纖維石膏板生產(chǎn)裝備工業(yè)設(shè)計應用實踐

叢顯虎，耿 培，劉永超，李 賽，閻 寧，鄧 飛

（1.河北綠洲機械制造集團有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018）

全球科技創(chuàng)新促進了機械制造技術(shù)的高速發(fā)展，用戶對機械產(chǎn)品的使用價值要求也日益提高，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，提升價值定位，滿足社會和企業(yè)文化多樣化的綜合品質(zhì)需求。對機械產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)而言，就需要采用先進的設(shè)計和制造手段，顯著提高產(chǎn)品的性能，增加產(chǎn)品附加值，增強市場競爭力[1]。

河北綠洲機械制造集團有限公司是專業(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)，科研實踐表明：在機械產(chǎn)品開發(fā)中融入工業(yè)設(shè)計的構(gòu)造方法和設(shè)計理念，通過機械設(shè)計和工業(yè)設(shè)計的并行和協(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)計標識符號，能夠強化企業(yè)和市場的關(guān)系，通過系列化產(chǎn)品推廣形成企業(yè)的獨特風格特征，促進企業(yè)文化形象建設(shè)，提升企業(yè)的社會知名度和品牌價值[2]。

基于以上分析，河北綠洲機械制造集團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)計和機械設(shè)計并行展開、協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)了產(chǎn)品外觀、功能和結(jié)構(gòu)等綜合品質(zhì)指標的大幅突破。

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，市場應用顯著擴大。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而開發(fā)，包括全生產(chǎn)流程功能設(shè)備及配屬運輸管線的設(shè)計和制造，并突出自動化和高速化性能指標。該裝備主要結(jié)構(gòu)包括4 個功能設(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)備達幾十臺，單套裝備的總成本在1200萬元以上，實用性和新穎性非常突出。

2 纖維石膏板裝備工業(yè)設(shè)計任務

工業(yè)設(shè)計在纖維石膏板生產(chǎn)裝備研發(fā)中需完成以下設(shè)計任務：一在外觀設(shè)計方面，采用豐富的外觀造型和靈活多樣的色彩組合設(shè)計，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，大幅提高裝備的價值定位。二在功能設(shè)計方面，從功能實現(xiàn)、仿真設(shè)計、布局規(guī)劃、運動模擬、制造方式等技術(shù)特征點著手，通過工業(yè)設(shè)計對設(shè)備功能和布局進行完善和創(chuàng)新，顯著提高裝備技術(shù)經(jīng)濟指標，縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費用[3]。三在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，利用人機工程學把人、機、環(huán)境作為設(shè)計對象，提高設(shè)備運行的經(jīng)濟性、操作性、安全性，提高現(xiàn)場人員的工作舒適性，降低勞動強度。

大型纖維石膏板生產(chǎn)裝備創(chuàng)新開發(fā)注重自動化和產(chǎn)能指標，基于公司技術(shù)儲備，確定以下主要技術(shù)指標：生產(chǎn)能力不小于3000 m2/h；成型段總長度約350 m；干燥機封閉段長度約150 m，該指標是傳統(tǒng)設(shè)備的2～4 倍，但整體尺寸指標（占地面積） 僅比傳統(tǒng)設(shè)備增加不超過30%?；谝陨现笜?，工業(yè)設(shè)計在裝備研發(fā)中需完成的布局規(guī)劃類任務包括：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，提前對用戶的生產(chǎn)場地進行測量和布局規(guī)劃，在裝備的機械設(shè)計定制開發(fā)中利用工業(yè)設(shè)計對整體安裝布局進行仿真模擬，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)計應用實踐

3.1 供料設(shè)備模塊外觀設(shè)計

供料設(shè)備模塊實現(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、斗式提升機、螺旋輸送機、喂料機以及計量輸送系統(tǒng)等十幾臺功能子設(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)計目標：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行整體設(shè)計，要突出表現(xiàn)客戶企業(yè)的大生產(chǎn)氣息和工業(yè)美學特征，同時提高室外廠區(qū)生產(chǎn)場地的利用率。

設(shè)計過程和效果：從外觀設(shè)計上，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)儲存量往往需要設(shè)置多個料倉，因此將石膏料倉的外觀統(tǒng)一設(shè)計為圓柱形倉體結(jié)構(gòu)，多個倉體集中并列設(shè)置，根據(jù)原料存放量進行高低層次搭配，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、輸送機、輸送管路等輸送機械按功能類別進行造型和配色設(shè)計，輸送機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)備模塊整體視覺場景凸顯立體感、層次感和宏大場面，凸顯大生產(chǎn)氛圍。從安裝規(guī)劃方面，通過工業(yè)設(shè)計對室外設(shè)備的安裝布局進行仿真優(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景下的工業(yè)化生產(chǎn)宏大場景。

