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​基于系统工程的刚-散耦合精益研发体系构建及其工业化应用

2019-11-29 来源:《中国质量》
一、引言
统计表明,65%以上工程机械施工装备以土壤、砂石、混凝土等颗粒物质为施工作业对象,如:土方机械、矿山机械、混凝土机械等;在施工过程中,宏观机械系统(刚体系统)与颗粒物质(散体系统)通过相互影响和相互作用而共同构成了多空间尺度耦合的复杂非线性动力学系统—刚-散耦合系统。由于散体介质具有粮仓效应、挤压膨胀、巴西果效应等多种既不同于流体又不同于固体的奇异性质,导致针对该类介质的施工作业机理异常复杂。当前,对于散体介质施工装备的研发,国内企业主要以结构对标、跟踪仿制为主,缺乏施工机理指导,致使所开发产品仅仅能够满足常规工况和常见介质的施工作业要求,无法满足超宽、超厚、高速等极限工况以及硬岩、大块漂石等特殊介质的施工要求,工况适应性差,经常表现出施工效率低、能源消耗高、作业质量差、作业安全性低、结构可靠性不佳等施工性能问题。
施工效率、燃油消耗、作业质量等施工性能是工程机械施工作业过程的产物,是机械系统与散体介质耦合作用的直接结果和外在表现,欲提升散体物料施工装备的综合施工性能,必须从施工机理入手,追根溯源,在全面洞悉施工作业过程和制约产品性能提升内在根源的基础上,应用创新设计方法开展核心工作装置原始创新设计,并基于施工载荷数据流进行整机多目标协同优化,持续追求卓越,促进现有产品升级换代及全新产品定制开发,打造中国工程机械产品的国际竞争新优势。
二、精益研发体系构建
以颗粒物质施工装备为研究对象,针对其在施工作业过程中所表现
出来的作业效率低、能耗高、质量差、安全性低、可靠性不佳等作业性能方面的问题,围绕“提质增效、节能减排、安全可靠”等关键技术开展深入研究,搭建了综合试验测试系统和多学科联合仿真分析环境,突破了工程机械与颗粒物质间双向耦合作用规律研究瓶颈,实现了工程机械与待处理散体介质间双向耦合作用规律的宏微观动力学表达,建立了以质量功能展开QFD为主线、融合系统工程理论和精益理念的刚—散耦合精益研发体系(见图1)。

图1 基于系统工程理论的刚-散耦合精益研发体系架构
研发体系的构架基于霍尔模型,分为时间维、逻辑维和知识维三个维度;时间维划分了产品研发的工作阶段或进程,包括以客户需求为导向的指标体系建立、应用TRIZ和仿生学的核心工作装置创新概念设计、基于施工载荷数据流的整机多目标协同优化设计(见图2)、面向过程的精益制造和质量控制等四位一体的价值流驱动的研发流程;逻辑维建立了以工具包驱动的工作流程,为系统工程研发每阶段具体工作的开展提供了支撑;知识维涵盖了开展颗粒物质施工装备精益研发所必需的知识,包括全面质量工具、刚—散耦合施工技术、产品设计技术、系统工程理论等。精准的客户需求、精细的标杆研究、优良的创新方案、高效的协同优化、精良的参数设计、精确的过程控制等精益理念始终贯穿于整个研发体系的构架中,最终确保了企业、用户和社会三方利益的最大化。

图2  整机多目标协同优化设计思路
产品市场定位及功能设计阶段,通过态势(SWOT)分析、标准研究,确定市场定位和细分用户群体,应用VOC、QFD及标杆管理等工具,建立满足顾客需求的精益研发指标体系及目标限值。
概念设计阶段,应用刚—散耦合动力学研究施工作业机理,识别制约产品改善的技术矛盾和物理矛盾,综合TRIZ和仿生学理论进行概念设计,并对概念方案进行评估和选择。
详细设计阶段,以作业介质与工作装置相互耦合的载荷数据为基础,开展多系统协同优化设计,应用数字化设计方法和试验设计相结合,实现核心零部件开发和系统多参数优化设计。
制造与验证阶段,建立面向过程的质量保证体系和及时响应的精益制造机制,形成完整的生产工艺指导文件和质量控制文件,迅速实现产业化。
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