發(fā)電機組靜音箱的系統(tǒng)設(shè)計

林雪 郭冬雪 尹召陽

關(guān)鍵詞：發(fā)電機組靜音箱;系統(tǒng)設(shè)計;利益相關(guān)者

1 發(fā)電機組靜音箱

靜音式發(fā)電機組是以柴油機為動力帶動發(fā)電機發(fā)電的動力機械，由靜音箱、柴油機、發(fā)電機、控制箱、燃油箱和蓄電池等部件組成[1]。相對于開放式發(fā)電機組，靜音式發(fā)電機組增加了靜音箱，將發(fā)電機組封閉起來，為機組提供了良好的保護。其還在內(nèi)壁上貼隔音棉，滿足隔音降噪的需求，同時留有通風(fēng)口進氣和散熱。靜音箱可在國內(nèi)外各地區(qū)的室內(nèi)和戶外使用，使用環(huán)境多樣，包括沙漠、高原地區(qū)、礦山現(xiàn)場等惡劣露天環(huán)境。實際作業(yè)條件要求靜音箱的環(huán)境適應(yīng)性良好，環(huán)境特點應(yīng)包含防雨、防塵、耐腐蝕、耐暴曬等。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是指將人、產(chǎn)品和作業(yè)環(huán)境作為整體來全面研究，使構(gòu)成要素協(xié)調(diào)統(tǒng)一。系統(tǒng)思維運用在發(fā)電機組靜音箱設(shè)計時可分為靜音箱組成系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)兩個方向，避免過度重視某一維度而帶來的設(shè)計盲區(qū)。第一，在發(fā)動機全生命周期中，應(yīng)考慮設(shè)計、采購、生產(chǎn)、包裝、運輸、使用和維保等流程，重點研究用戶系統(tǒng)中與其關(guān)系密切的利益相關(guān)者;第二，發(fā)動機組靜音箱由各個子系統(tǒng)組成，設(shè)計中要充分考慮結(jié)構(gòu)和造型等相互關(guān)系，確保不干涉，能進行協(xié)同設(shè)計。

3 利益相關(guān)者的交互行為與作業(yè)場景分析

3.1 利益相關(guān)者的交互行為分析

在靜音箱式發(fā)電機組制造、物流、安裝和檢修產(chǎn)品的全流程中，利益相關(guān)者可以劃分為生產(chǎn)廠制造人員、物流部門的運輸人員、負責(zé)調(diào)試的安裝人員、使用設(shè)備的操作管理人員和服務(wù)站點的檢修人員。生產(chǎn)制造人員按照設(shè)計圖紙要求，完成沖壓散熱孔、折彎塑形、焊接成型及噴漆等工序，后期安裝合頁、緊固螺釘及隔音棉。物流運輸包括廠內(nèi)車間轉(zhuǎn)運和廠外運輸，存儲疊放層數(shù)有嚴格要求，叉車轉(zhuǎn)運交付產(chǎn)品。產(chǎn)品離廠之后主要集中在具體配套發(fā)電的場景中，操作管理人員需要詳細閱讀使用保養(yǎng)說明書和維修保養(yǎng)說明書，嚴格進行定期檢查，觀察發(fā)電機組的運行狀態(tài)。服務(wù)站的維修人員接到故障信息，現(xiàn)場查看表現(xiàn)判斷故障類型，制定方案并實施維修。

生命全周期中與靜音箱交互程度最高、關(guān)系最密切的是客戶方的操作管理人員和服務(wù)站內(nèi)的檢修人員。操作管理人員和檢修人員這兩類是靜音箱人機系統(tǒng)的認識主體和服務(wù)對象。

遵循系統(tǒng)設(shè)計流程，重點研究用戶交互行為和動態(tài)作業(yè)路徑能夠幫助其搭建使用場景。以WP2.3 靜音箱式發(fā)電機組為例，了解其核心發(fā)動機的操作流程和維護場景，進而對靜音箱使用需求進行深入的研究和推理。發(fā)動機組需要隨時能正常使用，維護方便性及維修的便捷性是衡量系統(tǒng)人機性的重要指標。用戶在維護時與靜音箱產(chǎn)生的交互行為主要包括：觀察參數(shù)、打開檢修門更換三濾（機油濾清器、燃油濾清器和空氣濾清器）、檢查油量及加油、加冷卻液、拆卸棚頂大修等[2]。具體操作步驟如下：（1）透過靜音箱觀察窗查看顯示面板參數(shù)，監(jiān)測發(fā)電機組的運行情況;（2） 打開靜音箱檢修門，取下原有的三濾舊件，安裝新維護件;（3）維護人員蹲下檢查底座附近的油量表，打開加機油口蓋加油;（4）維護人員通過棚頂?shù)募铀趯⑹稚烊腱o音箱內(nèi)，旋開加水口蓋，往水箱加水;（5） 拆卸靜音箱棚頂螺栓，取出發(fā)電機組、散熱器等進行大修。

