基于可適應(yīng)設(shè)計(jì)的起重機(jī)小車平臺(tái)規(guī)劃

程賢福，張盛財(cái)，王 濤

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌330013）

大規(guī)模定制是一種基于用戶選擇，根據(jù)訂單要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)的生產(chǎn)方式，因而可很好地跟蹤和滿足用戶需求，從而提高生產(chǎn)效率，強(qiáng)化用戶的滿意度［1］?？蛇m應(yīng)設(shè)計(jì)是一種可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制要求的重要設(shè)計(jì)方法之一，通過對(duì)產(chǎn)品功能模塊可適應(yīng)重組來實(shí)現(xiàn)客戶定制需求，強(qiáng)化企業(yè)對(duì)已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和資源的重用，對(duì)已有產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)的變型來開發(fā)新產(chǎn)品［2］。國(guó)內(nèi)外很多研究人員對(duì)可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究，如Xue等［3］提出了基于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的可變需求創(chuàng)建可變產(chǎn)品的優(yōu)化可適應(yīng)設(shè)計(jì)。陳永亮等［4］在分析相似度及聚類的基礎(chǔ)上，提出了面向可適應(yīng)參數(shù)化產(chǎn)品平臺(tái)構(gòu)建方法。翟榮斌等［5］基于參數(shù)化和模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法及可適應(yīng)設(shè)計(jì)的理論，提出構(gòu)建參數(shù)化、模塊化可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的方法。肖新華等［6］將可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法學(xué)運(yùn)用在模塊模型的構(gòu)建中，提出可適應(yīng)模塊的概念。Zhang等［7］在對(duì)產(chǎn)品操作平臺(tái)的需求和參數(shù)變化的基礎(chǔ)上提出穩(wěn)健性可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法。Tarek［8］提出了面向產(chǎn)品平臺(tái)響應(yīng)設(shè)計(jì)方法，并將該設(shè)計(jì)方法成功應(yīng)用于家用水壺的開發(fā)。該方法運(yùn)用智能算法對(duì)變型產(chǎn)品的通用模塊進(jìn)行快速聚類，縮短構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。Liu等［9］從分析成本預(yù)算和客戶需求等角度提出了一種針對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的決策支持系統(tǒng)，并驗(yàn)證了其可行性。

通過對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)的分析，在可適應(yīng)設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，以起重機(jī)小車為對(duì)象，提出基于可適應(yīng)性的起重機(jī)小車平臺(tái)規(guī)劃方法。

1 起重機(jī)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性分析

起重機(jī)是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化的必要設(shè)備，由于起重機(jī)功能結(jié)構(gòu)比較繁雜、專業(yè)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品系列化不清晰等特點(diǎn)，企業(yè)大多根據(jù)客戶定制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并且隨著近幾年來國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速增長(zhǎng)及工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，起重機(jī)需求量不斷增大，對(duì)于中小噸位的起重機(jī)，其大規(guī)模定制發(fā)展形勢(shì)也趨于明顯。由于在起重機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在重復(fù)勞動(dòng)占用時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)計(jì)知識(shí)重用率低、設(shè)計(jì)效率低下等缺陷，已不能適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展的需要。根據(jù)市場(chǎng)定位及客戶需求分析，客戶對(duì)起重機(jī)定制的要求一般在起重量、工作級(jí)別及使用工況等方面，且企業(yè)在設(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品中往往是在已有機(jī)型上進(jìn)行改進(jìn)與變型?，F(xiàn)代起重機(jī)設(shè)計(jì)既包含了產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，又有產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)，如橋式起重機(jī)橋架跨度可通過參數(shù)化設(shè)計(jì)方法來調(diào)節(jié)，而車輪組可作為模塊來變更，在一定規(guī)格范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)相關(guān)資源、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)等都可以重用；此外，橋架類型的起重機(jī)小車從功能結(jié)構(gòu)上大致相同，具有共同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上述分析說明了中小噸位的起重機(jī)設(shè)計(jì)具有模塊化和參數(shù)化特點(diǎn)，兩者可以集成，其規(guī)格也較多，設(shè)計(jì)過程相似。而可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法作為一種實(shí)現(xiàn)客戶個(gè)性化需求、強(qiáng)化企業(yè)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化能力的設(shè)計(jì)方法，它結(jié)合了模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)產(chǎn)品功能模塊進(jìn)行有效配置和對(duì)產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整等方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的目的［10］。因此，綜合分析起重機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和可適應(yīng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法適用于起重機(jī)設(shè)計(jì)。

