叢顯虎，耿 培，劉永超，李 賽，閻 寧，鄧 飛

（1.河北綠洲機(jī)械制造集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

全球科技創(chuàng)新促進(jìn)了機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，用戶對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的使用價(jià)值要求也日益提高，不僅要具備完善的功能和可靠的質(zhì)量等基本功能特征，更要求通過整合機(jī)械產(chǎn)品的性能和造型，優(yōu)化產(chǎn)品外觀，增加藝術(shù)美感，提升價(jià)值定位，滿足社會(huì)和企業(yè)文化多樣化的綜合品質(zhì)需求。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)而言，就需要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造手段，顯著提高產(chǎn)品的性能，增加產(chǎn)品附加值，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

河北綠洲機(jī)械制造集團(tuán)有限公司是專業(yè)從事大中型石膏建材裝備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)，科研實(shí)踐表明：在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中融入工業(yè)設(shè)計(jì)的構(gòu)造方法和設(shè)計(jì)理念，通過機(jī)械設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)的并行和協(xié)同，能夠快速創(chuàng)新和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能結(jié)構(gòu)，大幅縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期；在機(jī)械產(chǎn)品的外觀造型開發(fā)中大量采用形象化的工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)符號(hào)，能夠強(qiáng)化企業(yè)和市場(chǎng)的關(guān)系，通過系列化產(chǎn)品推廣形成企業(yè)的獨(dú)特風(fēng)格特征，促進(jìn)企業(yè)文化形象建設(shè)，提升企業(yè)的社會(huì)知名度和品牌價(jià)值[2]。

基于以上分析，河北綠洲機(jī)械制造集團(tuán)有限公司在新型纖維石膏板生產(chǎn)裝備開發(fā)過程中，將工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)并行展開、協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品外觀、功能和結(jié)構(gòu)等綜合品質(zhì)指標(biāo)的大幅突破。

1 纖維石膏板生產(chǎn)裝備技術(shù)特征

纖維石膏板是一種新型建材，它以石膏粉為主原料，將兩層纖維網(wǎng)格布分別敷面于板材的上表層、下表層，由于纖維網(wǎng)格布敷面時(shí)浸入到石膏漿液內(nèi)，石膏板凝固成型后纖維布外露不明顯，業(yè)內(nèi)也稱無紙面石膏板。纖維石膏板的力學(xué)性能、防水防火性能等綜合性能均優(yōu)于紙面石膏板，近幾年逐漸成為流行的高端建筑板材，市場(chǎng)應(yīng)用顯著擴(kuò)大。纖維石膏板生產(chǎn)裝備屬于大型化、生產(chǎn)線式、成套組合式建材裝備，其生產(chǎn)功能基于纖維石膏板的特有成型工藝特點(diǎn)而開發(fā)，包括全生產(chǎn)流程功能設(shè)備及配屬運(yùn)輸管線的設(shè)計(jì)和制造，并突出自動(dòng)化和高速化性能指標(biāo)。該裝備主要結(jié)構(gòu)包括4 個(gè)功能設(shè)備模塊：供料設(shè)備模塊、成型設(shè)備模塊、整理設(shè)備模塊、烘干設(shè)備模塊，完成從配料制漿到成品包裝入庫的全生產(chǎn)流程，涉及的功能子設(shè)備達(dá)幾十臺(tái)，單套裝備的總成本在1200萬元以上，實(shí)用性和新穎性非常突出。

2 纖維石膏板裝備工業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)