3.2 作業(yè)場景分析

在人與靜音箱產(chǎn)生交互的過程中，作業(yè)姿勢能夠完整反饋操作行為。由設(shè)計流程順序可知，前期輸入用戶人機模型及數(shù)據(jù)，參考操作人員的基本尺寸設(shè)定高度，能確保人相對于發(fā)電機組靜音箱物理位置的舒適性。但在實際情況下，靜音箱的體量大小更多受制于發(fā)動機的外圍尺寸，因發(fā)電機組功率大小不同而不同。依據(jù)發(fā)電機組的行業(yè)特點和作業(yè)場景，分析系統(tǒng)構(gòu)成要素，可識別出有可能影響人機系統(tǒng)的特征。如WP2.3 發(fā)電機組，由于靜音箱控制器面板垂直于地面且機身低矮，用戶日常以蹲姿、彎腰和站姿為主。經(jīng)過衡量操作控制時使用者的姿勢，以及操作所用時間和姿勢調(diào)整的頻率，可以還原真實作業(yè)場景下靜音箱與人體蹲姿、站姿的比例關(guān)系和對應(yīng)效果，如圖1 所示。

人與靜音箱進行物理接觸的范圍較為廣泛。由圖2 和圖3 對比可知，相比于開放式發(fā)電機組，靜音式發(fā)電機組的箱體會對負責(zé)作業(yè)人員產(chǎn)生限制。發(fā)動機原有維護保養(yǎng)件布置在發(fā)動機側(cè)面朝外的自由端，拆裝更換遮擋少。發(fā)電機組底盤與靜音箱底座聯(lián)接成一體后，維護件的自由端減少，維護環(huán)境受限，維護和檢修階段會存在行為障礙，用戶接觸維護件及易損件的可達性降低，會相應(yīng)的增加對操作空間的需求。

以小型發(fā)電機組為例，目前存在檢修作業(yè)難度大的痛點，檢修人員無法完全進入靜音箱，日常定期維護都在檢修門外兩側(cè)執(zhí)行。經(jīng)過蹲姿的人體工程學(xué)風(fēng)險評估，用戶長時間保持蹲姿狀態(tài)，肌肉內(nèi)的血管經(jīng)過長時間擠壓，血流減緩，導(dǎo)致身體超負荷作業(yè)，容易疲勞。因此，箱體需要高效地完成維護保養(yǎng)和維修服務(wù)，確保維護時有足夠的拆卸裝配空間，盡量避免在拆裝路徑中產(chǎn)生動態(tài)干涉及最終裝配位置時的靜態(tài)干涉，方便保養(yǎng)發(fā)電機組。輸入目標受眾的用戶需求和存在痛點，輸出貼合用戶預(yù)期的設(shè)計方案。

首先，前后設(shè)有兩扇大尺寸的檢修門，滿足拆裝空間的箱體框架邊界，盡量減少零件更換或修理所需的拆解時間和成本。其次，根據(jù)維護性查核可知，操作管理人員維修保養(yǎng)要求預(yù)留維護的空間，不與整機產(chǎn)生干涉。最后，用戶通過視覺感知維護區(qū)域和反饋狀態(tài)，人蹲下時視平面較低，周圍障礙物可能會影響視野，注意靜音箱頂部框架對視線的遮擋情況，避免誤操作。

4 發(fā)電機組靜音箱的系統(tǒng)設(shè)計思路

結(jié)合上述交互行為和作業(yè)場景對應(yīng)的設(shè)計要點，系統(tǒng)設(shè)計思路集中在發(fā)電機組靜音箱的識別特征上，需要研究產(chǎn)品系統(tǒng)的構(gòu)成要素，包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、合頁門鎖吊環(huán)系統(tǒng)、散熱孔系統(tǒng)和標識涂飾系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)。在靜音箱的設(shè)計過程中，需不斷整合構(gòu)成語言，結(jié)構(gòu)化梳理設(shè)計需求與限制，發(fā)揮系統(tǒng)設(shè)計的能動性。