2 起重機(jī)小車可適應(yīng)平臺(tái)規(guī)劃

起重機(jī)小車一般由起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)和車架構(gòu)成，并且安裝有安全保護(hù)設(shè)備。以小車車架分析為例，圖1所示為小車車架的構(gòu)成，圖1（a）為裝配有一套起升機(jī)構(gòu)的小車車架，圖1（b）為裝配有兩套起升機(jī)構(gòu)的小車車架。通過對(duì)比圖1（a）和圖1（b）發(fā)現(xiàn)，在原有車架的基礎(chǔ)上外加一套副起升機(jī)構(gòu)后，相關(guān)的模塊或零件需要適當(dāng)?shù)刈冃停鐧M梁的數(shù)量增加和橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整。并且通過調(diào)整小車的軌距及對(duì)橋架的變型可實(shí)現(xiàn)小車在不同橋架類的起重機(jī)上的應(yīng)用，因而適合利用可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)起重機(jī)小車，圖2所示為對(duì)小車參數(shù)規(guī)劃流程圖。

圖1 小車車架的構(gòu)成Fig.1 The structure of trolley’s frame

圖2 小車參數(shù)規(guī)劃流程圖Fig.2 The flow chart of trolley’s parameters planning

2.1 功能要求—設(shè)計(jì)參數(shù)映射圖分析

以一臺(tái)典型的起重載荷為20 t的橋式起重機(jī)小車為分析對(duì)象，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，基于對(duì)用戶需求及小車的功能結(jié)構(gòu)的分析，參考文獻(xiàn)［11］的方法對(duì)小車進(jìn)行模塊化層次分解，并以公理設(shè)計(jì)的理論作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)框架，對(duì)起重機(jī)小車采用“Z”字形映射方法獲得如圖3所示的小車的FR-DP（functional requirements-design parameters）映射圖，圖中左半部分的分解圖為小車功能要求FRs分解圖，右半部分的分解圖為小車相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)DPs分解圖。根據(jù)查閱相關(guān)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定各分解層次的FRs和DPs之間的關(guān)系，建立公理設(shè)計(jì)矩陣，并通過重排公理設(shè)計(jì)矩陣獲得下三角矩陣，如圖4所示。

表1 參考小車設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameters of the referential trolley

圖3 小車的FR-DP映射圖Fig.3 The decomposition between FR-DP of the trolley

圖4 重排后小車設(shè)計(jì)矩陣Fig.4 The rearranged design matrix of the trolley

2.2 設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣的建立

在獲得起重機(jī)小車設(shè)計(jì)矩陣之后，借鑒文獻(xiàn)［12］的方法將小車設(shè)計(jì)矩陣轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，其中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣中的元素“1”表示參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計(jì)者可以很直觀、形象地分析各參數(shù)間的關(guān)系，但是由于設(shè)計(jì)矩陣僅僅是一種簡(jiǎn)單、緊湊的描述方法，只能定性地描述設(shè)計(jì)參數(shù)間有無關(guān)聯(lián)關(guān)系，不能以量化的標(biāo)準(zhǔn)來表示設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)度。根據(jù)文獻(xiàn)［13］的處理手段，以各設(shè)計(jì)參數(shù)間關(guān)聯(lián)度為量化參考標(biāo)準(zhǔn)，將各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)值添加到需要量化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣中，從而構(gòu)造出如圖5所示的起重機(jī)小車設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣。

圖5 小車設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣Fig.5 The incidence matrix of design parameters for the trolley

