牛 犖

（天津賽象科技股份有限公司，天津 300384）

模塊是半自律性的子系統(tǒng)，通過和其他子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則相互連接可以構(gòu)成更加復(fù)雜的系統(tǒng)。把復(fù)雜的系統(tǒng)分成不同模塊，并使模塊之間通過標準化接口進行信息溝通的動態(tài)整合過程稱為模塊化。模塊化分為狹義和廣義兩種，狹義模塊化是指產(chǎn)品生產(chǎn)和工藝設(shè)計的模塊化，而廣義模塊化是指把系統(tǒng)（包括產(chǎn)品、生產(chǎn)組織和過程等）進行模塊分解與模塊集中的動態(tài)整合過程。模塊是模塊化設(shè)計和制造的功能單元。

1 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是設(shè)計組織的一種理念和模式，是技術(shù)團隊在一個大型工程項目中高效協(xié)同工作的組織模式，模塊化設(shè)計并不是設(shè)計技術(shù)本身，它們分屬兩個范疇[1]。模塊具有以下特征。

（1）相對獨立性。可以對模塊單獨進行設(shè)計、制造、調(diào)試、修改和存儲，這便于由不同的專業(yè)化企業(yè)對各模塊分別進行生產(chǎn)。

（2）互換性。模塊接口部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)標準化，便于實現(xiàn)模塊間的互換，從而使模塊滿足更大數(shù)量的不同產(chǎn)品的需要。

（3）通用性。有利于實現(xiàn)橫/縱系列產(chǎn)品間以及跨系列產(chǎn)品間模塊的通用。

1.1 模塊化設(shè)計的目的

模塊化設(shè)計的首要目的是提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期；其次是提高制造效率，縮短外購件采購周期；同時為客戶提供使用、維修標準化的產(chǎn)品，從而降低使用和維修成本。

模塊化產(chǎn)品設(shè)計的目的是以少變應(yīng)多變，以盡可能少的投入生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品，以最為經(jīng)濟的方法滿足各種要求。由于模塊具有不同的組合，可以配置生成多樣化的產(chǎn)品來滿足不同用戶的需求。模塊還具有標準的幾何連接接口和一致的輸入輸出接口，如果模塊的劃分和接口定義符合企業(yè)批量化生產(chǎn)中采購、物流、生產(chǎn)和服務(wù)的實際情況，則按照模塊化模式配置出來的產(chǎn)品符合批量化生產(chǎn)要求，從而使定制化生產(chǎn)與批量化生產(chǎn)的矛盾得以解決。

1.2 模塊化設(shè)計的方法

模塊化設(shè)計的流程如下。

（1）總設(shè)計師依據(jù)項目總體的概念進行模塊拆分，給出各模塊的邏輯學(xué)定義以及明確相關(guān)模塊之間的接口定義。這是由樣本空間確定子集的過程，其子集定義及其界面必須明確，子集之和必須包含整體。

（2）各模塊設(shè)計師依據(jù)總設(shè)計師給出的拆分模塊邏輯學(xué)定義及相關(guān)模塊之間的接口定義確定自己的設(shè)計方案，或確定是否拆分下一級模塊。

（3）將設(shè)計方案反饋給總設(shè)計師批準執(zhí)行。若需繼續(xù)拆分，則進行總設(shè)計師拆分的類似工作，在下一層模塊分析中重復(fù)模塊設(shè)計工作。

模塊設(shè)計指依據(jù)該模塊的工藝要求建立物理模型，依據(jù)物理模型建立對應(yīng)數(shù)學(xué)模型并進行量化分析。在量化過程中對系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，然后將設(shè)計工程化，設(shè)計過程中必須依據(jù)標準化、系列化、通用化的原則。整個設(shè)計結(jié)果報總設(shè)計師批準，然后進行施工設(shè)計。施工設(shè)計結(jié)束后報標準化工程師批準。

