基于三維模擬的設(shè)備布置和安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧國(guó)元

(中核浙江衢州鈾業(yè)有限責(zé)任公司,浙江衢州324007)

1 引言

在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的理念中,設(shè)備布置和安裝是最重要的環(huán)節(jié)之一。設(shè)備布置和安裝的合理性,直接關(guān)系到工程建成后能否滿足工藝流程的要求,是否符合環(huán)境保護(hù)及安全生產(chǎn)的要求,能否創(chuàng)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(jīng)濟(jì)成本的要求。

通常的設(shè)備布置和安裝設(shè)計(jì)往往只停留在二維設(shè)計(jì)一個(gè)總的概念層面上,注重的是設(shè)備平面的位置布置、安裝,而忽視對(duì)設(shè)備主體的考慮,如總的高度、占用空間等,弱化了中間環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)上的把關(guān),如位置之間的銜接,相鄰緊靠設(shè)備間是否干涉、人工操作是否合理等。這就經(jīng)常容易設(shè)計(jì)不夠深入,只能通過(guò)竣工后的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn),設(shè)備的布置過(guò)于松散或者不合理,設(shè)備安裝后出現(xiàn)位置偏差,立體結(jié)構(gòu)不合理等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)大量的設(shè)備安裝布置和安裝進(jìn)行調(diào)查,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知,造成設(shè)備布置和安裝的主要因素如圖1所示。由圖可知,大部分設(shè)備布置以及安裝不合理的原因主要為設(shè)計(jì)誤差造成的,由于受客觀復(fù)雜變化因素影響很大,現(xiàn)場(chǎng)制約條件較多,設(shè)計(jì)工作很難做到統(tǒng)籌兼顧,為此必將導(dǎo)致工程方面出現(xiàn)不合理或者存在問(wèn)題的現(xiàn)象。如何減少該方面誤差所帶來(lái)的影響成為一個(gè)值得探索的方向。本文旨在通過(guò)利用So lidWorks三維軟件對(duì)設(shè)備的布置和安裝設(shè)計(jì)進(jìn)行三維模擬,結(jié)合場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)情況,進(jìn)行事前控制,主動(dòng)優(yōu)化,得出一個(gè)科學(xué)合理的方案,以期一方面達(dá)到充分利用場(chǎng)地資源,合理布置安裝結(jié)構(gòu),節(jié)能降耗的效果;另一方面可以促使我們的工程設(shè)計(jì)更加完美,產(chǎn)生持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 設(shè)備布置和安裝誤差因素

2 設(shè)備布置和安裝的基本要求

隨著科技的進(jìn)步,對(duì)設(shè)備的布置和安裝的要求也越來(lái)越高,流程化、集成化、便捷化將是設(shè)備布置和安裝的趨勢(shì)。以下為設(shè)備布置和安裝設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)備,集中布置,以便充分利用空間;布置和安裝應(yīng)該符合安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)要求;應(yīng)考慮設(shè)備安裝便于施工、操作和維護(hù),為操作人員創(chuàng)造良好的操作條件,主要包括：操作和檢修通道、合理的設(shè)備間距和凈空高度、必要的平臺(tái)、梯子和安全出入口等;應(yīng)滿足全廠的總體規(guī)劃的要求,應(yīng)和各方面的設(shè)施設(shè)備協(xié)調(diào);應(yīng)按工藝順序,盡量將設(shè)備適當(dāng)集中布置,以減少占地面積;設(shè)備的縱向布置應(yīng)結(jié)合設(shè)備以及工序盡量?jī)?yōu)化高度落差;設(shè)備間的距離、角度、高差等應(yīng)在布置安裝設(shè)計(jì)中統(tǒng)籌規(guī)劃。

3 三維模擬輔助設(shè)計(jì)

3.1 SolidWorks軟件簡(jiǎn)介

SolidWorks軟件具有強(qiáng)大的功能和簡(jiǎn)單的操作性,它能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤,優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,它具有以下顯著的特點(diǎn)。

(1)操作型的用戶界面,設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)用戶可以保持原有的作圖習(xí)慣,順利地從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維實(shí)體設(shè)計(jì)。

(3)可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng),并且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測(cè)。

(4)用智能零件技術(shù)自動(dòng)完成重復(fù)設(shè)計(jì),圖3為搖臺(tái)裝配體模擬效果圖。

圖3 三維模擬設(shè)備效果圖

(5)可以將工程圖與三維零件和裝配體脫離,進(jìn)行單獨(dú)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(guān)。

