泥漿泵模塊化設(shè)計(jì)方法研究

王東， 春晨， 王盼， 李永飛， 李洪波

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721001；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721001；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司，新疆 庫爾勒841000）

0 引 言

在當(dāng)前復(fù)雜嚴(yán)峻的世界經(jīng)濟(jì)形勢下，國際原油價(jià)格持續(xù)低位徘徊，石油鉆井裝備市場增長緩慢，行業(yè)競爭日趨激烈。為避免行業(yè)惡性同質(zhì)化低價(jià)競爭，快速響應(yīng)市場不斷增長的多樣化需求，提升行業(yè)競爭力和產(chǎn)品議價(jià)能力，在石油鉆井裝備制造行業(yè)摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想并引入新的設(shè)計(jì)理念和方法是十分必要和迫切的。

模塊化設(shè)計(jì)是一種以少量通用化部件組裝成多種功能和用途的產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)需要整合用戶需求、公司現(xiàn)有產(chǎn)品屬性及未來發(fā)展戰(zhàn)略等方面內(nèi)容，提煉出產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售等各部門相關(guān)信息，以規(guī)劃模塊化產(chǎn)品架構(gòu)，不斷迭代優(yōu)化以形成相對穩(wěn)固的模塊化產(chǎn)品架構(gòu)，完成公司系列產(chǎn)品的規(guī)劃。

模塊化作為一種設(shè)計(jì)理念尚無統(tǒng)一的定義，有人認(rèn)為模塊化是綜合考慮系統(tǒng)對象，把系統(tǒng)按功能及屬性分解成不同用途和性能的一系列通用模塊，并使之接口標(biāo)準(zhǔn)化，選擇不同的模塊以迅速組成不同功能或功能相同但性能不同、規(guī)格不同產(chǎn)品的一種方法，在滿足客戶需求的同時(shí)，降低了設(shè)計(jì)、制造和管理成本，該方法在工業(yè)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用較為普遍。

1 泥漿泵模塊化設(shè)計(jì)

為優(yōu)化泥漿泵產(chǎn)品族，減少設(shè)計(jì)、制造及管理周期，降低成本，對泥漿泵進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)方法研究。在對現(xiàn)有泥漿泵產(chǎn)品族進(jìn)行系統(tǒng)性梳理分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮模塊化設(shè)計(jì)理念和泥漿泵產(chǎn)品的屬性特征，將泥漿泵模塊化設(shè)計(jì)分為以下步驟和內(nèi)容：產(chǎn)品屬性分析，模塊劃分，接口規(guī)劃，模塊實(shí)體規(guī)劃，產(chǎn)品規(guī)劃，3D模型庫構(gòu)建及搭建產(chǎn)品配置管理器等。

1.1 產(chǎn)品屬性分析及模塊劃分

產(chǎn)品屬性是為了滿足市場需求而產(chǎn)生的，既有產(chǎn)品中包含有大量的有用產(chǎn)品屬性和無用產(chǎn)品屬性，在進(jìn)行了充分市場調(diào)研后，結(jié)合產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略對產(chǎn)品屬性進(jìn)行系統(tǒng)性梳理分析，保留有用屬性，淘汰無用屬性，并新增滿足未來市場需求的新屬性。

進(jìn)行產(chǎn)品屬性分析的意義在于分析查找出引起產(chǎn)品及零件變化的主要因素，規(guī)劃產(chǎn)品屬性目標(biāo)值或規(guī)格范圍，分析產(chǎn)品零部件復(fù)雜度，最終為產(chǎn)品模塊劃分提供科學(xué)依據(jù)。

模塊劃分的合理性是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通常模塊劃分需遵循以下原則：模塊的功能和結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性與完整性；模塊的連接和分離的便利性；合理的模塊劃分粒度；模塊的通用性好等。通過上述設(shè)計(jì)屬性矩陣對泥漿泵各屬性及零部件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對泥漿泵零件規(guī)格變化影響較大的產(chǎn)品屬性有動力源型式、功率、泵規(guī)格、傳動型式等，依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合模塊劃分原則將泥漿泵劃分為M01動力源模塊、M02傳動模塊、M03單泵模塊、M04噴淋模塊、M05潤滑模塊、M06灌注模塊、M07輔助管匯模塊、M08底座模塊及M09吸入空氣包模塊等9大模塊。