其中，總設(shè)計師的工作如下。

（1）審核簽字各模塊。模塊符合其原始定義，各模塊之間的接口有幾何接口、力學(xué)接口、能量流接口和信息流接口。

（2）依據(jù)各模塊設(shè)計組成征集總圖并報上級主管批準。

（3）校核設(shè)計是否符合原始設(shè)計任務(wù)書。

（4）編寫整機文件（技術(shù)說明書、安裝調(diào)試說明書及使用、維修說明書）。

經(jīng)上級主管部門批準后，全部設(shè)計文件轉(zhuǎn)到工藝部門進行下一步工藝設(shè)計，然后進行標準件和外購件采購。

模塊化設(shè)計需要注意以下兩點。

（1）整個設(shè)計過程是一個上下互動、相互反饋的過程，按照P，D，C，A（plan，do，check，action）的工作程序進行。

（2）在整個設(shè)計過程中需按照價值分析的原則剔除過剩功能，使系統(tǒng)達到最大優(yōu)化（滿足所有功能條件下成本最低）。

1.3 部套設(shè)計和模塊設(shè)計的區(qū)別

部套設(shè)計過程也需標準化、系列化和通用化，但是設(shè)計目標只為實現(xiàn)該機要求。而模塊設(shè)計不僅要必備部套設(shè)計的所有要求，還必須滿足總機的各種變形要求。各模塊之間的接口必須標準、可互換。

2 模塊化設(shè)計在工程機械輪胎成型機設(shè)計中的應(yīng)用

以我公司研制的一次法巨型工程機械子午線輪胎成型機的設(shè)計為例，介紹模塊化設(shè)計的應(yīng)用。

盡管各輪胎企業(yè)的生產(chǎn)工藝存在一定差異，但都必須執(zhí)行統(tǒng)一的國家標準，這就為輪胎成型機各子模塊通用化和標準化提供了一個堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

首先，應(yīng)清楚項目總體的邏輯學(xué)概念，了解本項目總體目標、工藝方式和工作范圍。

項目目標為將二維的輪胎零件組合成一個三維輪胎胎坯。工藝方式為一次法（工藝流程和客戶共同研討確定），應(yīng)用范圍為991，1 143，1 245，1 295，1 448，1 600 mm（39，45，49，51，57，63英寸）系列（以下簡稱本系列）巨型工程機械子午線輪胎。

2.1 機組分段

本系列輪胎成型機組分為3段。991，1 143 mm（39，45英寸）為第1段，1 245，1 295，1 448 mm（49，51，57英寸）為第2段，1 600 mm（63英寸）為第3段。3段機組的中心高度分別為2 300，2 500和2 800 mm。

2.2 整機主要工藝流程

本工作主要討論第2段機組的工藝流程設(shè)計過程，另2段機組的工藝流程設(shè)計與第2段機組類似。

（1）成型鼓工藝流程1。胎側(cè)膠貼合→內(nèi)襯層膠料貼合→氣密層膠料貼合→粘合層膠料纏繞→簾布層貼合→上鋼絲圈復(fù)合件→鋼絲圈定位。

（2）帶束鼓工藝流程。在帶束層供料架第1工位貼合3層帶束層→帶束鼓由帶束鼓機箱拖動至帶束層供料架第2工位貼合3層帶束層→帶束鼓由帶束鼓機箱拖動至帶束層組合件傳遞環(huán)位置→帶束層組合件傳遞環(huán)接取帶束層組合件→帶束層組合件傳遞環(huán)攜帶束層組合件移至成型鼓接取帶束層組合件位置（本工序與成型鼓工序同步進行）。

