混凝土泵车设计中的模块化应用

张竟，黎华，徐大鹏（三一重工股份有限公司，湖南长沙410100）

【摘要】研究了模块化设计在混凝土泵车设计中的应用；着重阐述了已有泵车产品模块化平台的搭建过程，包括：产品系列化规划、模块划分、建立模块主结构以及标准模块设计；同时，介绍了泵车模块化三维设计解决方案。基于泵车产品模块化平台可进行变型设计和配置设计，既可以提高企业快速响应市场需求的能力，又能提高产品质量和可靠性，降低开发成本。

【关键词】模块化产品平台；Top-Down；标准模块；模块主结构；混凝土泵车

DOI:10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2016.18.167

今年来，混凝土机械行业的竞争环境发生了巨大的变化，主要表现在：产品市场竞争日益激烈，客户需求趋向多样化和个性化，交货期缩短，产品质量和可靠性要求日趋苛刻，多品种小批量生产比例增大和市场的动态多变等方面。如何既能满足用户的个性化需求，又能占有市场，降低生产成本，提高产品竞争力，是各制造商面临的重要问题。目前，传统的设计方法已不能满足市场需求，泵车产品的模块化设计势在必行。

泵车产品的模块化设计主要是对已有产品的标准化和规范化，建立产品模块化平台，并在此基础上进行变型设计和配置设计。模块化平台的构建主要包括：泵车产品系列化规划，产品功能模块划分和结构模块优化，标准模块和模块接口设计，建立产品主结构等。

产品系列化规划主要包括产品频谱分析、基型选择和确定产品主参数。根据产品的结构特征及历史订单分布情况，选择销售量较大，结构和性能先进可靠，又有发展前途的型号作为某系列段的基型产品。依据产品频谱分析结果，对已有产品功能和结构参数进行分析和优化，确定产品主参数，缩小产品类型的变化范围。泵车的主参数包括：臂架最大垂直高度、最大理论输送量、最大理论出口压力以及整车总质量。

模块是模块化产品的基本组成单元，合理有效的模块划分是模块化设计的前提与基础。基于泵车的总体结构，采用自顶向下的功能模块划分方法可以将泵车分为底盘、臂架系统、转塔、泵送系统、液压系统、电气系统、底架、附件等。以一级模块为基础，结合功能和结构，同时兼顾到模块的制造、维修和试验等方面进行二级模块的划分。以臂架系统二级模块划分为例，可划分为臂架、连杆、销轴以及油缸四个二级模块。臂架主要提供远程布料的支撑功能、通过油缸和连杆机构可实现臂架的收展功能。同一型号的泵车，臂架系统中臂架长度配置不一，而销轴、轴套、缓冲垫以及臂架油缸与基型完全一致。臂架和连杆为安全性结构件，结构复杂、对焊接质量要求很高且一般采用专机加工。将臂架和连杆作为两个独立的模块，可以合理地组织生产，既可以提高生产效率又能确保质量。销轴结构形式相似，材料、热处理工艺以及加工工艺路线一致，为典型的系列产品。将其作为一个单独的模块有如下优点：可进行模块变型设计，平均设计成本低、设计质量高；能按一定批量重复生产，可以不断优化制造过程，制造成本低；质量稳定、交货周期短。

建立产品族主结构需要全面了解产品模块的所有可能组合，在此基础上构建一个可配置的产品结构。首先要建立产品基本模块的层次结构，然后在该层次结构上加入必选模块和可选模块[1]。泵车产品的必选模块包括汽车底盘、油泵、减速机等；可选模块如自动退混凝土活塞模块、臂架防高压装置模块、臂架减震系统模块、发动机节能控制模块、液压系统预热功能模块、冷却系统风扇转速稳定功能模块等。泵车产品族主结构如图1所示。

图1　混凝土泵车主结构图

标准模块设计是指对通用模块信息内容统一化和标准化，构建标准模块及其下属零部件信息描述体系。包括：模块几何形状分析、参数分析、建立模块主模型和各种主文档、建立模块接口主模型和各种主文档等。泵车产品上的标准模块包括：零件层次（如：销轴、轴套、法兰、缓冲垫等）和部件层次（如单节臂架、支腿臂等）。