(6)獨(dú)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(yùn)動(dòng)的順序。

3.2 三維模擬輔助設(shè)計(jì)流程

三維模擬輔助設(shè)計(jì)的設(shè)備布置和安裝步驟如圖4所示。由圖4看出,通過(guò)三維模擬對(duì)設(shè)備的安裝和布置進(jìn)行事前模擬優(yōu)化,主動(dòng)控制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,重新完善設(shè)計(jì),避免不必要的過(guò)程及資源的耗用,不必要的桿件支撐、不必要的結(jié)構(gòu)、不合理的結(jié)構(gòu),使其在總體布局上更加緊湊合理,避免出現(xiàn)時(shí)候糾偏的結(jié)果。

大多數(shù)的設(shè)計(jì)往往借助的是現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn),依靠的是設(shè)計(jì)者本身的知識(shí)層面,由于結(jié)果的不可未知性,可控制性不強(qiáng),設(shè)計(jì)過(guò)程屬于開(kāi)環(huán)控制,局限性比較大,受制約的因素比較多。而三維模擬設(shè)計(jì)過(guò)程中有一過(guò)程是對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模擬,及時(shí)反饋模擬的結(jié)果,對(duì)模擬出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行糾偏,屬于閉環(huán)控制,能對(duì)可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題因素作分析比較,最終找出解決問(wèn)題的方法。許多設(shè)備在布置和安裝前由于工作量大或者技術(shù)復(fù)雜程度,難以對(duì)其每個(gè)環(huán)節(jié),部件的安裝過(guò)程進(jìn)行分析。為此難免出現(xiàn)基礎(chǔ)完工后,設(shè)備在安裝過(guò)程中出現(xiàn)不合理,產(chǎn)生沖突的地方,而對(duì)這方面采取糾正補(bǔ)救措施往往耗時(shí)長(zhǎng),工作量大,產(chǎn)生的而外費(fèi)用增大等,對(duì)整個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的控制產(chǎn)生不利(圖5)。

圖4 三維模擬輔助設(shè)計(jì)流程圖

圖5 吸附塔現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

如圖5所示一個(gè)吸附塔工程,建設(shè)前期只做了二維設(shè)計(jì),安裝過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)中間法蘭螺栓連接處剛好在樓層處,更改已經(jīng)來(lái)不及,只有等以后的設(shè)備更換才能徹底解決該問(wèn)題。這就增大了安裝過(guò)程的難度和后續(xù)的拆檢維修作業(yè),給整個(gè)生產(chǎn)帶來(lái)的不便,進(jìn)行檢修時(shí)還必須接著輔助的工具才能進(jìn)行,工作量和相應(yīng)的費(fèi)用都發(fā)生成倍的增加[2]。

如果通過(guò)三位模擬可以直觀地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在,在事前就對(duì)吸附塔進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。從圖6和圖7中可以直觀地發(fā)現(xiàn)連接處剛好處于樓層處,這是往往容易忽略的地方,但是對(duì)我們的后續(xù)工作卻能起到很大的影響。通過(guò)圖我們可以方便地看出缺陷所在,這種便捷的優(yōu)勢(shì)是是平面設(shè)計(jì)無(wú)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(shí)例分析

中核衢州鈾業(yè)有限責(zé)任公司2006年開(kāi)始進(jìn)行綜合技改項(xiàng)目,其中破碎系統(tǒng)改造也在其中,根據(jù)改造要求,需增加布置一條新的破碎線。現(xiàn)有的破碎場(chǎng)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(duì)整個(gè)場(chǎng)地的布置,設(shè)備的安裝進(jìn)行擇優(yōu)設(shè)計(jì),初期設(shè)計(jì)考慮了兩種方案。

方案設(shè)想1：礦石破碎后通過(guò)皮帶機(jī)從一破進(jìn)入二破,如圖8示。

圖8 一破通過(guò)皮帶機(jī)進(jìn)入二破(方案1)

方案設(shè)想2：礦石不通過(guò)皮帶機(jī)直接從一破進(jìn)入二破,如圖9示。

兩種方案比較的焦點(diǎn)在于一破過(guò)后進(jìn)二破是否通過(guò)皮帶機(jī),方案1有現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,且比較成熟;方案2設(shè)計(jì)尚處于設(shè)想狀態(tài),只有靠設(shè)計(jì)論證方案,最終定論是否可行。

