纖維石膏板生產裝備工業設計應用實踐

叢顯虎，耿 培，劉永超，李 賽，閻 寧，鄧 飛

（1.河北綠洲機械制造集團有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018）

全球科技創新促進了機械制造技術的高速發展，用戶對機械產品的使用價值要求也日益提高，不僅要具備完善的功能和可靠的質量等基本功能特征，更要求通過整合機械產品的性能和造型，優化產品外觀，增加藝術美感，提升價值定位，滿足社會和企業文化多樣化的綜合品質需求。對機械產品開發企業而言，就需要采用先進的設計和制造手段，顯著提高產品的性能，增加產品附加值，增強市場競爭力[1]。

河北綠洲機械制造集團有限公司是專業從事大中型石膏建材裝備研發、生產、銷售于一體的高新技術企業，科研實踐表明：在機械產品開發中融入工業設計的構造方法和設計理念，通過機械設計和工業設計的并行和協同，能夠快速創新和優化產品結構及功能結構，大幅縮短新產品開發周期；在機械產品的外觀造型開發中大量采用形象化的工業設計標識符號，能夠強化企業和市場的關系，通過系列化產品推廣形成企業的獨特風格特征，促進企業文化形象建設，提升企業的社會知名度和品牌價值[2]。

基于以上分析，河北綠洲機械制造集團有限公司在新型纖維石膏板生產裝備開發過程中，將工業設計和機械設計并行展開、協同創新，實現了產品外觀、功能和結構等綜合品質指標的大幅突破。

1 纖維石膏板生產裝備技術特征

纖維石膏板是一種新型建材，它以石膏粉為主原料，將兩層纖維網格布分別敷面于板材的上表層、下表層，由于纖維網格布敷面時浸入到石膏漿液內，石膏板凝固成型后纖維布外露不明顯，業內也稱無紙面石膏板。纖維石膏板的力學性能、防水防火性能等綜合性能均優于紙面石膏板，近幾年逐漸成為流行的高端建筑板材，市場應用顯著擴大。纖維石膏板生產裝備屬于大型化、生產線式、成套組合式建材裝備，其生產功能基于纖維石膏板的特有成型工藝特點而開發，包括全生產流程功能設備及配屬運輸管線的設計和制造，并突出自動化和高速化性能指標。該裝備主要結構包括4 個功能設備模塊：供料設備模塊、成型設備模塊、整理設備模塊、烘干設備模塊，完成從配料制漿到成品包裝入庫的全生產流程，涉及的功能子設備達幾十臺，單套裝備的總成本在1200萬元以上，實用性和新穎性非常突出。

2 纖維石膏板裝備工業設計任務

工業設計在纖維石膏板生產裝備研發中需完成以下設計任務：一在外觀設計方面，采用豐富的外觀造型和靈活多樣的色彩組合設計，充分展現大工業化生產氣息和高科技企業形象，顯著提升用戶和客戶的視覺審美感受，大幅提高裝備的價值定位。二在功能設計方面，從功能實現、仿真設計、布局規劃、運動模擬、制造方式等技術特征點著手，通過工業設計對設備功能和布局進行完善和創新，顯著提高裝備技術經濟指標，縮短研發周期，節省研發費用[3]。三在結構設計方面，利用人機工程學把人、機、環境作為設計對象，提高設備運行的經濟性、操作性、安全性，提高現場人員的工作舒適性，降低勞動強度。

大型纖維石膏板生產裝備創新開發注重自動化和產能指標，基于公司技術儲備，確定以下主要技術指標：生產能力不小于3000 m2/h；成型段總長度約350 m；干燥機封閉段長度約150 m，該指標是傳統設備的2～4 倍，但整體尺寸指標（占地面積） 僅比傳統設備增加不超過30%。基于以上指標，工業設計在裝備研發中需完成的布局規劃類任務包括：根據客戶文化和形象建設需求以及大型裝備安裝要求，提前對用戶的生產場地進行測量和布局規劃，在裝備的機械設計定制開發中利用工業設計對整體安裝布局進行仿真模擬，并結合設備功能結構優化的綜合考慮，提前確定最佳的布局方案，協同完成裝備的高品質、高速度的開發[4]。

3 工業設計應用實踐

3.1 供料設備模塊外觀設計

供料設備模塊實現石膏粉、玻璃纖維、添加劑、工藝水的穩定供給，包括石膏料倉、輸送機、斗式提升機、螺旋輸送機、喂料機以及計量輸送系統等十幾臺功能子設備，整體安裝連接后外觀體積龐大，整體設置于室外。

設計目標：從設備的結構造型、層次搭配、整體配色和安裝布局方面進行整體設計，要突出表現客戶企業的大生產氣息和工業美學特征，同時提高室外廠區生產場地的利用率。

設計過程和效果：從外觀設計上，石膏料倉體積大，為便于裝卸原料設置在露天廠區，根據儲存量往往需要設置多個料倉，因此將石膏料倉的外觀統一設計為圓柱形倉體結構，多個倉體集中并列設置，根據原料存放量進行高低層次搭配，整體亮光用金屬銀配色，如同銀山堆積，在陽光照射下閃爍奪目、交相輝映，視覺沖擊震撼；各提升機、輸送機、輸送管路等輸送機械按功能類別進行造型和配色設計，輸送機械采用方形矗立式造型，外殼體采用差異性黃色配色，彩色的架空管道在石膏料倉中間穿越、穿插式互聯互通設置，構建相互映襯式工業化造型。供料設備模塊整體視覺場景凸顯立體感、層次感和宏大場面，凸顯大生產氛圍。從安裝規劃方面，通過工業設計對室外設備的安裝布局進行仿真優化，整體非常緊湊但井井有條，提高地面使用率20%以上；在保證供給量的前提下降低了各輸送設備的長度、高度或體積，降低了硬件設備的成本。供料設備模塊引入工業設計獲得突出形象展示效果，圖1-a 體現了石膏料倉群體層次布局的視覺沖擊震撼效果；圖1-b 體現了整體供料設備模塊在緊湊布局場景下的工業化生產宏大場景。