（3）成型鼓工藝流程2。帶束層組合件拖動至成型鼓接取帶束層組合件位置→交換成型鼓尾支撐（由主機箱隨動尾架改換為尾座支撐）充氣接取帶束層組合件→拖動至接胎冠膠纏繞位置→充氣成型→反包膠囊充氣反包→纏繞胎冠膠→主機箱拖動成型鼓至卸胎位置→卸胎環(huán)接取胎坯→主機箱拖動成型鼓退出→卸胎環(huán)攜胎坯旋轉(zhuǎn)90°→接取胎坯升起→卸胎環(huán)釋放卸胎。

2.3 整機組平面布置圖

按上述流程做出整機組的平面布置圖。由于不同客戶廠房布局相異，物流通道不同，平面布置圖也不盡相同。

2.4 整機模塊劃分

按上述流程及平面布置進行整機模塊劃分。

（1）成型分10個模塊：一次法成型鼓、成型鼓機箱、成型鼓后壓輥機構(gòu)（簾布、內(nèi)襯層后壓輥機構(gòu)）、液壓推盤組件、帶束層組合件成型鼓、帶束鼓機箱、帶束鼓后壓輥機構(gòu)、二維纏繞機（粘合層纏繞）、三維纏繞機（胎冠膠纏繞）和尾座。

（2）基座分3個模塊：成型鼓機箱及尾座基座、帶束鼓機箱基座、帶束層組合件傳遞環(huán)及卸胎環(huán)和支架。

（3）物流分9個模塊：主供料架、內(nèi)襯層膠料、氣密層膠料、簾布層上成型鼓（供料速度與成型鼓線速度同步）；各個膠料供料機構(gòu)；副供料架、雙排工6層、帶束層上帶束鼓（供料速度與帶束鼓線速度同步）；帶束層膠料供料機構(gòu)；鋼絲圈供給架、供給架供給位置與成型鼓同心（精度保證）；粘合層膠料二維纏繞機；胎冠膠三維纏繞機；帶束層組合件傳遞環(huán)；卸胎機構(gòu)（卸胎環(huán)、卸胎胎坯托盤）。

（4）輔助機構(gòu)分5個模塊：成型鼓操作平臺（簾布貼合位和氣密層貼合位）、帶束鼓操作平臺（對應(yīng)每個供料架位置）、成型鼓示位燈標、帶束鼓示位燈標和三維纏繞機示位燈標。

以上模塊均為獨立模塊，任一模塊與其連接模塊之間的鏈接（含幾何鏈接、力學(xué)鏈接、能量流鏈接、信息流鏈接）都是確定的。對于不同客戶則由客戶自身物流設(shè)計方案確定機組的布局，機組模塊僅僅改變連接方位即可，各模塊內(nèi)部無結(jié)構(gòu)改變。

2.5 模塊設(shè)計

以第2段機組成型鼓機箱的設(shè)計為例，討論模塊設(shè)計方法。

2.5.1 模塊劃分

對于左供料與右供料方式，第2段機組的一次法成型鼓均有完全相同的成型鼓機箱。其中的設(shè)計要素包括：成型鼓和機箱的幾何鏈接（接口方式及連接公差）、力學(xué)鏈接（鼓自身質(zhì)量加在主軸上荷載的支反力、對主軸傾覆力矩的支反力矩）、能量流鏈接（外軸和芯軸的輸出轉(zhuǎn)矩、角速度、角加速度、旋轉(zhuǎn)方向、伺服控制精度）、信息流鏈接（氣控系統(tǒng)各個氣路的壓力和流量、電力拖動及其控制）。

成型鼓機箱和基座的鏈接中，幾何鏈接（連接及固定方式）、力學(xué)鏈接（機箱及成型鼓對基座的壓力分布，機箱沿基座運行拖動及控制）等要素均為固化要素（其設(shè)計來自各專業(yè)自身而不屬于模塊化設(shè)計內(nèi)容）。當(dāng)整機組改變布局時僅需調(diào)整基座的組合方式（基座有不同的模塊組成），然后調(diào)整各模塊布置。成型鼓機箱已經(jīng)是固化的，無需再投入設(shè)計力量。