4.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

箱體主要結(jié)構(gòu)包括橫梁、立柱、棚頂、檢修門和底座，如圖4 所示，細分為底部框架、左后立柱、左上梁、左前立柱、上橫梁、右后立柱、右前立柱、棚頂、門體。檢修門主要用于機組故障檢修，箱體前側(cè)開有觀察窗，便于維護人員數(shù)據(jù)檢測，棚頂可拆卸，方便機組、散熱器從頂部取出維修。發(fā)動機和發(fā)電機安裝在底盤上，底座支撐塊留有叉車孔。折板式靜音箱采用成熟的鈑金成型工藝，包括鈑金件下料、折彎、裝配等環(huán)節(jié)[3]。發(fā)電機組靜音箱由鈑金加工的鋼板拼接而成，使用螺栓固定。在三維布局過程中，首先要明確框架結(jié)構(gòu)的位置，然后靜音箱依據(jù)柴油發(fā)電機組的整體組成和局部細節(jié)進行外觀設(shè)計，其造型受加工工藝的影響較大。

目前靜音箱以直線型構(gòu)成的方盒子為主，邊角處理略有不同。靜音箱設(shè)計需要兼顧降噪隔音功能和外形效果，同時將靜音箱材料選用、設(shè)計細節(jié)及涂裝差異帶來的成本提升納入影響決策的重大因素中。在功能結(jié)構(gòu)完善的前提下，小型靜音箱整體緊湊設(shè)計，有利于減少板材用料，降低生產(chǎn)成本，而這在一定程度上也犧牲了操作保養(yǎng)空間充足帶來的舒適性。

4.2 合頁門鎖吊環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

合頁連接檢修門與箱體框架，檢修門體上設(shè)置門鎖。合頁和門鎖作為靜音箱的外觀構(gòu)成元素，多外置安裝。實際合頁和門鎖的選擇大多與采購的供應(yīng)商配件和防銹成本相關(guān)。合頁一方面可在噴漆后裝配，保留配件材質(zhì)本色;另一方面經(jīng)過涂飾處理，可與周邊箱體噴漆保持一致。螺栓外露與內(nèi)置在安裝拆卸和統(tǒng)一性上各有優(yōu)點，考慮到實際拆卸多有針對性地選擇螺栓外置連接方式，戶外環(huán)境要求工藝防銹。

吊裝環(huán)或吊裝板實現(xiàn)靜音箱裝配運輸過程中的起吊功能。吊裝結(jié)構(gòu)位于靜音箱的最高位置，主要用于廠內(nèi)靜音箱安裝，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)運通常通過叉車插裝支撐塊及環(huán)繞四角支撐塊吊裝實現(xiàn)。靜音柴油發(fā)電機組吊環(huán)形式分為凸起和凹陷兩種，凸起形式是后期安裝到發(fā)電機組頂部的吊耳和吊板，凹陷形式則是板件結(jié)構(gòu)設(shè)計時就已經(jīng)預(yù)留，從棚頂?shù)狡鸬跷恢谩⒖臻g、成本和外觀各有優(yōu)缺點。

4.3 散熱孔系統(tǒng)設(shè)計

機組在運行過程中需要足夠的空氣流動，散發(fā)掉發(fā)動機工作時產(chǎn)生的大量熱量。散熱孔以熱源位置所在區(qū)域作為首要考慮因素，在滿足進氣量條件下布置在靜音箱棚頂和側(cè)板。散熱孔受到多樣發(fā)電應(yīng)用環(huán)境的影響，多數(shù)為戶外使用，含多雨地區(qū)、沙漠地區(qū)等，需要權(quán)衡通風(fēng)散熱與防水防塵兩者訴求所占的比重。在正常運作中，箱體側(cè)面的上方采用柵格式通風(fēng)口，保證通氣又能減少進水。棚頂通風(fēng)孔和側(cè)板散熱孔，通過改變沖壓孔的樣式及內(nèi)置防雨風(fēng)斗，能夠有效阻擋雨水從散熱孔進入靜音箱內(nèi)，保證通氣又能避免進水、進塵。