工業(yè)設(shè)計(jì)在纖維石膏板生產(chǎn)裝備研發(fā)中需完成以下設(shè)計(jì)任務(wù)：一在外觀設(shè)計(jì)方面，采用豐富的外觀造型和靈活多樣的色彩組合設(shè)計(jì)，充分展現(xiàn)大工業(yè)化生產(chǎn)氣息和高科技企業(yè)形象，顯著提升用戶和客戶的視覺審美感受，大幅提高裝備的價(jià)值定位。二在功能設(shè)計(jì)方面，從功能實(shí)現(xiàn)、仿真設(shè)計(jì)、布局規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)模擬、制造方式等技術(shù)特征點(diǎn)著手，通過工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備功能和布局進(jìn)行完善和創(chuàng)新，顯著提高裝備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費(fèi)用[3]。三在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，利用人機(jī)工程學(xué)把人、機(jī)、環(huán)境作為設(shè)計(jì)對(duì)象，提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、操作性、安全性，提高現(xiàn)場(chǎng)人員的工作舒適性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

大型纖維石膏板生產(chǎn)裝備創(chuàng)新開發(fā)注重自動(dòng)化和產(chǎn)能指標(biāo)，基于公司技術(shù)儲(chǔ)備，確定以下主要技術(shù)指標(biāo)：生產(chǎn)能力不小于3000 m2/h；成型段總長度約350 m；干燥機(jī)封閉段長度約150 m，該指標(biāo)是傳統(tǒng)設(shè)備的2～4 倍，但整體尺寸指標(biāo)（占地面積） 僅比傳統(tǒng)設(shè)備增加不超過30%。基于以上指標(biāo)，工業(yè)設(shè)計(jì)在裝備研發(fā)中需完成的布局規(guī)劃類任務(wù)包括：根據(jù)客戶文化和形象建設(shè)需求以及大型裝備安裝要求，提前對(duì)用戶的生產(chǎn)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量和布局規(guī)劃，在裝備的機(jī)械設(shè)計(jì)定制開發(fā)中利用工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)整體安裝布局進(jìn)行仿真模擬，并結(jié)合設(shè)備功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化的綜合考慮，提前確定最佳的布局方案，協(xié)同完成裝備的高品質(zhì)、高速度的開發(fā)[4]。

3 工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 供料設(shè)備模塊外觀設(shè)計(jì)

供料設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)石膏粉、玻璃纖維、添加劑、工藝水的穩(wěn)定供給，包括石膏料倉、輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、螺旋輸送機(jī)、喂料機(jī)以及計(jì)量輸送系統(tǒng)等十幾臺(tái)功能子設(shè)備，整體安裝連接后外觀體積龐大，整體設(shè)置于室外。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：從設(shè)備的結(jié)構(gòu)造型、層次搭配、整體配色和安裝布局方面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，要突出表現(xiàn)客戶企業(yè)的大生產(chǎn)氣息和工業(yè)美學(xué)特征，同時(shí)提高室外廠區(qū)生產(chǎn)場(chǎng)地的利用率。

設(shè)計(jì)過程和效果：從外觀設(shè)計(jì)上，石膏料倉體積大，為便于裝卸原料設(shè)置在露天廠區(qū)，根據(jù)儲(chǔ)存量往往需要設(shè)置多個(gè)料倉，因此將石膏料倉的外觀統(tǒng)一設(shè)計(jì)為圓柱形倉體結(jié)構(gòu)，多個(gè)倉體集中并列設(shè)置，根據(jù)原料存放量進(jìn)行高低層次搭配，整體亮光用金屬銀配色，如同銀山堆積，在陽光照射下閃爍奪目、交相輝映，視覺沖擊震撼；各提升機(jī)、輸送機(jī)、輸送管路等輸送機(jī)械按功能類別進(jìn)行造型和配色設(shè)計(jì)，輸送機(jī)械采用方形矗立式造型，外殼體采用差異性黃色配色，彩色的架空管道在石膏料倉中間穿越、穿插式互聯(lián)互通設(shè)置，構(gòu)建相互映襯式工業(yè)化造型。供料設(shè)備模塊整體視覺場(chǎng)景凸顯立體感、層次感和宏大場(chǎng)面，凸顯大生產(chǎn)氛圍。從安裝規(guī)劃方面，通過工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)室外設(shè)備的安裝布局進(jìn)行仿真優(yōu)化，整體非常緊湊但井井有條，提高地面使用率20%以上；在保證供給量的前提下降低了各輸送設(shè)備的長度、高度或體積，降低了硬件設(shè)備的成本。供料設(shè)備模塊引入工業(yè)設(shè)計(jì)獲得突出形象展示效果，圖1-a 體現(xiàn)了石膏料倉群體層次布局的視覺沖擊震撼效果；圖1-b 體現(xiàn)了整體供料設(shè)備模塊在緊湊布局場(chǎng)景下的工業(yè)化生產(chǎn)宏大場(chǎng)景。