圖1 供料設(shè)備模塊實景圖片

3.2 成型攪拌機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

攪拌機是成型設(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，會導致攪拌設(shè)備發(fā)生堵塞故障，清理非常麻煩。本裝備為高速設(shè)備，對石膏漿液的需求量和供給速度要求更高，攪拌機是外協(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，外協(xié)方對新機型的應用環(huán)境特征認識不足，方案需反復試驗和修改，設(shè)計費用高，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)計目標：通過工業(yè)設(shè)計對攪拌腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，使攪拌機的制漿速度和供漿量提升2～4 倍；對攪拌機機架結(jié)構(gòu)進行位置優(yōu)化，便于高架安裝后的維修保養(yǎng)操作。

設(shè)計過程和效果：依托原始設(shè)計模型，首先擴大和圓弧度優(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)整攪拌機進粉口、出漿口的位置和數(shù)量，使重力落漿速度提高2～4 倍。其次對攪拌機外部支撐機構(gòu)優(yōu)化，將驅(qū)動機構(gòu)及支撐機構(gòu)設(shè)置在攪拌腔的下方，將原有的四周機架支撐的封閉式結(jié)構(gòu)改變?yōu)榈酌孢M行支撐的開放式結(jié)構(gòu)，擴大檢修空間。以上結(jié)構(gòu)改造基于攪拌機原始設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計完成后進行整機三維造型仿真和工作狀態(tài)模擬，逐模塊虛擬實施，通過仿真試驗后進行樣機制造，并申請了改款機型的國家專利，將設(shè)計數(shù)據(jù)發(fā)送外協(xié)方批量定制。原始攪拌機見第70 頁圖2-a，改款攪拌機三維造型見第70 頁圖2-b，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強了柔性安裝和維護的空間，能夠適配連接不同型號成型機，并且大部分零部件和原始機型通用，相比全新研發(fā)，經(jīng)費投入減少70%，工期縮短50%，并且擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)。

圖2 攪拌機結(jié)構(gòu)優(yōu)化造型和實機圖片

3.3 運輸線的安裝布局設(shè)計

成型的板材需要由運輸線輸送到各功能設(shè)備處完成相應工序操作，運輸線的運輸方式包括直線運輸、轉(zhuǎn)彎運輸、翻板運輸、抬升運輸、下降運輸、疊摞運輸?shù)?。運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，這個任務通過工業(yè)設(shè)計的二維、三維仿真功能完成。

設(shè)計目標：為各功能設(shè)備的整體安裝提供布局仿真模型，對運輸線的連接構(gòu)造、走向規(guī)劃、驅(qū)動結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃設(shè)計，并根據(jù)用戶廠房特征為功能設(shè)備和運輸線布局定制提供準確數(shù)據(jù)，降低廠房內(nèi)設(shè)備的整體占地比。

設(shè)計過程和效果：廠房內(nèi)運輸線的布局設(shè)計能夠優(yōu)化連接各功能設(shè)備，實現(xiàn)大型干燥機、翻板機、包裝機等功能設(shè)備和運輸線的并行緊湊設(shè)置，節(jié)省占地面積，提高運輸效率。例如直線運輸輥道和加長干燥機平行緊湊設(shè)計，設(shè)計抬升式轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)軌道線90°和180°彎道運輸，設(shè)計簡易天橋?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場人員的快速橫穿。圖3-a 為運輸線和干燥機封閉干燥段并行安裝連接的實景圖片，板材在輥道上和干燥機內(nèi)的運動方向相反；圖3-b 為運輸輥道線和干燥機敞口段并行實景圖片，纖維板往復運輸?shù)讲煌δ茉O(shè)備處實現(xiàn)相應操作，廠房內(nèi)平面區(qū)域面積利用率達到80%。

4 裝備驗收實景效果展示

在纖維石膏板建材生產(chǎn)裝備的開發(fā)中實施工業(yè)設(shè)計要素，通過外觀構(gòu)型、色彩搭配、布局仿真，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到了預期效果，順利通過了用戶驗收。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 對成型設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)新穎、突出動感、操作便捷，凸顯了高科技氣質(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綴，體現(xiàn)了人、機、環(huán)境的協(xié)調(diào)之美。

圖3 運輸輥道線和干燥機的安裝布局圖片

圖4 本裝備各設(shè)備模塊驗收圖片

5 結(jié)束語

纖維石膏板生產(chǎn)裝備屬于結(jié)構(gòu)復雜、功能子設(shè)備眾多的大型機械成套裝備，工業(yè)設(shè)計實現(xiàn)了將用戶、機器、空間環(huán)境、科學技術(shù)和藝術(shù)美學的有機結(jié)合，為生產(chǎn)、過程、服務等生命周期建立了多方面的品質(zhì)特征，該裝備的高科技氣息更加濃烈，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。河北綠洲機械制造集團有限公司作為設(shè)備開發(fā)企業(yè)，將工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計并行協(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)費用，實現(xiàn)了性能指標，提高了價值定位，使機械裝備更具有科技生命力和形象表現(xiàn)力，公司品牌的社會認知度獲得大幅提升。