1.2 模塊接口規(guī)劃

接口是指模塊與模塊之間表達(dá)關(guān)聯(lián)性的幾何、尺寸、參數(shù)及公母端定義等設(shè)計(jì)信息，用于模塊定位及連接，具有獨(dú)立性、繼承性及共享性等特點(diǎn)。通過分析各模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，規(guī)劃并規(guī)范、統(tǒng)一接口規(guī)格，形成接口規(guī)格書，接口規(guī)格書應(yīng)包含接口的編號、功能描述、接口規(guī)劃的策略及方向、關(guān)鍵參數(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求等信息。模塊接口公母端的定義原則雖各不相同，但必須清晰明確，例如可以定義動力輸入端為公端、接收端為母端，定義附屬模塊為公端、主模塊為母端等。合理的接口規(guī)劃可提高模塊的通用性和互換性，通過接口規(guī)格書規(guī)范接口設(shè)計(jì)相關(guān)信息，可避免接口設(shè)計(jì)錯誤及模塊設(shè)計(jì)過程中調(diào)用接口時(shí)發(fā)生錯誤。

通過對泥漿泵各模塊的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，共規(guī)劃出16種模塊接口，編號為I01至I16，每種接口又可細(xì)分為若干規(guī)格以滿足不同模塊關(guān)聯(lián)性 的 要求。泥漿泵各模塊的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 泥漿泵各模塊接口示意圖

1.3 模塊實(shí)體規(guī)劃

模塊實(shí)體規(guī)劃的目的是規(guī)劃出能夠支撐整個(gè)產(chǎn)品系列的不同模塊實(shí)體，通過模塊實(shí)體規(guī)格表分析展開不同的市場需求，不同的產(chǎn)品屬性目標(biāo)值，規(guī)劃出滿足對應(yīng)市場需求和產(chǎn)品屬性的模塊實(shí)體。應(yīng)用模塊實(shí)體規(guī)格表分別將泥漿泵M01～M09各個(gè)模塊展開，分析引起模塊規(guī)格變化的產(chǎn)品屬性，列出每個(gè)產(chǎn)品屬性的變化目標(biāo)值并記錄產(chǎn)品屬性之間的匹配邏輯關(guān)系，規(guī)劃模塊實(shí)體并給模塊實(shí)體進(jìn)行統(tǒng)一編號。

模塊實(shí)體是由模塊骨架和具體零部件組成的，具有標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)利用的特性。模塊骨架用來代表某一類特定模塊的所有模塊實(shí)體，具有管理、規(guī)范模塊間接口及模塊規(guī)格、形狀、尺寸的功能，主要由模塊接口和模塊封包構(gòu)成，模塊封包即模塊實(shí)體所占據(jù)的大致空間范圍，用于提供產(chǎn)品布局時(shí)的空間預(yù)測。每一個(gè)模塊實(shí)體對應(yīng)一個(gè)模塊骨架，同一個(gè)模塊骨架可對應(yīng)不同的模塊實(shí)體，不同模塊實(shí)體能否共用同一個(gè)模塊骨架主要是基于模塊接口的種類、位置和數(shù)量是否有變化，以及模塊的空間體積差異是否較大來判斷。

與模塊接口規(guī)劃類似，模塊實(shí)體的規(guī)劃也要形成規(guī)范文件（即模塊規(guī)格書），用來定義所規(guī)劃模塊的功能、策略、包含的接口及零部件、模塊形成的主客觀原因、相關(guān)產(chǎn)品屬性等信息。模塊規(guī)格書用于指導(dǎo)、約束模塊的設(shè)計(jì)及使用，固化模塊相關(guān)設(shè)計(jì)信息，避免模塊設(shè)計(jì)的隨意性和錯誤。

1.4 模塊化產(chǎn)品規(guī)劃

模塊化產(chǎn)品規(guī)劃是將結(jié)構(gòu)相同的機(jī)型或者可以通過模塊實(shí)體切換生成新機(jī)型的產(chǎn)品定義為相同系列，后續(xù)可通過產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)選配產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)機(jī)型。模塊化產(chǎn)品規(guī)劃通過產(chǎn)品配置表分析實(shí)現(xiàn)，將產(chǎn)品屬性分為決定機(jī)型的產(chǎn)品屬性、受機(jī)型限制的產(chǎn)品屬性及受方案或布局限制的產(chǎn)品屬性。通過對泥漿泵產(chǎn)品配置表進(jìn)行分析，規(guī)劃出雙電動機(jī)頂置鏈條傳動、雙電動機(jī)皮帶傳動、單電動機(jī)皮帶傳動及雙電動機(jī)直驅(qū)等10余種泥漿泵機(jī)型。