圖9 一破直接進(jìn)二破(方案2)

3.3.1 經(jīng)濟(jì)成本比較分析

(1)電動(dòng)滾筒一個(gè)：3kW,假設(shè)每天工作3個(gè)班,每班6h,一年以300d計(jì)。假設(shè)工業(yè)用電電費(fèi)單價(jià)以0.8元/kW?h計(jì),則節(jié)約電費(fèi)為：3×6×300×3×0.8=12 960元/年。

(2)皮帶機(jī)制造費(fèi)用。節(jié)省一條皮帶機(jī),規(guī)格為：B500×4m,造價(jià)約 4 800元(按使用年限 5年計(jì),折舊費(fèi)用960元/年)。

(3)皮帶機(jī)年損耗費(fèi)用。維修人工費(fèi)用+零部件損耗(托輥、立輥、電動(dòng)滾筒、皮帶損耗等)≈800元。

(4)累計(jì)節(jié)約費(fèi)用：12 960+960+800=14 720元/年。

(5)假設(shè)該生產(chǎn)線壽命期10年,合計(jì)節(jié)約費(fèi)用。14 720元/年×10年=147 200元。

3.3.2 技術(shù)可行性論證

從經(jīng)濟(jì)成本角度出發(fā),優(yōu)先考慮方案2,一直接進(jìn)二破。目前要論證的問(wèn)題就是方案2是否可行,現(xiàn)場(chǎng)條件是否滿足設(shè)計(jì)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(shè)備之間是否關(guān)聯(lián)?先期對(duì)這個(gè)設(shè)備的布局進(jìn)行平面設(shè)計(jì),在場(chǎng)地優(yōu)化、設(shè)備位置點(diǎn)布置等總的面上進(jìn)行控制。圖10和11就是對(duì)兩種方案的平面設(shè)計(jì)論證。

圖10 破通過(guò)皮帶機(jī)進(jìn)二破布置圖(方案1)

圖11 一破直接進(jìn)二破布置圖(方案2)

圖12 一破直接進(jìn)二破二維基礎(chǔ)設(shè)計(jì)詳圖

再結(jié)合三維設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備間的布置和點(diǎn)進(jìn)行模擬,包括設(shè)備間的尺寸模擬、基礎(chǔ)模擬、設(shè)備間銜接的模擬等情況,具體見(jiàn)圖13。

圖13 三維模擬的一破直接進(jìn)二破布置安裝圖

從圖中可以直觀清晰的看出設(shè)備的相互位置之間的關(guān)系和狀態(tài),便于查找出普通設(shè)計(jì)中沒(méi)有深入細(xì)化、考慮不周的情況。該工程安裝竣工后,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明效果良好,達(dá)到理想控制指標(biāo)。平面圖難以檢查其布置安裝過(guò)程干涉的發(fā)生、運(yùn)動(dòng)軌跡的正確合理與數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,通過(guò)用三維動(dòng)態(tài)模擬可很快地、直觀地檢查出其模型和干涉發(fā)生的原因,把設(shè)計(jì)誤差降到最低。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝圖片

它可模擬布置和安裝過(guò)程、直觀地檢測(cè)平面布置設(shè)計(jì)。特別是三維動(dòng)態(tài)模擬或仿真給管理者以可視、可觀把握生產(chǎn)線的設(shè)備布置和安裝,使風(fēng)險(xiǎn)大大降低,成本降低。該工程自2010年5月竣工投入生產(chǎn)以來(lái),運(yùn)行良好,達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。從該實(shí)例可以看出,雖然只是很小的一個(gè)設(shè)備布置優(yōu)化改動(dòng),但是在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中,卻能產(chǎn)生持續(xù)而良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)過(guò)程中,不可避免將產(chǎn)生大量的設(shè)備布置和安裝作業(yè),三維模擬設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程將產(chǎn)生持續(xù)積極的影響。它不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)效益、成本控制、維護(hù)操作等方面上,另一方面可以提供給設(shè)計(jì)者一個(gè)方便的平臺(tái),借助對(duì)設(shè)備布置和安裝位置的模擬,可以直觀便捷的找出設(shè)計(jì)中未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,及時(shí)解決,優(yōu)化設(shè)計(jì)、使設(shè)計(jì)更加完美,希望本文能為該方面的進(jìn)一步探索提供點(diǎn)建議。

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

[2]宋克儉.工業(yè)設(shè)備安裝技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.