面向制造安裝和維護的水輪發電機組設計

茹志云

摘要：本文闡明了面向制造、安裝和維護的水輪發電機組設計的意義，系統、深入的介紹了怎樣從企業的組織架構、產品開發流程和技術手段等方面實施，并有針對性的列出了水輪發電機組的DFX設計原則。本文對水輪發電機組設計應用和推廣DFX有很好的參考價值。

關鍵詞：水輪發電機組；制造安裝和維護；并行工程

中圖分類號TM3 文獻標識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0202-02

水輪發電機組的制造、安裝和維護成本很高。目前大部分水輪發電機研發、生產企業還沒有實施面向制造、安裝和維護的設計，或者還沒有系統的深度實施。因此，很有必要系統、深入的闡述怎樣開展面向制造、安裝和維護的設計，引導企業有效實施，加快水輪發電機組產品的開發，綜合考慮其設計、制造、安裝和維護的成本，提高整個工程的綜合效益。

1.面向制造、安裝和維護設計的意義

傳統設計模式是串行方法，即收到客戶的產品基本參數要求（如水頭、流量、發電量）后，設計部進行產品設計，然后是工程部做工藝設計和準備工裝夾具，生產部進行零部件加工和裝配，最后整套設備現場安裝與調試。加工、裝配、安裝、調試依次串行進行。設計部門設計時考慮工藝、工裝、裝配、運輸、安裝、維護、檢測等方面的要求和能力不到位，即使有要求相關部門參與提意見，由于沒有流程的支持，沒有成熟的評估原則，蜻蜓點水式的淺度參與，終歸流于形式而起不到應有的作用。

這種運作方式存在如下不足：1）造成零部件的可制造性、可安裝性、可維護性較差；2）設計、工藝、夾具反復修改，產品開發周期長；3）項目整體費用高，常常表現為制造和安裝費用高；4）產品不方便維護，維護費用高，用戶不滿意。

鑒于此，水輪發電機組企業非常有必要采用并行工程，運用DFX技術，即在設計階段綜合考慮滿足產品的制造、裝配、運輸、安裝和維護等方面的要求，從產品的整個生命周期考慮設計。

2.并行工程簡介

并行工程是指產品設計和（制造、安裝、維護等）過程設計并行、集成處理的系統方法和綜合技術，它要求在項目的概念（評估）與計劃（設計）階段，開發相關人員就要綜合考慮產品從概念形成到報廢/回收的整個生命周期的各種因素。

本文將并行工程的系列核心技術統稱為DFX技術，它至少包括：1）DFM面向制造的設計；2）DFA面向裝配/安裝的設計；3）DFI面向檢測的設計；4）DFU面向使用的設計；5）DFS面向維護的設計；6）DFE面向環境的設計；7）DFR面向報廢與回收的設計。本文著重于DFM/DFA/DFS。

DFX是一種針對制造、安裝和維護等全生命周期的各環節統籌兼顧的設計技術。就是在產品滿足性能和使用的前提下，在設計一開始就利用各種技術手段，進行規劃、仿真、分析、評審，把制造、安裝和維護等系列因素添加到設計過程中去，從全生命周期的角度對設計進行多方案分析，優化決策，改進產品的設計，并盡可能降低產品總成本，實現整體效益。

3.矩陣組織架構為并行工程提供組織保障

矩陣組織架構由按職能劃分的部門和按項目劃分的開發團隊組成。參與項目開發團隊的成員，在同原職能部門保持業務聯系的同時在項目開發團隊開展相關工作。這種組織形式克服了傳統職能型組織架構存在的跨部門溝通協調不便的固有缺陷，保證溝通順暢高效。

通過矩陣組織將市場、研發、工程、計劃、采購、生產、質量、財務、服務等項目成員組織到PDT（產品開發團隊）中，保證在項目的各個階段（尤其是概念階段和計劃階段）PDT成員能順利協同工作，以公司級組織的形式保證并行工程的穩定、高效實施。

4.DFX與產品開發流程融合為并行工程提供流程保障

DFX理念和工具與產品開發流程相結合，能從流程上保證并行工程的切實實施。下面以IPD（集成產品開發）為例，簡要說明DFX與產品開發流程融合和實施過程。

在概念階段項目經理即組建產品開發核心小組。產品開發核心小組識別、定義用戶要求，設計初步方案，進行功能/裝配建模，做產品的技術可行性與DFX（DFM/DFA/DFC/DFs/DFE）的分析與評審（TRl），以及項目的財務分析。經IPMT或IRB決策評審（CDCP）決定項目是否繼續進行。這樣就保證了各方面核心人員從一開始就參與到項目中來，進行產品設計、DFX分析與評審。

