以隨后提出精益設(shè)計(jì)的概念，也就是說，要想從根本上消除浪費(fèi)，就應(yīng)將精益的思想擴(kuò)展到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)[2]，并逐步貫穿至企業(yè)發(fā)展的全過程。

首先，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量在很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的理解力和感受力，難免出現(xiàn)失誤。所以，及早地將精益的思想擴(kuò)展并運(yùn)用到設(shè)計(jì)階段，可以避免將有問題的設(shè)計(jì)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，就可以在早期盡最大可能地杜絕后續(xù)過程出現(xiàn)浪費(fèi)。

其次，精益設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)追求設(shè)計(jì)過程及能力的最優(yōu)化?？梢哉f實(shí)施精益設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)的基礎(chǔ)，一個(gè)沒有進(jìn)行精益設(shè)計(jì)的企業(yè)若想在后期取得顯著精益改善效果是相當(dāng)困難的。即精益思想應(yīng)用的時(shí)間越早，實(shí)施改善活動(dòng)的柔性就越大，改善活動(dòng)成功的概率越大，系統(tǒng)所能得到的期望改善效果越顯著[3]。

2 精益設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

如今，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，客戶需求趨于個(gè)性化、多樣化和供貨期短等特點(diǎn)，所以進(jìn)行精益設(shè)計(jì)是必然且有效的選擇。那么精益設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有什么區(qū)別呢？

首先，在實(shí)現(xiàn)方式方面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依靠設(shè)計(jì)人員，借助簡(jiǎn)單少量的計(jì)算機(jī)技術(shù)，憑借其經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行；而精益設(shè)計(jì)通過多部門聯(lián)合組成項(xiàng)目組，主要依托精益理念和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施。

其次，在柔性方面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)失誤或缺陷很難發(fā)現(xiàn)，只有在后續(xù)生產(chǎn)過程中才能顯現(xiàn)，并且對(duì)于用戶中途或其他階段提出變化后不能快速響應(yīng)并及時(shí)作出調(diào)整；而精益設(shè)計(jì)針對(duì)上述情況可及時(shí)、準(zhǔn)確地作出反應(yīng)并積極調(diào)整，以滿足用戶的需求，即具備可視化、動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)。

再次，在參與者方面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)人員為主要組成部分。精益設(shè)計(jì)是由多部門組成，同時(shí)用戶也參與其中。

最后，在效果方面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題直接影響后期產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間、成本等，并最終影響企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力；而精益設(shè)計(jì)由于依托精益理念，就從根本上消除了浪費(fèi)，為后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)奠定了良好的基礎(chǔ)，有效地提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 精益設(shè)計(jì)在提升設(shè)備設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

3.1 材料優(yōu)化

如表1所示，系列游車側(cè)板材料有4種材料，通過合并統(tǒng)一，減少1種。

表1 系列游車側(cè)板材料

精益設(shè)計(jì)實(shí)施效果：同類產(chǎn)品材料統(tǒng)一，便于采購(gòu)和組織生產(chǎn)，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化和系列化是精益設(shè)計(jì)的重要組成部分，產(chǎn)品只有實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，才能及時(shí)響應(yīng)客戶的供貨期短的要求，才能靈活應(yīng)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整[4]。

首先，以YC585游車吊梁為例。YC585游車由于用戶需求的不同，前后共設(shè)計(jì)了4種型號(hào)，導(dǎo)致存在4種不同安裝尺寸的吊梁，如表2所示。通過對(duì)其參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最終優(yōu)化為2種。

表2 YC585游車吊梁參數(shù)

精益設(shè)計(jì)實(shí)施效果：同類產(chǎn)品通過合并減少種類，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，便于生產(chǎn)組織、管理。

其次，同級(jí)別鉆機(jī)的天車和游車的滑輪及軸承可以相互替換使用。這種標(biāo)準(zhǔn)化的模式有利于產(chǎn)品的安裝與后期維修。

除了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，目前游車、大鉤和水龍頭已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)系列化，游車按承載能力分為YC180、…、YC1125等共計(jì)10種；大鉤按按承載能力分為DG180、…、DG900等共計(jì)8種；水龍頭按按承載能力分為SL135、…、SL675等共計(jì)8種。系列化的產(chǎn)品為用戶提供了多樣化的選擇，同時(shí)也增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)占有率。

