基于三維模擬的設備布置和安裝優化設計

盧國元

(中核浙江衢州鈾業有限責任公司,浙江衢州324007)

1 引言

在現代工程設計的理念中,設備布置和安裝是最重要的環節之一。設備布置和安裝的合理性,直接關系到工程建成后能否滿足工藝流程的要求,是否符合環境保護及安全生產的要求,能否創造更良好的操作條件,是否便于安裝和維修,以及最大限度滿足經濟成本的要求。

通常的設備布置和安裝設計往往只停留在二維設計一個總的概念層面上,注重的是設備平面的位置布置、安裝,而忽視對設備主體的考慮,如總的高度、占用空間等,弱化了中間環節和細節上的把關,如位置之間的銜接,相鄰緊靠設備間是否干涉、人工操作是否合理等。這就經常容易設計不夠深入,只能通過竣工后的現場檢驗才能發現,設備的布置過于松散或者不合理,設備安裝后出現位置偏差,立體結構不合理等現象。通過對大量的設備安裝布置和安裝進行調查,對數據進行分析得知,造成設備布置和安裝的主要因素如圖1所示。由圖可知,大部分設備布置以及安裝不合理的原因主要為設計誤差造成的,由于受客觀復雜變化因素影響很大,現場制約條件較多,設計工作很難做到統籌兼顧,為此必將導致工程方面出現不合理或者存在問題的現象。如何減少該方面誤差所帶來的影響成為一個值得探索的方向。本文旨在通過利用So lidWorks三維軟件對設備的布置和安裝設計進行三維模擬,結合場地的現場情況,進行事前控制,主動優化,得出一個科學合理的方案,以期一方面達到充分利用場地資源,合理布置安裝結構,節能降耗的效果;另一方面可以促使我們的工程設計更加完美,產生持續的經濟效益。

圖1 設備布置和安裝誤差因素

2 設備布置和安裝的基本要求

隨著科技的進步,對設備的布置和安裝的要求也越來越高,流程化、集成化、便捷化將是設備布置和安裝的趨勢。以下為設備布置和安裝設計應符合的一些基本要求,包括滿足工藝流程,按物流順序布置設備,集中布置,以便充分利用空間;布置和安裝應該符合安全生產和環境保護要求;應考慮設備安裝便于施工、操作和維護,為操作人員創造良好的操作條件,主要包括：操作和檢修通道、合理的設備間距和凈空高度、必要的平臺、梯子和安全出入口等;應滿足全廠的總體規劃的要求,應和各方面的設施設備協調;應按工藝順序,盡量將設備適當集中布置,以減少占地面積;設備的縱向布置應結合設備以及工序盡量優化高度落差;設備間的距離、角度、高差等應在布置安裝設計中統籌規劃。

3 三維模擬輔助設計

3.1 SolidWorks軟件簡介

SolidWorks軟件具有強大的功能和簡單的操作性,它能夠為設計者提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤,優化設計結構,提高設計質量,它具有以下顯著的特點。

(1)操作型的用戶界面,設計步驟便捷直觀,如圖2所示。

圖2 SolidWorks軟件的操作界面截圖

(2)它提供的模擬器,使得二維設計用戶可以保持原有的作圖習慣,順利地從二維設計轉向三維實體設計。

(3)可以動態地查看裝配體的所有運動,并且可以對運動的零部件進行動態的干涉檢查和間隙檢測。

(4)用智能零件技術自動完成重復設計,圖3為搖臺裝配體模擬效果圖。

圖3 三維模擬設備效果圖

(5)可以將工程圖與三維零件和裝配體脫離,進行單獨操作,以加快工程圖的操作,但保持與三維零件和裝配體的全相關。

(6)獨特的用交替位置顯示視圖能夠方便地顯示零部件的不同的位置的功能,可以直觀的了解運動的順序。

3.2 三維模擬輔助設計流程

三維模擬輔助設計的設備布置和安裝步驟如圖4所示。由圖4看出,通過三維模擬對設備的安裝和布置進行事前模擬優化,主動控制,及時發現問題,重新完善設計,避免不必要的過程及資源的耗用,不必要的桿件支撐、不必要的結構、不合理的結構,使其在總體布局上更加緊湊合理,避免出現時候糾偏的結果。

大多數的設計往往借助的是現有的經驗,依靠的是設計者本身的知識層面,由于結果的不可未知性,可控制性不強,設計過程屬于開環控制,局限性比較大,受制約的因素比較多。而三維模擬設計過程中有一過程是對設計的方案進行模擬,及時反饋模擬的結果,對模擬出現的缺陷進行糾偏,屬于閉環控制,能對可預見的問題因素作分析比較,最終找出解決問題的方法。許多設備在布置和安裝前由于工作量大或者技術復雜程度,難以對其每個環節,部件的安裝過程進行分析。為此難免出現基礎完工后,設備在安裝過程中出現不合理,產生沖突的地方,而對這方面采取糾正補救措施往往耗時長,工作量大,產生的而外費用增大等,對整個經濟指標的控制產生不利(圖5)。

