模塊化設(shè)計(jì)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

賈 冰，張 雷，吳 兵

(國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039)

1 模塊與模塊化設(shè)計(jì)

所謂模塊，就是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元［1］。

模塊化設(shè)計(jì)，即將產(chǎn)品的若干要素組合在一起，組成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)不同模塊的組合，可以用有限資源組合成為多種不同類型的產(chǎn)品。

2 模塊化設(shè)計(jì)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，主要由葉片、發(fā)電機(jī)、機(jī)械部件和電氣部件組成。

近年來(lái)風(fēng)能市場(chǎng)的快速發(fā)展驅(qū)動(dòng)了各國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)的投入，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)具有批量化、定制式的特點(diǎn)。傳統(tǒng)研發(fā)方式從設(shè)計(jì)到投放市場(chǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，而變化的市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間提出了更高的要求。模塊化設(shè)計(jì)通過(guò)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)接口，將產(chǎn)品分解成由相互獨(dú)立產(chǎn)品模塊組成的柔性產(chǎn)品平臺(tái)，可以根據(jù)客戶的需求定制出不同特點(diǎn)的產(chǎn)品。

在工業(yè)領(lǐng)域中，各行業(yè)對(duì)模塊劃分都有自己相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，英國(guó)學(xué)者SUH［2］從功能－結(jié)構(gòu)參數(shù)映射的角度定義了模塊化設(shè)計(jì)的概念:模塊化設(shè)計(jì)是一種分析結(jié)果的產(chǎn)生，這種結(jié)果以產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的形式表現(xiàn)，并滿足預(yù)定的需求，其方法是選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)域設(shè)計(jì)參數(shù)，完成從功能需求域到設(shè)計(jì)參數(shù)域的映射。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，模塊化設(shè)計(jì)首先是根據(jù)客戶的總需求，將總需求劃分為一系列子需求;根據(jù)子需求完成從用戶需求域到模塊功能域的映射，在映射的過(guò)程中應(yīng)考慮子需求和子模塊功能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;然后在考慮模塊性能的基礎(chǔ)上完成從模塊功能域到模塊結(jié)構(gòu)域的映射，在此步驟中應(yīng)同樣考慮其對(duì)應(yīng)關(guān)系;由于結(jié)構(gòu)是功能的載體，功能的聚類最終要映射為一定的結(jié)構(gòu)體，即最終由子模塊結(jié)構(gòu)匯總為整體結(jié)構(gòu)［3－5］，如圖1 所示。

圖1 模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程

根據(jù)上述過(guò)程，在風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)際過(guò)程中，可以參照需求、功能與結(jié)構(gòu)的映射對(duì)產(chǎn)品按這3個(gè)層次進(jìn)行模塊劃分。

a.需求層。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)際過(guò)程中，客戶的需求是風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)的基本方向，由于受到地理特征、風(fēng)場(chǎng)等級(jí)、交通運(yùn)輸?shù)雀鞣N情況的制約，客戶的需求各不相同，可根據(jù)需求特點(diǎn)劃分為總需求和子需求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)是相對(duì)固定的，所以可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)模塊劃分為固定模塊和可選模塊。固定模塊是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的固有特性劃分的，構(gòu)成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最基本的需求，其組成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu);可選模塊則是根據(jù)客戶需求不同可以變化或調(diào)整的模塊。如圖2所示。

圖2 固定模塊與可選模塊

b.功能層。在需求層基礎(chǔ)上，從功能設(shè)計(jì)的角度，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，全面概括產(chǎn)品所應(yīng)具備的各項(xiàng)功能，并按一定的原則對(duì)這些功能進(jìn)行調(diào)整、分解、合并，最終將風(fēng)機(jī)產(chǎn)品劃分為一系列功能模塊。功能層的主要任務(wù)是站在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員的角度上通過(guò)技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。在功能層中首先要分析用戶所提出的需求，然后重新設(shè)計(jì)或者對(duì)既有模塊的功能單元進(jìn)行修訂，從而形成一系列新功能單元，以滿足這些需求。最后，再對(duì)這些功能單元進(jìn)行整合，將那些關(guān)系密切的功能單元?jiǎng)澐衷谝黄?，從而形成一系列功能模塊或者子模塊［6］。

c.結(jié)構(gòu)層。在功能層的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的劃分。結(jié)構(gòu)層模塊的劃分要盡量與功能模塊的劃分一一對(duì)應(yīng)，以便把功能模塊的劃分原則體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中［7］。而對(duì)于風(fēng)機(jī)而言，其基本結(jié)構(gòu)是相對(duì)固定的，所以只需要對(duì)其部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行修訂即可。

