精益設計在提升設備設計制造中的應用

惠川川， 張虎山， 高翔， 李慧瑩， 唐文

( 1. 寶雞石油機械有限責任公司, 陜西 寶雞721002；2. 國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002)

0 引 言

鉆井和采油提升設備的范圍比較廣泛，包括游車、大鉤、水龍頭及提升滑輪等。目前提升設備根據鉆深或承載能力分類已基本上實現系列化，對這些系列化產品我們通常稱之為老產品。現如今，石油鉆采設備發展日新月異，自動化、智能化及輕量化等已成為鉆采設備的發展趨勢。對這些老產品而言，設備笨重、材料種類繁多、結構形式多樣化等特點嚴重阻礙了提升設備的發展，因此，很有必要針對老產品進行精益化的設計。

本文介紹了精益設計的思想和精益設計的特點，并以提升設備的精益化設計的案例證明精益設計可以降低生產制造成本，實施精益設計是非常必要的，為提升設備的后續發展提供了參考及思路。

1 精益設計思想

精益生產源自于日本豐田管理方式，它的主要思想是消除浪費、持續改善[1]。實踐證明，精益生產在當時是一種科學的、有效的管理理念，使得豐田公司成功登頂全球第一大汽車制造商，隨后被眾多企業學習借鑒并應用。但是，隨著時間的推移和社會的發展，這些企業中，部分企業取得了效果，但仍有部分企業毫無進步甚至倒退。主要原因是部分企業在借鑒使用的過程中存在意識上的誤區，把精益生產僅僅局限在生產環節，收效甚微。所以隨后提出精益設計的概念，也就是說，要想從根本上消除浪費，就應將精益的思想擴展到設計環節[2]，并逐步貫穿至企業發展的全過程。

首先，產品的設計質量在很大程度上取決于設計人員的理解力和感受力，難免出現失誤。所以，及早地將精益的思想擴展并運用到設計階段，可以避免將有問題的設計應用到生產過程中，就可以在早期盡最大可能地杜絕后續過程出現浪費。

其次，精益設計的目的就是設計團隊追求設計過程及能力的最優化。可以說實施精益設計是實現精益生產的基礎，一個沒有進行精益設計的企業若想在后期取得顯著精益改善效果是相當困難的。即精益思想應用的時間越早，實施改善活動的柔性就越大，改善活動成功的概率越大，系統所能得到的期望改善效果越顯著[3]。

2 精益設計的特點

如今，市場競爭異常激烈，客戶需求趨于個性化、多樣化和供貨期短等特點，所以進行精益設計是必然且有效的選擇。那么精益設計和傳統設計有什么區別呢？

首先，在實現方式方面。傳統設計依靠設計人員，借助簡單少量的計算機技術，憑借其經驗進行；而精益設計通過多部門聯合組成項目組，主要依托精益理念和先進的計算機技術進行設計實施。

其次，在柔性方面。傳統設計方案出現失誤或缺陷很難發現，只有在后續生產過程中才能顯現，并且對于用戶中途或其他階段提出變化后不能快速響應并及時作出調整；而精益設計針對上述情況可及時、準確地作出反應并積極調整，以滿足用戶的需求，即具備可視化、動態化的特點。

再次，在參與者方面。傳統設計以設計人員為主要組成部分。精益設計是由多部門組成，同時用戶也參與其中。

最后，在效果方面。傳統設計出現的問題直接影響后期產品的生產時間、成本等，并最終影響企業的競爭力；而精益設計由于依托精益理念，就從根本上消除了浪費，為后續生產環節奠定了良好的基礎，有效地提高了企業的市場競爭力。

3 精益設計在提升設備設計制造中的應用

3.1 材料優化

如表1所示，系列游車側板材料有4種材料，通過合并統一，減少1種。

表1 系列游車側板材料

精益設計實施效果：同類產品材料統一，便于采購和組織生產，節約成本，提高生產效率。

3.2 標準化設計和系列化設計

標準化和系列化是精益設計的重要組成部分，產品只有實現了標準化和系列化，才能及時響應客戶的供貨期短的要求，才能靈活應對生產計劃的調整[4]。

首先，以YC585游車吊梁為例。YC585游車由于用戶需求的不同，前后共設計了4種型號，導致存在4種不同安裝尺寸的吊梁，如表2所示。通過對其參數及結構進行分析，最終優化為2種。

