模塊化設計在工程機械輪胎成型機設計中的應用

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，通過和其他子系統按照一定的規則相互連接可以構成更加復雜的系統。把復雜的系統分成不同模塊，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，狹義模塊化是指產品生產和工藝設計的模塊化，而廣義模塊化是指把系統（包括產品、生產組織和過程等）進行模塊分解與模塊集中的動態整合過程。模塊是模塊化設計和制造的功能單元。

1 模塊化設計

模塊化設計是設計組織的一種理念和模式，是技術團隊在一個大型工程項目中高效協同工作的組織模式，模塊化設計并不是設計技術本身，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計、制造、調試、修改和存儲，這便于由不同的專業化企業對各模塊分別進行生產。

（2）互換性。模塊接口部位的結構、尺寸和參數標準化，便于實現模塊間的互換，從而使模塊滿足更大數量的不同產品的需要。

（3）通用性。有利于實現橫/縱系列產品間以及跨系列產品間模塊的通用。

1.1 模塊化設計的目的

模塊化設計的首要目的是提高設計效率，降低設計成本，縮短設計周期；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、維修標準化的產品，從而降低使用和維修成本。

模塊化產品設計的目的是以少變應多變，以盡可能少的投入生產盡可能多的產品，以最為經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批量化生產中采購、物流、生產和服務的實際情況，則按照模塊化模式配置出來的產品符合批量化生產要求，從而使定制化生產與批量化生產的矛盾得以解決。

1.2 模塊化設計的方法

模塊化設計的流程如下。

（1）總設計師依據項目總體的概念進行模塊拆分，給出各模塊的邏輯學定義以及明確相關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）各模塊設計師依據總設計師給出的拆分模塊邏輯學定義及相關模塊之間的接口定義確定自己的設計方案，或確定是否拆分下一級模塊。

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

模塊設計指依據該模塊的工藝要求建立物理模型，依據物理模型建立對應數學模型并進行量化分析。在量化過程中對系統進行優化處理，然后將設計工程化，設計過程中必須依據標準化、系列化、通用化的原則。整個設計結果報總設計師批準，然后進行施工設計。施工設計結束后報標準化工程師批準。

其中，總設計師的工作如下。

（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、力學接口、能量流接口和信息流接口。

（2）依據各模塊設計組成征集總圖并報上級主管批準。

（3）校核設計是否符合原始設計任務書。

（4）編寫整機文件（技術說明書、安裝調試說明書及使用、維修說明書）。

經上級主管部門批準后，全部設計文件轉到工藝部門進行下一步工藝設計，然后進行標準件和外購件采購。

模塊化設計需要注意以下兩點。

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

1.3 部套設計和模塊設計的區別

部套設計過程也需標準化、系列化和通用化，但是設計目標只為實現該機要求。而模塊設計不僅要必備部套設計的所有要求，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 模塊化設計在工程機械輪胎成型機設計中的應用

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計為例，介紹模塊化設計的應用。

盡管各輪胎企業的生產工藝存在一定差異，但都必須執行統一的國家標準，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基礎。

首先，應清楚項目總體的邏輯學概念，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計過程，另2段機組的工藝流程設計與第2段機組類似。

（1）成型鼓工藝流程1。胎側膠貼合→內襯層膠料貼合→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位置→帶束層組合件傳遞環接取帶束層組合件→帶束層組合件傳遞環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→卸胎環接取胎坯→主機箱拖動成型鼓退出→卸胎環攜胎坯旋轉90°→接取胎坯升起→卸胎環釋放卸胎。

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（簾布、內襯層后壓輥機構）、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、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及卸胎環和支架。

（3）物流分9個模塊：主供料架、內襯層膠料、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；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；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；卸胎機構（卸胎環、卸胎胎坯托盤）。