圖1 供料設(shè)備模塊實(shí)景圖片

3.2 成型攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

攪拌機(jī)是成型設(shè)備模塊的關(guān)鍵設(shè)備，保證配料、攪拌、注漿等工序環(huán)節(jié)的快速銜接完成，否則石膏漿液在攪拌設(shè)備內(nèi)滯留凝固，會(huì)導(dǎo)致攪拌設(shè)備發(fā)生堵塞故障，清理非常麻煩。本裝備為高速設(shè)備，對(duì)石膏漿液的需求量和供給速度要求更高，攪拌機(jī)是外協(xié)設(shè)備，如果委托外協(xié)方全新改款，屬于小批量定制型號(hào)，外協(xié)方對(duì)新機(jī)型的應(yīng)用環(huán)境特征認(rèn)識(shí)不足，方案需反復(fù)試驗(yàn)和修改，設(shè)計(jì)費(fèi)用高，研發(fā)周期長；如果公司自主研發(fā)，制造周期長，零部件成本高。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：通過工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)攪拌腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，使攪拌機(jī)的制漿速度和供漿量提升2～4 倍；對(duì)攪拌機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置優(yōu)化，便于高架安裝后的維修保養(yǎng)操作。

設(shè)計(jì)過程和效果：依托原始設(shè)計(jì)模型，首先擴(kuò)大和圓弧度優(yōu)化攪拌腔的內(nèi)直徑和內(nèi)高，便于大量石膏粉進(jìn)入腔內(nèi)后快速攪拌均勻，無存漿死角，避免局部凝固堵塞；調(diào)整攪拌機(jī)進(jìn)粉口、出漿口的位置和數(shù)量，使重力落漿速度提高2～4 倍。其次對(duì)攪拌機(jī)外部支撐機(jī)構(gòu)優(yōu)化，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及支撐機(jī)構(gòu)設(shè)置在攪拌腔的下方，將原有的四周機(jī)架支撐的封閉式結(jié)構(gòu)改變?yōu)榈酌孢M(jìn)行支撐的開放式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大檢修空間。以上結(jié)構(gòu)改造基于攪拌機(jī)原始設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行整機(jī)三維造型仿真和工作狀態(tài)模擬，逐模塊虛擬實(shí)施，通過仿真試驗(yàn)后進(jìn)行樣機(jī)制造，并申請(qǐng)了改款機(jī)型的國家專利，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送外協(xié)方批量定制。原始攪拌機(jī)見第70 頁圖2-a，改款攪拌機(jī)三維造型見第70 頁圖2-b，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)了柔性安裝和維護(hù)的空間，能夠適配連接不同型號(hào)成型機(jī)，并且大部分零部件和原始機(jī)型通用，相比全新研發(fā)，經(jīng)費(fèi)投入減少70%，工期縮短50%，并且擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

圖2 攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化造型和實(shí)機(jī)圖片

3.3 運(yùn)輸線的安裝布局設(shè)計(jì)