按照專業(yè)將成型鼓機箱劃分為機械模塊、液壓模塊、氣控模塊、電力拖動模塊以及控制模塊（包含硬件及其軟件系統(tǒng)）。

2.5.2 工藝流程

成型鼓所需完成的工藝流程如下。

胎側(cè)膠貼合（部分客戶此流程在三維纏繞機上完成）→內(nèi)襯層貼合→氣密層貼合→內(nèi)襯層貼合→粘合層纏繞→簾布層貼合（每層貼合后均需輥壓）→上鋼絲圈復(fù)合件→充氣定型→反包→接取帶束層組合件（此時有一個成型鼓隨動尾支架與尾座尾支架的交換過程）并輥壓→胎冠膠三維纏繞→卸胎。

在胎側(cè)膠、內(nèi)襯層和簾布層的粘合過程中，為使膠料按質(zhì)量要求粘合在一起，對于貼合速度有精確要求（各輪胎企業(yè)由于膠料配方的差別略有不同，但差異不大）。胎側(cè)膠等供料系統(tǒng)的供料速度按此要求設(shè)定，是一個常數(shù)。但第2段機組成型鼓直徑是不同的，所以成型鼓旋轉(zhuǎn)角速度可調(diào)，以保證成型鼓旋轉(zhuǎn)線速度與供料系統(tǒng)的供料速度同步。

在粘合層纏繞過程中，纏繞機機頭在成型鼓主軸線方向位置固定，成型鼓沿主軸線方向運行。纏繞機供給膠料的線速度為常數(shù)，此時，成型鼓旋轉(zhuǎn)線速度與纏繞機供給膠料的線速度同步。纏繞螺旋線導(dǎo)程由成型鼓沿主軸線運行速度控制，這是一個伺服控制系統(tǒng)。

在上鋼絲圈復(fù)合件工藝流程中，上鋼絲圈機構(gòu)夾持鋼絲圈復(fù)合件（此時鋼絲圈復(fù)合件與成型鼓同心并有一定公差規(guī)定）以鼓中心線對稱拉平寬（不同型號輪胎平寬不同）。此項工藝流程由基座上鋼絲圈機構(gòu)完成。但此時成型鼓外軸靜止，芯軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)成型鼓鋼絲圈撐塊機構(gòu)平寬對應(yīng)鋼絲圈復(fù)合件平寬尺寸。成型鼓鋼絲圈撐塊撐起鋼絲圈復(fù)合件在成型鼓定位。成型鼓外軸靜止、芯軸旋轉(zhuǎn)等運行則由成型鼓機箱的伺服系統(tǒng)驅(qū)動和控制。

在充氣成型工藝流程中，成型鼓充氣、兩鋼絲圈向中心滑移胎坯逐漸成型。成型鼓充氣壓力和流量是一個常數(shù)。由變分原理的分析可知成型鼓充氣胎坯母線是一個二次圓弧曲線，充氣體積是由此圓弧曲線和一條割線（成型鼓母線）組成的區(qū)域繞成型鼓中心線旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)體。成型鼓芯軸旋轉(zhuǎn)的角速度取決于充氣體積、充氣壓力和流量。也就是說，鼓芯軸旋轉(zhuǎn)的角速度是充氣體積的函數(shù)（這個數(shù)學(xué)模型的建立需用級數(shù)法求解一個超越方程組）。這也是一個伺服控制系統(tǒng)，其伺服控制過程由主控計算機完成，主機箱的主驅(qū)動伺服電機及其控制機構(gòu)實施。

在反包工藝流程中有3個步驟，成型鼓兩側(cè)反包膠囊充氣、助推膠囊充氣、主機箱和尾座箱液壓推盤同時推出使得鋼絲圈外側(cè)膠料反包在胎側(cè)。

在接取帶束層組合件并輥壓工藝流程中，成型鼓插入帶束層組合件傳遞環(huán)（帶束層組合件的隨動尾支撐與尾座需做一次交叉）繼續(xù)充氣接取帶束層組合件，然后退至纏繞位置輥壓。