（4）輔助機構分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，各模塊內部無結構改變。

2.5 模塊設計

以第2段機組成型鼓機箱的設計為例，討論模塊設計方法。

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）、力學鏈接（鼓自身質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矩、角速度、角加速度、旋轉方向、伺服控制精度）、信息流鏈接（氣控系統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（其設計來自各專業自身而不屬于模塊化設計內容）。當整機組改變布局時僅需調整基座的組合方式（基座有不同的模塊組成），然后調整各模塊布置。成型鼓機箱已經是固化的，無需再投入設計力量。

按照專業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）。

2.5.2 工藝流程

成型鼓所需完成的工藝流程如下。

胎側膠貼合（部分客戶此流程在三維纏繞機上完成）→內襯層貼合→氣密層貼合→內襯層貼合→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。

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

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，此時，成型鼓旋轉線速度與纏繞機供給膠料的線速度同步。纏繞螺旋線導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。

在上鋼絲圈復合件工藝流程中，上鋼絲圈機構夾持鋼絲圈復合件（此時鋼絲圈復合件與成型鼓同心并有一定公差規定）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完成。但此時成型鼓外軸靜止，芯軸旋轉調節成型鼓鋼絲圈撐塊機構平寬對應鋼絲圈復合件平寬尺寸。成型鼓鋼絲圈撐塊撐起鋼絲圈復合件在成型鼓定位。成型鼓外軸靜止、芯軸旋轉等運行則由成型鼓機箱的伺服系統驅動和控制。

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。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）組成的區域繞成型鼓中心線旋轉一周的環體。成型鼓芯軸旋轉的角速度取決于充氣體積、充氣壓力和流量。也就是說，鼓芯軸旋轉的角速度是充氣體積的函數（這個數學模型的建立需用級數法求解一個超越方程組）。這也是一個伺服控制系統，其伺服控制過程由主控計算機完成，主機箱的主驅動伺服電機及其控制機構實施。

在反包工藝流程中有3個步驟，成型鼓兩側反包膠囊充氣、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膠料反包在胎側。

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（帶束層組合件的隨動尾支撐與尾座需做一次交叉）繼續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冠包側結構。纏繞機供給膠料的線速度為常數，纏繞半徑變化，所以成型鼓的旋轉角速度是變化的。這個變化依據纏繞軌跡，此軌跡母線兩側是二次圓弧曲線（數學模型的建立需用級數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，成型鼓的旋轉角速度是纏繞機中心線在成型鼓軸線上坐標的函數。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。該伺服控制過程由主控計算機和纏繞系統計算機共同完成，主控計算機控制主軸角速度，纏繞系統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（帶束層組合件的隨動尾支撐與尾座需做一次交叉），卸胎環接取胎坯，成型鼓退出，卸胎環旋轉90°，液壓平臺升起經胎坯托盤接取胎坯。

以上是對成型鼓所需完成工藝流程的分析。主機箱設計必須滿足以上工藝流程。

2.5.3 力學分析

主機箱設計的靜/動力學分析的基礎要求如下。

第3段機組一次法成型鼓自身質量為16 000 kg，轉動慣量為21 000 kg·m2。主軸及其支撐機構要支撐鼓自身質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。伺服驅動系統輸出力矩須滿足轉動角加速度要求。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構成一個封閉力系。出現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，因此主軸承機構設計為徑向和軸向組合的軸承組。

以上為主機箱設計的簡略定性分析。可以看出，設計過程按照價值工程觀點只保留必要功能，沒有過剩功能，通過大量的數學分析可得出最后設計結果。

主機箱設計劃分為機械、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計。

對整個機組的每個模塊均按照上述類似方法進行設計，首先定性分析，建立物理模型，然后抽象成數學模型，再求得定量結果完成設計（這里各專業均需進行大量的數學分析）。可采用優化設計方法對各模塊進行結構優化。

3 結語

采用模塊化設計方法，工程機械輪胎成型機設計項目一次成功率較高，使得我公司在不到3年的時間內向國內外客戶提供了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。