成型的板材需要由運(yùn)輸線輸送到各功能設(shè)備處完成相應(yīng)工序操作，運(yùn)輸線的運(yùn)輸方式包括直線運(yùn)輸、轉(zhuǎn)彎運(yùn)輸、翻板運(yùn)輸、抬升運(yùn)輸、下降運(yùn)輸、疊摞運(yùn)輸?shù)?。運(yùn)輸線的工作原理是成熟技術(shù)，但是安裝布局結(jié)構(gòu)決定著廠房空間利用率和大型設(shè)備的整體安裝柔性，這個(gè)任務(wù)通過工業(yè)設(shè)計(jì)的二維、三維仿真功能完成。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：為各功能設(shè)備的整體安裝提供布局仿真模型，對(duì)運(yùn)輸線的連接構(gòu)造、走向規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并根據(jù)用戶廠房特征為功能設(shè)備和運(yùn)輸線布局定制提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，降低廠房?jī)?nèi)設(shè)備的整體占地比。

設(shè)計(jì)過程和效果：廠房?jī)?nèi)運(yùn)輸線的布局設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化連接各功能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大型干燥機(jī)、翻板機(jī)、包裝機(jī)等功能設(shè)備和運(yùn)輸線的并行緊湊設(shè)置，節(jié)省占地面積，提高運(yùn)輸效率。例如直線運(yùn)輸輥道和加長干燥機(jī)平行緊湊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)抬升式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軌道線90°和180°彎道運(yùn)輸，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易天橋?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員的快速橫穿。圖3-a 為運(yùn)輸線和干燥機(jī)封閉干燥段并行安裝連接的實(shí)景圖片，板材在輥道上和干燥機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向相反；圖3-b 為運(yùn)輸輥道線和干燥機(jī)敞口段并行實(shí)景圖片，纖維板往復(fù)運(yùn)輸?shù)讲煌δ茉O(shè)備處實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，廠房?jī)?nèi)平面區(qū)域面積利用率達(dá)到80%。

4 裝備驗(yàn)收實(shí)景效果展示

在纖維石膏板建材生產(chǎn)裝備的開發(fā)中實(shí)施工業(yè)設(shè)計(jì)要素，通過外觀構(gòu)型、色彩搭配、布局仿真，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期效果，順利通過了用戶驗(yàn)收。圖4-a 供料設(shè)備模塊的外觀景象展現(xiàn)了濃郁的大工業(yè)生產(chǎn)氣息；圖4-b 對(duì)成型設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)新穎、突出動(dòng)感、操作便捷，凸顯了高科技?xì)赓|(zhì)；圖4-c 和4-d 的整理設(shè)備模塊安裝布局緊湊，大幅節(jié)約了占地空間，并且通過色彩搭配和裝飾點(diǎn)綴，體現(xiàn)了人、機(jī)、環(huán)境的協(xié)調(diào)之美。

圖3 運(yùn)輸輥道線和干燥機(jī)的安裝布局圖片

圖4 本裝備各設(shè)備模塊驗(yàn)收?qǐng)D片

5 結(jié)束語

纖維石膏板生產(chǎn)裝備屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能子設(shè)備眾多的大型機(jī)械成套裝備，工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將用戶、機(jī)器、空間環(huán)境、科學(xué)技術(shù)和藝術(shù)美學(xué)的有機(jī)結(jié)合，為生產(chǎn)、過程、服務(wù)等生命周期建立了多方面的品質(zhì)特征，該裝備的高科技?xì)庀⒏訚饬?，功能結(jié)構(gòu)更優(yōu)化完善，操作更便捷人性化，不僅滿足了用戶高產(chǎn)能、自動(dòng)化的生產(chǎn)需求，也大幅提升了用戶企業(yè)形象。河北綠洲機(jī)械制造集團(tuán)有限公司作為設(shè)備開發(fā)企業(yè)，將工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)并行協(xié)同，縮短了纖維石膏板生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)周期，降低了研發(fā)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了性能指標(biāo)，提高了價(jià)值定位，使機(jī)械裝備更具有科技生命力和形象表現(xiàn)力，公司品牌的社會(huì)認(rèn)知度獲得大幅提升。