在胎冠膠三維纏繞工藝流程中，胎冠膠三維纏繞可以實現(xiàn)冠包側(cè)結(jié)構(gòu)。纏繞機供給膠料的線速度為常數(shù)，纏繞半徑變化，所以成型鼓的旋轉(zhuǎn)角速度是變化的。這個變化依據(jù)纏繞軌跡，此軌跡母線兩側(cè)是二次圓弧曲線（數(shù)學(xué)模型的建立需用級數(shù)法求解一個超越方程組），中間位置（由于有帶束層組合件）為直線。此時，成型鼓的旋轉(zhuǎn)角速度是纏繞機中心線在成型鼓軸線上坐標的函數(shù)。纏繞頭的位置及角度也是纏繞機中心線在成型鼓軸線上坐標的函數(shù)。該伺服控制過程由主控計算機和纏繞系統(tǒng)計算機共同完成，主控計算機控制主軸角速度，纏繞系統(tǒng)計算機控制纏繞頭的位置及角度，以保證纏繞頭垂直于胎坯面，胎坯該點處線速度與纏繞機供料速度同步。

在卸胎工藝流程中，成型鼓插入帶束層組合件卸胎環(huán)（帶束層組合件的隨動尾支撐與尾座需做一次交叉），卸胎環(huán)接取胎坯，成型鼓退出，卸胎環(huán)旋轉(zhuǎn)90°，液壓平臺升起經(jīng)胎坯托盤接取胎坯。

以上是對成型鼓所需完成工藝流程的分析。主機箱設(shè)計必須滿足以上工藝流程。

2.5.3 力學(xué)分析

主機箱設(shè)計的靜/動力學(xué)分析的基礎(chǔ)要求如下。

第3段機組一次法成型鼓自身質(zhì)量為16 000 kg，轉(zhuǎn)動慣量為21 000 kg·m2。主軸及其支撐機構(gòu)要支撐鼓自身質(zhì)量加在主軸上荷載的支反力和對主軸的傾覆力矩的支反力矩。伺服驅(qū)動系統(tǒng)輸出力矩須滿足轉(zhuǎn)動角加速度要求。芯軸需約束成型工藝鋼絲圈作用于成型鼓芯軸的反力。反包工藝時主機箱與尾機箱的液壓推盤、反包膠囊及主機箱下方的連桿機構(gòu)構(gòu)成一個封閉力系。出現(xiàn)意外事故即某個反包膠囊破裂，封閉力系斷裂，主軸承承受單向軸向沖擊荷載。由于液壓推盤推力高達100 t，因此主軸承機構(gòu)設(shè)計為徑向和軸向組合的軸承組。

以上為主機箱設(shè)計的簡略定性分析?？梢钥闯?，設(shè)計過程按照價值工程觀點只保留必要功能，沒有過剩功能，通過大量的數(shù)學(xué)分析可得出最后設(shè)計結(jié)果。

主機箱設(shè)計劃分為機械、液壓、氣控、電力拖動、控制（含硬件與軟件）幾個子模塊，均按照標準化和通用化原則完成設(shè)計。

對整個機組的每個模塊均按照上述類似方法進行設(shè)計，首先定性分析，建立物理模型，然后抽象成數(shù)學(xué)模型，再求得定量結(jié)果完成設(shè)計（這里各專業(yè)均需進行大量的數(shù)學(xué)分析）?？刹捎脙?yōu)化設(shè)計方法對各模塊進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié)語

采用模塊化設(shè)計方法，工程機械輪胎成型機設(shè)計項目一次成功率較高，使得我公司在不到3年的時間內(nèi)向國內(nèi)外客戶提供了7臺套一次法巨型工程機械輪胎成型機組，實際使用效果良好。