表2 YC585游車吊梁參數

精益設計實施效果：同類產品通過合并減少種類，實現標準化，便于生產組織、管理。

其次，同級別鉆機的天車和游車的滑輪及軸承可以相互替換使用。這種標準化的模式有利于產品的安裝與后期維修。

除了產品的標準化，目前游車、大鉤和水龍頭已經全部實現系列化，游車按承載能力分為YC180、…、YC1125等共計10種；大鉤按按承載能力分為DG180、…、DG900等共計8種；水龍頭按按承載能力分為SL135、…、SL675等共計8種。系列化的產品為用戶提供了多樣化的選擇，同時也增強了企業的市場競爭力和市場占有率。

3.3 輕量化設計

提升設備作為鉆采裝備的重要組成部分，在傳統設計中是越結實越好，安全系數普遍偏高[5]，而且為了通用化的要求，實際使用中存在大件小用的情況，并且由于零部件結構比較復雜，多使用鑄鍛件，所以造成設備整體笨重、加工制造成本高，而輕量化設計是必然的。如表3所示，以YC450游車為例，以輕量化設計為目標，經過精益設計的游車比傳統游車減重達34.9%，效果非常顯著。

表3 YC450游車輕量化參數對比

3.4 仿真技術應用

目前計算機仿真技術憑借其在智能化、可視化等方面的明顯優勢，應用范圍越來越廣。仿真技術直觀、可視，能處理復雜的設計方案，它具有良好的柔性和較強的數理統計功能，且用時較短。具體以提升設備為例進行說明。

3.4.1 PSL2級游車提環座的仿真設計

因為傳統的焊接結構很難滿足超聲波探傷的要求，所以該提環座采用整體鑄造結構[6]，替代傳統游車的耳板焊接結構。設計過程運用UG NX軟件進行計算機仿真建模，并運用ANSYS軟件進行強度分析，滿足強度要求的同時，最大限度地減輕了質量。相對二維CAD圖樣而言，該結構很直觀，可根據目標要求隨時進行調整和優化，具有良好的柔性，整個設計建模過程快速、簡便。

3.4.2 YC1125游車整體仿真設計

YC1125游車作為目前國內最大規格的游車，強度滿足要求的同時，質量控制是非常重要的工作，國外同級別的游車質量為20 t[7]。通過運用UG NX三維仿真軟件進行建模分析，借鑒傳統游車設計經驗，并在設計過程中運用精益設計的理念，最終設計質量為18 t，比國外同級別產品輕2 t。通過精益化仿真設計，該游車的特點主要體現在以下三個方面：1）吊梁結構仿真優化設計。由傳統的銷軸連接的結構形式（如圖2）改進為現在的螺栓連接的結構形式（如圖3），雖然仍是鑄造結構，但是相比傳統結構而言，滿足強度要求的同時，周期短、缺陷少、合格率高，優化后的結構比傳統結構減重達40%。2）空心滑輪軸仿真設計。該滑輪軸采用空心光軸結構，結構簡單，加工方便經濟，相比實心結構減重達20%。3）工字形結構提環的仿真設計。該新型結構（如圖4）依據工字鋼結構特性，在保證整體強度的同時，減重達19%。

圖1 提環座三維結構模型

圖2 常規吊梁三維結構模型

圖3 吊梁三維結構模型

圖4 提環三維結構模型

4 結 語

1）精益設計源于精益生產，但又助推精益生產。實踐證明，精益設計可以給企業提供一個消除浪費、增強競爭力的平臺，并為企業的可持續發展提供長期的動力。2）精益設計在產品設計研發階段可以有效提高設計效率，提升產品設計質量，降低設計成本和生產制造成本。3）必須始終貫穿精益設計的理念，只有這樣，企業才能在激烈的競爭環境下生存，才能滿足用戶多樣化、個性化的需求。4）精益設計在提升設備設計制造中應用效果顯著，為產品后續的優化和開發提供了參考和思路。