3.3 輕量化設(shè)計(jì)

提升設(shè)備作為鉆采裝備的重要組成部分，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中是越結(jié)實(shí)越好，安全系數(shù)普遍偏高[5]，而且為了通用化的要求，實(shí)際使用中存在大件小用的情況，并且由于零部件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多使用鑄鍛件，所以造成設(shè)備整體笨重、加工制造成本高，而輕量化設(shè)計(jì)是必然的。如表3所示，以YC450游車為例，以輕量化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，經(jīng)過精益設(shè)計(jì)的游車比傳統(tǒng)游車減重達(dá)34.9%，效果非常顯著。

表3 YC450游車輕量化參數(shù)對(duì)比

3.4 仿真技術(shù)應(yīng)用

目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)憑借其在智能化、可視化等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍越來越廣。仿真技術(shù)直觀、可視，能處理復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案，它具有良好的柔性和較強(qiáng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)功能，且用時(shí)較短。具體以提升設(shè)備為例進(jìn)行說明。

3.4.1 PSL2級(jí)游車提環(huán)座的仿真設(shè)計(jì)

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)很難滿足超聲波探傷的要求，所以該提環(huán)座采用整體鑄造結(jié)構(gòu)[6]，替代傳統(tǒng)游車的耳板焊接結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)過程運(yùn)用UG NX軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真建模，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析，滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，最大限度地減輕了質(zhì)量。相對(duì)二維CAD圖樣而言，該結(jié)構(gòu)很直觀，可根據(jù)目標(biāo)要求隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，具有良好的柔性，整個(gè)設(shè)計(jì)建模過程快速、簡(jiǎn)便。

3.4.2 YC1125游車整體仿真設(shè)計(jì)

YC1125游車作為目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)格的游車，強(qiáng)度滿足要求的同時(shí)，質(zhì)量控制是非常重要的工作，國(guó)外同級(jí)別的游車質(zhì)量為20 t[7]。通過運(yùn)用UG NX三維仿真軟件進(jìn)行建模分析，借鑒傳統(tǒng)游車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用精益設(shè)計(jì)的理念，最終設(shè)計(jì)質(zhì)量為18 t，比國(guó)外同級(jí)別產(chǎn)品輕2 t。通過精益化仿真設(shè)計(jì)，該游車的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1）吊梁結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。由傳統(tǒng)的銷軸連接的結(jié)構(gòu)形式（如圖2）改進(jìn)為現(xiàn)在的螺栓連接的結(jié)構(gòu)形式（如圖3），雖然仍是鑄造結(jié)構(gòu)，但是相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，周期短、缺陷少、合格率高，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減重達(dá)40%。2）空心滑輪軸仿真設(shè)計(jì)。該滑輪軸采用空心光軸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便經(jīng)濟(jì)，相比實(shí)心結(jié)構(gòu)減重達(dá)20%。3）工字形結(jié)構(gòu)提環(huán)的仿真設(shè)計(jì)。該新型結(jié)構(gòu)（如圖4）依據(jù)工字鋼結(jié)構(gòu)特性，在保證整體強(qiáng)度的同時(shí)，減重達(dá)19%。

圖1 提環(huán)座三維結(jié)構(gòu)模型

圖2 常規(guī)吊梁三維結(jié)構(gòu)模型

圖3 吊梁三維結(jié)構(gòu)模型

圖4 提環(huán)三維結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié) 語(yǔ)

1）精益設(shè)計(jì)源于精益生產(chǎn)，但又助推精益生產(chǎn)。實(shí)踐證明，精益設(shè)計(jì)可以給企業(yè)提供一個(gè)消除浪費(fèi)、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的平臺(tái)，并為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供長(zhǎng)期的動(dòng)力。2）精益設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段可以有效提高設(shè)計(jì)效率，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)制造成本。3）必須始終貫穿精益設(shè)計(jì)的理念，只有這樣，企業(yè)才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下生存，才能滿足用戶多樣化、個(gè)性化的需求。4）精益設(shè)計(jì)在提升設(shè)備設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用效果顯著，為產(chǎn)品后續(xù)的優(yōu)化和開發(fā)提供了參考和思路。