上述原則在風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中同樣適用，風(fēng)機(jī)是由多個(gè)部件組成的復(fù)雜的機(jī)械裝置，其主要組成為機(jī)械裝置、電氣裝置、復(fù)合材料等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是以風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的不同來(lái)劃分成不同的部分，如轉(zhuǎn)子葉輪裝配、機(jī)艙裝配等并逐層分解，其結(jié)構(gòu)層較多，更改底層部件時(shí)往往會(huì)影響其上級(jí)部件的相應(yīng)屬性，從而導(dǎo)致開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)。應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)的理念，可以將其各部件組合成為相應(yīng)的模塊或子模塊，進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)或變更，從而節(jié)省大量的人力和開(kāi)發(fā)時(shí)間。如圖3所示。

圖3 從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到模塊化設(shè)計(jì)

當(dāng)客戶提出相應(yīng)需求時(shí)，根據(jù)客戶提供的信息，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)分析其特定需求在風(fēng)機(jī)基本功能上的變化，對(duì)特殊需求的模塊進(jìn)行編制、修訂和優(yōu)化，最后配置上既有的基本模塊或者子模塊。在這種模式下，開(kāi)發(fā)人員只需調(diào)整較少的部分即可完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體設(shè)計(jì)。如圖4所示，2.0MW近海型風(fēng)機(jī)與2.0MW常溫型風(fēng)機(jī)相比，需要增加排水/除濕系統(tǒng)這個(gè)可選模塊(本文只以此模塊為例)，這是因?yàn)榻５貐^(qū)空氣潮濕，為了避免對(duì)機(jī)械和電氣元器件的腐蝕，根據(jù)客戶需要而增加此模塊。

圖4 根據(jù)客戶需求進(jìn)行配置管理

作為風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品，往往以發(fā)電量作為一個(gè)系列或者產(chǎn)品平臺(tái)，如1.5MW系列風(fēng)機(jī)、2.0MW系列風(fēng)機(jī)、3.0MW系列風(fēng)機(jī)，不同系列的相同功能(特性)的模塊可以組成模塊庫(kù)，在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)可以根據(jù)其不同的特性快速衍生出相應(yīng)系列的機(jī)型。如在輪轂裝配模塊庫(kù)可以包含1.5MW的輪轂裝配模塊、2.0MW的輪轂?zāi)K等，根據(jù)不同的需求開(kāi)發(fā)人員可以調(diào)用其模塊庫(kù)中的內(nèi)容進(jìn)行組合，從而避免進(jìn)行再設(shè)計(jì)。此外，可以將模塊進(jìn)行加密后組成客戶模塊庫(kù)，將客戶模塊庫(kù)對(duì)客戶開(kāi)放，客戶可以根據(jù)自己的需求搭配相應(yīng)的內(nèi)容，開(kāi)發(fā)人員采納其合理內(nèi)容作為設(shè)計(jì)輸入條件，這樣能夠極大地滿足客戶的需求，避免在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)不必要的偏差。模塊庫(kù)管理如圖5所示。

圖5 模塊庫(kù)管理

3 結(jié)束語(yǔ)

利用模塊化設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不僅只是針對(duì)一種產(chǎn)品，而且充分考慮了擴(kuò)展和變型的可能。2.0MW系列風(fēng)機(jī)在研發(fā)過(guò)程中，充分利用了模塊化設(shè)計(jì)的理念。開(kāi)發(fā)人員以陸上常溫型風(fēng)機(jī)為基礎(chǔ)，將風(fēng)機(jī)各通用的部件組合成的固定模塊，并根據(jù)地理特征、風(fēng)場(chǎng)等級(jí)、風(fēng)輪直徑等條件組合成一系列的可選模塊，通過(guò)模塊的組合和優(yōu)化，縮短了風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)間并滿足了客戶的需求。根據(jù)市場(chǎng)反饋，2.0MW系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品具有配置靈活性大、開(kāi)發(fā)周期短、質(zhì)量及供貨容易保證等特點(diǎn)，受到客戶極大的好評(píng)。

［1］ 童時(shí)中.模塊化原理設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000:20－23.

［2］ SUH N P.The Principle of Design［M］.Oxford:Oxford University Press，1990.

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