以雙電動機(jī)頂置鏈條傳動F-1600泥漿泵為例（如圖2（b）），此類泥漿泵將動力源頂置以節(jié)省空間，整體結(jié)構(gòu)緊湊，主要用于海洋平臺鉆機(jī)等空間限制較為嚴(yán)格的場合。該泥漿泵相關(guān)產(chǎn)品屬性有泵規(guī)格（F-1600）、動力型式（電動機(jī)驅(qū)動）、傳動型式（鏈條傳動）、動力源位置（頂置）、電動機(jī)數(shù)量（雙電動機(jī)）、有無灌注模塊（無灌注模塊）、潤滑型式（內(nèi)置潤滑）、噴淋型式（左側(cè)臥式）、空氣包型式（單空氣包左側(cè)）等。當(dāng)以上所述產(chǎn)品屬性發(fā)生變化時(shí)，可通過產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)切換該類泥漿泵設(shè)計(jì)模板中的各模塊實(shí)體，生成新的設(shè)計(jì)機(jī)型。

圖2 泥漿泵設(shè)計(jì)模板模型

1.5 構(gòu)建3D模型庫

在完成了模塊化產(chǎn)品的屬性分析、模塊劃分、接口規(guī)劃、模塊實(shí)體及骨架規(guī)劃及最后的產(chǎn)品規(guī)劃等一系列產(chǎn)品架構(gòu)規(guī)劃工作之后，需要構(gòu)建3D模型庫將相關(guān)的規(guī)劃結(jié)果以3D模型的形式展現(xiàn)出來。模塊化設(shè)計(jì)3D模型庫主要包含模塊接口模型、模塊骨架模型、模塊實(shí)體模型及產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板模型等。3D模型庫的構(gòu)建通過三維設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)，具體操作本文不再贅述。

1.6 搭建模塊化產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)

搭建基于Rulestream的泥漿泵模塊化配置管理系統(tǒng)，將產(chǎn)品配置邏輯以程序的形式寫入配置管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員通過可視化操作界面選擇需要的模塊實(shí)體（如圖3），系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)計(jì)人員的選擇并按照產(chǎn)品配置邏輯自動過濾后續(xù)可供選擇的模塊實(shí)體。產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)的作用是管理模塊實(shí)體等信息，協(xié)助設(shè)計(jì)人員開發(fā)新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化，提高設(shè)計(jì)效率。同時(shí)也可開發(fā)用于銷售部門的配置管理系統(tǒng)，用于向用戶現(xiàn)場展示、調(diào)整產(chǎn)品方案，提供產(chǎn)品配置BOM 清單及產(chǎn)品報(bào)價(jià)。

在基于Rulestream的泥漿泵模塊化配置管理系統(tǒng)下，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)快速選擇自己需要的配置并快速裝配成用戶需要的產(chǎn)品，能夠快速響應(yīng)用戶的需求，給出設(shè)計(jì)方案和模型。

圖3 基于Rulestream的泥漿泵模塊化配置管理系統(tǒng)

2 結(jié) 語

模塊化設(shè)計(jì)是一種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和思維，其針對的是系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而不是單一規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，旨在搭建一個(gè)系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和技術(shù)創(chuàng)新空間。模塊化設(shè)計(jì)平臺的搭建需要做大量的工作，運(yùn)用系統(tǒng)性的思維進(jìn)行分析、規(guī)劃、創(chuàng)建，具有一定的周期和成本。因此前期規(guī)劃工作必須做扎實(shí)，立足于充分的市場調(diào)研和既有產(chǎn)品信息的系統(tǒng)分析基礎(chǔ)之上，并結(jié)合公司產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略，做出具有一定前瞻性的產(chǎn)品規(guī)劃，這樣才能確保平臺在后期應(yīng)用階段展現(xiàn)出其應(yīng)有的價(jià)值和意義。