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)劃

為了更好地將可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于小車開發(fā)，需要對(duì)小車的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的規(guī)劃，尋找出參數(shù)間關(guān)系及其對(duì)設(shè)計(jì)的影響。首先根據(jù)功能分解圖及設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，將功能設(shè)計(jì)參數(shù)DP111，DP211，DP221，DP33視為公共參數(shù)，這類參數(shù)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的基本功能要求且具有比較固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)參數(shù)DP121，DP31，DP222列總和值較大并且行總和值較小，表明這些參數(shù)的改變不僅會(huì)較大地影響其它相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并且受其它相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)影響很小，所以DP121，DP31，DP222也可作為公共參數(shù)。

在對(duì)小車變型產(chǎn)品差異性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)定制參數(shù)具有不影響產(chǎn)品基本功能的特點(diǎn)，小車的定制參數(shù)有DP223，DP46，DP47，DP48等設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)榇祟愒O(shè)計(jì)參數(shù)不會(huì)對(duì)小車的基本功能產(chǎn)生影響，通過調(diào)整這些設(shè)計(jì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)客戶的個(gè)性化需求，從而提升產(chǎn)品的附加值。

接下來分析可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)［13］，可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)分為可適應(yīng)平臺(tái)參數(shù)及變型參數(shù)，前者指的是在一系列相似產(chǎn)品中取值不變或在允許的小范圍內(nèi)變更，對(duì)產(chǎn)品性能差別性影響不大甚至可忽略的設(shè)計(jì)參數(shù)；后者指的是能夠在允許較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不會(huì)較大地影響產(chǎn)品性能的差別性，且對(duì)變型產(chǎn)品的功能沒有影響的設(shè)計(jì)參數(shù)，這類參數(shù)主要針對(duì)一系列相似產(chǎn)品中的變型產(chǎn)品。通過對(duì)功能分解圖及市場(chǎng)分析，DP112，DP113，DP114，DP122，DP123，DP124等設(shè)計(jì)參數(shù)為可適應(yīng)平臺(tái)參數(shù)，首先這些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)小車實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到?jīng)Q定性的作用，但這些設(shè)計(jì)參數(shù)受其它部分設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，且在設(shè)計(jì)過程中適當(dāng)調(diào)節(jié)這些設(shè)計(jì)參數(shù)不致較大地影響產(chǎn)品性能的差異性。如DP112（起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器）對(duì)起升速度控制和起升懸停起到?jīng)Q定性作用，但在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)配置。DP115，DP215，DP32，DP42，DP43，DP44，DP45等設(shè)計(jì)參數(shù)為變型參數(shù)，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中可以有很大的變動(dòng)且對(duì)產(chǎn)品基本功能影響不大。如DP215（補(bǔ)償軸）對(duì)小車運(yùn)行影響不大，但在有補(bǔ)償軸的情況下小車安裝和運(yùn)行性能會(huì)有較大的改善。

在對(duì)小車可適應(yīng)規(guī)劃過程中，為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的可適應(yīng)性，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中的比重和用戶需求分析，可將公共參數(shù)和可適應(yīng)平臺(tái)參數(shù)歸類為平臺(tái)參數(shù)，最終規(guī)劃獲得平臺(tái)參數(shù)、定制參數(shù)和變型參數(shù)這3類參數(shù)。3類參數(shù)之間影響如下：首先，平臺(tái)參數(shù)是構(gòu)建產(chǎn)品基本功能的框架，在設(shè)計(jì)規(guī)劃中基本不受其它設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。其次，變型參數(shù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)，當(dāng)平臺(tái)參數(shù)在配置和安裝過程中發(fā)生改變時(shí)，一般須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)平臺(tái)參數(shù)的變化。如小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的減速器由靠一側(cè)車輪的方案調(diào)整為中間布置的方案，則需要對(duì)浮動(dòng)軸這一變型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。其三，定制參數(shù)是根據(jù)產(chǎn)品的工作環(huán)境及客戶要求所添加的附加參數(shù)，因此在設(shè)計(jì)過程中主要在小車平臺(tái)上進(jìn)行添加和更換調(diào)整。如用戶需要吊裝影像顯示，則可在起升機(jī)構(gòu)中加裝。當(dāng)然隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代步伐不斷加快，產(chǎn)品性能也在不斷變化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的分類也會(huì)發(fā)生變化，如DP46在由定制參數(shù)升級(jí)為變型參數(shù)時(shí)，DP44可由變型參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楣矃?shù)。