以销轴为例，分析标准模块的设计过程，包括：几何形状分析、参数分析以及建立主模型和主图。

参数分析主要是对产品模型的尺寸进行分类，一般产品几何尺寸可分成四类，即：定制尺寸、功能性尺寸、关联性尺寸以及非变动尺寸。销轴的功能性尺寸为销轴轴径（A）、接触长度（B）、减重孔孔径（C）以及油杯安装孔定位尺寸（D）。非变动尺寸在产品中基本确定不变，如：销轴采用标准油杯和油杯安装尺寸；销轴表面粗糙度、形位公差、材料及热处理工艺等也为标准化设计。在参数分析过程中，从减少工装夹具种类、简化加工过程、降低加工成本及原料成本的角度出发，在满足客户需求的前提下，应尽可能地将功能性尺寸、关联性尺寸转化为非变动尺寸。例如，为减少原材料供给的种类以及刀具、夹具种类，将销轴轴径和减重孔孔径按照标准数系进行设计，对于单个产品来说，这样做是不合理的，但从全局出发是非常经济的。

工程图模板和族表技术可以快速生成销轴的三维模型和工程图（图2）。即：利用PRO/E系统建立一个基于事物特性表的销轴主图，通过该主图能够派生出不同尺寸的销轴工程图。主要过程包括：创建类属零件；创建族表结构、创建实例、利用族表生成实例的工程图。

图2　建立销轴的主图

泵车模块化三维设计方案为：基于PDM系统平台，利用Top-Down参数化设计方法进行协同设计。通过参数化模型可以实现产品的快速变型设计，提高产品的设计效率。以3桥49m系列泵车为例，该系列基型产品为49m泵车。通过对末端两节臂架的变型设计（臂架长度调整），可以快速地设计出整个系列产品（从40~49m泵车）。

以PDM系统为中介，总体设计师与模块设计师开展协同设计。总体设计师进行方案设计规划，确定一级模块及主参数；负责产品整体布局，确定各模块的布置位置、接口位置和模块关键参数等。模块设计师接收总体定义的位置信息和参数要求，并从接口骨架中接收接口条件，开展模块的设计。总体设计师与模块设计师通过PDM系统进行数据传递，代替传统设计方法中繁琐的口头和纸面交流，且可以保证数据传递准确无误。当总体参数和设计条件更改后，模块只需更新接收的设计信息即可。模型采用的是参数化建模，模型可驱动，设计效率较传统设计方法显著提高。

Top-Down设计方法具体应用为：在PRO/E中总体设计师将总体设计信息建立到一个总骨架里面，然后通过发布几何将模块的设计信息分别发布给各子模型，从而实现总体对子模型设计的全局把控。泵车各分系统之间、各二级模块之间模型参考关系相对独立，既从上级接收设计信息，也对下级传递设计意图。

下面以一级模块臂架系统为例，介绍基于PRO/E系统的Top-Down设计方法。臂架系统主要包含四种类型的骨架模型：接口骨架、参数骨架、位置骨架和发布骨架。臂架系统具体设计流程为：

（1）接收泵车整车布置骨架、泵车参数骨架以及与臂架系统相关的一级接口骨架；(www.xing528.com)

（2）创建臂架参数骨架，确定臂架系统内部主参数，通过关系式继承泵车总体主参数；

（3）进行臂架系统总体布置设计，确定臂架系统各二级模块位置，创建臂架系统位置骨架；

（4）确定臂架系统各二级模块之间的接口信息，创建二级接口骨架；

（5）确定臂架部件的基本轮廓形状，面向各二级模块创建发布骨架。发布骨架中的相关参数通过关系式受参数骨架中对应参数驱动；

（6）利用臂架系统发布骨架及接口骨架的信息，建立二级模块设计骨架，完成零部件设计。

（1）泵车新产品开发模式由传统的串行设计演变为并行设计，研发周期缩短（同一基型产品研发时间缩短35%）；且研发质量得到大幅提升（在方案设计阶段可以对新结构、关重件等进行数字化样机分析和台架试验）。

（2）在产品族主结构和零部件主模型、主文档的基础上，根据客户的不同需求，采用配置设计和变型设计的方法，可以迅速设计出定制产品。

（3）构建了基于模块化的设计、工艺、制造、试验和信息化体系，泵车产品的品质不断提升，且生产和管理成本大幅下降。

本文介绍了模块化设计在混凝土泵车上的应用，着重阐述了泵车模块化产品平台的搭建过程以及泵车模块化设计的具体解决方案。基于此模块化平台，可对产品进行变型设计和配置设计，既可以提高企业快速响应市场需求的能力，又能提高产品质量和可靠性，降低开发成本。

参考文献

[1]约瑟夫·萧塔纳.祁国宁，译.制造企业的产品数据管理[M].北京：机械工业出版社，2000.

【中图分类号】TU642

【文献标识码】A

【文章编号】2095-2066（2016）18-0273-02

收稿日期：2016-4-13

作者简介：张竟（1983-），男，工程师，硕士，主要从事工程机械设计与开发工作。

黎华（1981-），女，工程师，硕士，主要从事工程机械设计与开发工作。

徐大鹏（1981-），男，工程师，硕士，主要从事工程机械设计与开发工作。