在計劃階段進行產品方案的完善、DFX分析與方案評審（TR2），以及細節設計和設計評審（TR3），包括CAX（cAM/CAE/cAPP）設計與評審。

開發階段進行樣機制作和測試，工程利用3D數據進行CAX協同制造，實現設計與制造無縫接軌。

在概念階段和計劃階段分別有CDCP和PDCP決策，只有方案技術可行，符合DFX要求，且達到預期經濟效益的項目才會通過決策評審繼續往下開展。

DFX集成進入產品研發流程中，通過產品設計、工藝開發和自動化生產設計的并行工程，可以大大縮短項目周期，提高產品的制造、安裝和維護的便利性。5技術手段保證并行工程的高效實施

應用于并行工程的主要技術有：1）CAX技術：CAD（計算機輔助設計）；CAM（計算機輔助制造）；CAPP（計算機輔助工藝規劃）；CAE（計算機輔助工程）；2）PXM技術：PDM（產品數據管理）；PLM（產品生命周期管理）；3）計算機協調管理系統。

開發人員利用這些技術手段，實現設計、制造一體化，使CAD、CAM、CAPP、PDM/PLM、ERP等實現真正的高度集成。這這些技術手段的支持下，在設計時綜合考慮產品開發的概念形成、方案分析、詳細設計、生產制造、裝配安裝、維護售后、報廢回收、經濟效益等所有因素。

6.水輪發電機組DFX設計原則

水輪發電機的設計、裝配、安裝、維護是相互聯系的，是整個系統工程的一部分，應該系統考慮，協同解決。

下面有針對性的提出水輪發電機DXF設計原則，這使得抽象的設計可以決策化，為開發人員提供DFX設計指南，作為分析評審標準，同時也便于計算機去處理這樣一個設計過程。

1）考慮零件的互換性，盡量使用標準件和通用件，模塊化設計，減少零件個數和種類。

2）充分考慮產品的裝夾與定位：有裝夾位特征，避免二次裝夾，使用標準刀具，減少換刀次數。

3）工差設計：尺寸公差、形位公差和表面粗糙度要求恰當（滿足要求的前提下采用寬松的公差）；公差一致性；關鍵公差分析；零部件精度進行合理的工藝分配。

4）易于檢測和可靠性試驗；檢測工具、可靠性試驗設備滿足要求。

5）可靠性設計，保證產品的MTBF。

6）根據實際加工環境，靈活運用一體式設計和分體式設計。

7）考慮安裝人員的技能與設備狀況，盡量采用易于裝配、方便維護的簡單結構。

8）簡化安裝過程，減少零件裝配方向，必要的導向、限位、避讓、防誤操作設計。

9）足夠的安裝操作空間；各安裝任務不沖突、不重復；滿足人機工程學要求。

10）防止零件欠約束和過約束；安裝后尺寸、公差滿足要求。

11）防錯設計：具有唯一正確的安裝位置；明顯的防錯特征；夸大零件的不相似性。

12）毛坯設計：分型面、澆口和流道合理；毛坯加工余量合理與裝夾位；毛坯加工后精度能滿足設計要求。

13）生產、安裝和維護能力是否能滿足產品要求；安裝現場是否滿足要求。

14）設備報廢與回收時便于拆卸。

15）綜合考慮產品的性能、質量和效率，使工程總成本達到最低。

16）各工序滿足勞動防護要求。

7.實例說明

本例介紹面向運行、安裝和維護對推力軸承的設計優化。推力軸承承受水輪發電機組轉動部分的重量和軸向水推力，同時經推力軸承將這些力傳遞給水輪發電機的載重機架。

軸承所承載的推力負荷決定了推力軸承的物理尺寸。通常大家按水輪機的最大水推力作為推力軸承的計算基準。

如果深入分析水輪機的運行環境，統計相關運行和維護數據，就會發現絕大多數時候和情況下，水輪機承受的是額定水推力，這是水輪機工作的常態。經過進一步對水輪機的可靠性評估，發現按最大水推力計算推力軸承，安全系數太大，浪費了材料和空間。如果按額定水推力設計軸承，同時用最大水推力進行校核計算，可以非常明顯的降低推力軸承的材料成本和加工成本。

8.結論

在矩陣式的組織架構下與產品開發流程融合、利用現代CAX和PXM技術手段、以DXF設計原則和成熟的經驗作為標準，保證水輪發電機組面向制造、安裝和維護的設計開發順利實施。