圖1 供料設備模塊實景圖片

3.2 成型攪拌機結構優化

攪拌機是成型設備模塊的關鍵設備，保證配料、攪拌、注漿等工序環節的快速銜接完成，否則石膏漿液在攪拌設備內滯留凝固，會導致攪拌設備發生堵塞故障，清理非常麻煩。本裝備為高速設備，對石膏漿液的需求量和供給速度要求更高，攪拌機是外協設備，如果委托外協方全新改款，屬于小批量定制型號，外協方對新機型的應用環境特征認識不足，方案需反復試驗和修改，設計費用高，研發周期長；如果公司自主研發，制造周期長，零部件成本高。

設計目標：通過工業設計對攪拌腔的內部結構進行創新，使攪拌機的制漿速度和供漿量提升2～4 倍；對攪拌機機架結構進行位置優化，便于高架安裝后的維修保養操作。

設計過程和效果：依托原始設計模型，首先擴大和圓弧度優化攪拌腔的內直徑和內高，便于大量石膏粉進入腔內后快速攪拌均勻，無存漿死角，避免局部凝固堵塞；調整攪拌機進粉口、出漿口的位置和數量，使重力落漿速度提高2～4 倍。其次對攪拌機外部支撐機構優化，將驅動機構及支撐機構設置在攪拌腔的下方，將原有的四周機架支撐的封閉式結構改變為底面進行支撐的開放式結構，擴大檢修空間。以上結構改造基于攪拌機原始設計，優化設計完成后進行整機三維造型仿真和工作狀態模擬，逐模塊虛擬實施，通過仿真試驗后進行樣機制造，并申請了改款機型的國家專利，將設計數據發送外協方批量定制。原始攪拌機見第70 頁圖2-a，改款攪拌機三維造型見第70 頁圖2-b，實現了結構優化，增強了柔性安裝和維護的空間，能夠適配連接不同型號成型機，并且大部分零部件和原始機型通用，相比全新研發，經費投入減少70%，工期縮短50%，并且擁有了自主知識產權。

圖2 攪拌機結構優化造型和實機圖片

3.3 運輸線的安裝布局設計

成型的板材需要由運輸線輸送到各功能設備處完成相應工序操作，運輸線的運輸方式包括直線運輸、轉彎運輸、翻板運輸、抬升運輸、下降運輸、疊摞運輸等。運輸線的工作原理是成熟技術，但是安裝布局結構決定著廠房空間利用率和大型設備的整體安裝柔性，這個任務通過工業設計的二維、三維仿真功能完成。

設計目標：為各功能設備的整體安裝提供布局仿真模型，對運輸線的連接構造、走向規劃、驅動結構進行規劃設計，并根據用戶廠房特征為功能設備和運輸線布局定制提供準確數據，降低廠房內設備的整體占地比。

設計過程和效果：廠房內運輸線的布局設計能夠優化連接各功能設備，實現大型干燥機、翻板機、包裝機等功能設備和運輸線的并行緊湊設置，節省占地面積，提高運輸效率。例如直線運輸輥道和加長干燥機平行緊湊設計，設計抬升式轉向機構實現軌道線90°和180°彎道運輸，設計簡易天橋實現現場人員的快速橫穿。圖3-a 為運輸線和干燥機封閉干燥段并行安裝連接的實景圖片，板材在輥道上和干燥機內的運動方向相反；圖3-b 為運輸輥道線和干燥機敞口段并行實景圖片，纖維板往復運輸到不同功能設備處實現相應操作，廠房內平面區域面積利用率達到80%。

4 裝備驗收實景效果展示

在纖維石膏板建材生產裝備的開發中實施工業設計要素，通過外觀構型、色彩搭配、布局仿真，結構優化，達到了預期效果，順利通過了用戶驗收。圖4-a 供料設備模塊的外觀景象展現了濃郁的大工業生產氣息；圖4-b 對成型設備模塊結構新穎、突出動感、操作便捷，凸顯了高科技氣質；圖4-c 和4-d 的整理設備模塊安裝布局緊湊，大幅節約了占地空間，并且通過色彩搭配和裝飾點綴，體現了人、機、環境的協調之美。

圖3 運輸輥道線和干燥機的安裝布局圖片

圖4 本裝備各設備模塊驗收圖片

5 結束語

纖維石膏板生產裝備屬于結構復雜、功能子設備眾多的大型機械成套裝備，工業設計實現了將用戶、機器、空間環境、科學技術和藝術美學的有機結合，為生產、過程、服務等生命周期建立了多方面的品質特征，該裝備的高科技氣息更加濃烈，功能結構更優化完善，操作更便捷人性化，不僅滿足了用戶高產能、自動化的生產需求，也大幅提升了用戶企業形象。河北綠洲機械制造集團有限公司作為設備開發企業，將工業設計和機械設計并行協同，縮短了纖維石膏板生產設備的研發周期，降低了研發費用，實現了性能指標，提高了價值定位，使機械裝備更具有科技生命力和形象表現力，公司品牌的社會認知度獲得大幅提升。