如圖5 所示，靜音箱常用散熱孔形狀多樣，主要有圓角方孔和條形孔等?？自阝k金平面中可被視為單體，單體對直或交叉排列，一定數(shù)量的散熱孔能夠有序集組合形成整體。有針對性地選擇散熱孔形式和孔間排布密度，可以影響開口面積和通風(fēng)量[4]。從視覺傳達的角度來看，通風(fēng)孔設(shè)計遵循形式美法則中的節(jié)奏與韻律、變化與統(tǒng)一原則[5]。節(jié)奏和韻律是指孔均勻在重復(fù)中產(chǎn)生的規(guī)律。變化表現(xiàn)為孔型在面板中的排列差異，統(tǒng)一則綜合考慮散熱孔的排布情況，實現(xiàn)外觀視覺平衡，提高心理愉悅感和舒適度。

4.4 標識涂飾系統(tǒng)設(shè)計

靜音箱是發(fā)電機組的外部包裹，作為外觀覆蓋件面積大且規(guī)整，目前設(shè)計日趨同質(zhì)化。發(fā)電機組箱體涂飾功能是防銹與美觀，減少長期庫存或潮濕作業(yè)環(huán)境下的銹蝕和變色，嚴格把控靜音箱預(yù)噴涂鈑金件表面處理和油漆施涂工藝，同時需要檢查粘度、干膜厚度、附著力等油漆參數(shù)是否符合要求等。除了運用合頁門鎖吊環(huán)、散熱孔等特征增添細節(jié)外，標識涂飾也在視覺感知上進行了創(chuàng)新。標識涂飾作為產(chǎn)品外觀的最具視覺傳達力的存在，通過配色對比、裝飾LOGO 或標識、增加噴涂腰線來豐富視覺效果，凸顯差異。

發(fā)電機組設(shè)備顏色體系并不復(fù)雜，根據(jù)涂裝工藝特點和順序，箱體外層噴漆顏色一般按照鈑金零件分塊。涂裝色彩的形象趨勢是主色單彩色+ 輔色黑色，容易識別。還可以選擇面積大的單彩色做主調(diào)，用LOGO、產(chǎn)品型號及機組功率等信息點綴的方式去加強美感，豐富表現(xiàn)力。同時，這種配色形式采用的設(shè)計語言區(qū)別于其他企業(yè)，易與產(chǎn)品品牌形象建立聯(lián)系，進而增強品牌的識別性[6]。

在鈑金零件上噴涂兩種或兩種以上的色塊，如沙特款側(cè)面運用不同色彩對比形成AI 標識，一方面來源于公司形象，提取重點視覺化樣式，對產(chǎn)品標識進行簡化表達;另一方面表明智能制造的全新理念，該噴涂覆蓋面積較大，包括靜音箱側(cè)角等多塊鈑金件，遠看效果極佳，有利于提高靜音箱發(fā)電機組的辨識度。然而，此種方案需要鈑金件在組裝完后人工涂漆，采用膠帶輔助定位，拼合處有合頁、散熱孔等，造型特征凹凸不平，噴涂難度加大，容易發(fā)現(xiàn)前期分塊噴漆工序留下的顏色，仔細觀察縫隙連接處會有局部噴漆缺陷。

對涂飾系統(tǒng)而言，不僅是單純平面設(shè)計拓展延伸到設(shè)計領(lǐng)域，更重要的是合理處理形態(tài)和色彩雙重要素在同一區(qū)域的搭配。增加邊緣線能進一步突出產(chǎn)品流暢感。在發(fā)電機組型譜上，運用統(tǒng)一的配色形式及企業(yè)識別特征，將有助于推動靜音式發(fā)電機組設(shè)計的家族化。

5 結(jié)論

文章基于發(fā)電機組靜音箱和系統(tǒng)設(shè)計理論，從操作管理者和維修作業(yè)人員等利益相關(guān)者研究入手，關(guān)注在操作和檢修中的交互行為和作業(yè)場景，有利于將設(shè)計需求與限制轉(zhuǎn)化為設(shè)計參考。靜音箱系統(tǒng)設(shè)計思路能夠?qū)a(chǎn)品分解為模塊化構(gòu)成單元，逐一說明結(jié)構(gòu)、合頁門鎖吊環(huán)、散熱孔和標識涂飾等子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)功能可用性、外觀美觀性、操作易用性等設(shè)計目標，以期為發(fā)電機組行業(yè)中的靜音箱設(shè)計實踐提供指導(dǎo)。