2.4 小車平臺(tái)的可適應(yīng)性

起重量是起重小車設(shè)計(jì)過程中最為重要的參數(shù)之一，也是客戶定制要求中最重要參數(shù)之一，假設(shè)設(shè)計(jì)過程中起重量改變不是很大，那么起重機(jī)小車的相關(guān)機(jī)構(gòu)所承受的載荷變化也不大，這也為起重機(jī)的變型提供參考。對(duì)于不影響起重小車基本功能的定制參數(shù)，如緩沖器、行程開關(guān)推桿、欄桿等安全裝置，可引入相應(yīng)的裝置來實(shí)現(xiàn)。在上述平臺(tái)中，如果客戶需要增設(shè)一副起升，則可以在平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加一副起升機(jī)構(gòu)，此時(shí)主起升機(jī)構(gòu)保持不變，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)因小車自重會(huì)有一定的增加而產(chǎn)生相應(yīng)的改變，但變化較小，且軌距可以不變；小車架橫梁需加1根，如圖1（b）所示，橫向結(jié)構(gòu)不變，縱向增長(zhǎng)。由此可見，平臺(tái)規(guī)劃的可適應(yīng)性很容易就能實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步假設(shè)客戶定制需求有所改變，如表2所示，設(shè)計(jì)過程中仍以表1中的20 t起重小車為平臺(tái)。

表2 起重小車的定制要求Tab.2 The customization requirements of the trolley

對(duì)比分析表1和表2的設(shè)計(jì)參數(shù)，由于設(shè)計(jì)中的起重載荷變化不是很大，因此小車的基本結(jié)構(gòu)框架變化也不大。表2中車架的結(jié)構(gòu)尺寸、軌距和車輪直徑較表1中的均有所增大，可根據(jù)上述可適應(yīng)平臺(tái)規(guī)劃方法調(diào)整小車車架的結(jié)構(gòu)尺寸、車軌距和車輪直徑來實(shí)現(xiàn)；如將對(duì)原有車架的長(zhǎng)寬及板厚進(jìn)行調(diào)整并在適當(dāng)位置增加橫梁來增大車架的強(qiáng)度，及增大小車的軌距。然后根據(jù)客戶要求對(duì)起升和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整；接著分析卷筒的結(jié)構(gòu)，由于起重量增大了且車架的結(jié)構(gòu)也有所增大，所以通過增大卷筒的軸向和徑向的尺寸來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然考慮到起重載荷的增大勢(shì)必增大卷筒的載荷，因此設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)卷筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整從而提高卷筒的強(qiáng)度，結(jié)合市場(chǎng)上的減速器和制動(dòng)器系列進(jìn)行選擇配置，從而獲得要定制的32 t小車的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3所示。在確定平臺(tái)參數(shù)后，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能，可對(duì)平臺(tái)中的變型參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整，且根據(jù)客戶的個(gè)性化需求添加相應(yīng)的定制參數(shù)提高產(chǎn)品的附加值，增強(qiáng)客戶的滿意度。

表3 設(shè)計(jì)得到的小車設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 The designed parameters of the trolley

3 結(jié)束語

針對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，引入了可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法，融合了模塊化與參數(shù)化平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，提出了起重機(jī)小車產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)劃方法。在對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)小車的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，建立設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃并獲得小車的平臺(tái)參數(shù)、定制參數(shù)和變型參數(shù)，最終構(gòu)建出小車可適應(yīng)產(chǎn)品平臺(tái)。設(shè)計(jì)過程中根據(jù)客戶要求，通過在產(chǎn)品平臺(tái)上配置和修改相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)出客戶要求的產(chǎn)品，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低企業(yè)開發(fā)成本，增強(qiáng)企業(yè)響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。

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