圖4 三維模擬輔助設計流程圖

圖5 吸附塔現場安裝照片

如圖5所示一個吸附塔工程,建設前期只做了二維設計,安裝過程中才發現中間法蘭螺栓連接處剛好在樓層處,更改已經來不及,只有等以后的設備更換才能徹底解決該問題。這就增大了安裝過程的難度和后續的拆檢維修作業,給整個生產帶來的不便,進行檢修時還必須接著輔助的工具才能進行,工作量和相應的費用都發生成倍的增加[2]。

如果通過三位模擬可以直觀地發現問題所在,在事前就對吸附塔進行重新設計。從圖6和圖7中可以直觀地發現連接處剛好處于樓層處,這是往往容易忽略的地方,但是對我們的后續工作卻能起到很大的影響。通過圖我們可以方便地看出缺陷所在,這種便捷的優勢是是平面設計無法比擬的。

圖6 吸附塔安裝三維模擬效果圖

圖7 三維模擬出的缺陷圖

3.3 實例分析

中核衢州鈾業有限責任公司2006年開始進行綜合技改項目,其中破碎系統改造也在其中,根據改造要求,需增加布置一條新的破碎線。現有的破碎場地比較狹小,為了使布局更加的合理,新增一條破碎線,就必須對整個場地的布置,設備的安裝進行擇優設計,初期設計考慮了兩種方案。

方案設想1：礦石破碎后通過皮帶機從一破進入二破,如圖8示。

圖8 一破通過皮帶機進入二破(方案1)

方案設想2：礦石不通過皮帶機直接從一破進入二破,如圖9示。

兩種方案比較的焦點在于一破過后進二破是否通過皮帶機,方案1有現有的經驗可以借鑒,且比較成熟;方案2設計尚處于設想狀態,只有靠設計論證方案,最終定論是否可行。

圖9 一破直接進二破(方案2)

3.3.1 經濟成本比較分析

(1)電動滾筒一個：3kW,假設每天工作3個班,每班6h,一年以300d計。假設工業用電電費單價以0.8元/kW?h計,則節約電費為：3×6×300×3×0.8=12 960元/年。

(2)皮帶機制造費用。節省一條皮帶機,規格為：B500×4m,造價約 4 800元(按使用年限 5年計,折舊費用960元/年)。

(3)皮帶機年損耗費用。維修人工費用+零部件損耗(托輥、立輥、電動滾筒、皮帶損耗等)≈800元。

(4)累計節約費用：12 960+960+800=14 720元/年。

(5)假設該生產線壽命期10年,合計節約費用。14 720元/年×10年=147 200元。

3.3.2 技術可行性論證

從經濟成本角度出發,優先考慮方案2,一直接進二破。目前要論證的問題就是方案2是否可行,現場條件是否滿足設計要求,一破和二破之間的位置布置高差(下料口的坡度)論證,輔助設備之間是否關聯?先期對這個設備的布局進行平面設計,在場地優化、設備位置點布置等總的面上進行控制。圖10和11就是對兩種方案的平面設計論證。

圖10 破通過皮帶機進二破布置圖(方案1)

圖11 一破直接進二破布置圖(方案2)

圖12 一破直接進二破二維基礎設計詳圖

再結合三維設計對設備間的布置和點進行模擬,包括設備間的尺寸模擬、基礎模擬、設備間銜接的模擬等情況,具體見圖13。

圖13 三維模擬的一破直接進二破布置安裝圖

從圖中可以直觀清晰的看出設備的相互位置之間的關系和狀態,便于查找出普通設計中沒有深入細化、考慮不周的情況。該工程安裝竣工后,現場實驗證明效果良好,達到理想控制指標。平面圖難以檢查其布置安裝過程干涉的發生、運動軌跡的正確合理與數學模型的準確性,通過用三維動態模擬可很快地、直觀地檢查出其模型和干涉發生的原因,把設計誤差降到最低。

圖13 現場實際安裝圖片

它可模擬布置和安裝過程、直觀地檢測平面布置設計。特別是三維動態模擬或仿真給管理者以可視、可觀把握生產線的設備布置和安裝,使風險大大降低,成本降低。該工程自2010年5月竣工投入生產以來,運行良好,達到設計的預期效果。從該實例可以看出,雖然只是很小的一個設備布置優化改動,但是在長期的生產過程中,卻能產生持續而良好的經濟效益。

4 結語

生產過程中,不可避免將產生大量的設備布置和安裝作業,三維模擬設計對整個生產過程將產生持續積極的影響。它不僅體現在生產效益、成本控制、維護操作等方面上,另一方面可以提供給設計者一個方便的平臺,借助對設備布置和安裝位置的模擬,可以直觀便捷的找出設計中未發現的問題,及時解決,優化設計、使設計更加完美,希望本文能為該方面的進一步探索提供點建議。

[1]譚雪松,曹占倫,鐘廷志.SolidWorks 2007中文版基礎培訓教程[M].北京：人民郵電出版社,2007.

[2]宋克儉.工業設備安裝技術[M].北京：化學工業出版社,2006.