基于公理設計的隧道噴淋設備側門優化設計

秦 旭 張 科 范 偉

0 前言

在如今用戶需求多樣化、個性化的市場中，制造企業需要盡量滿足用戶不斷變化的需求,將用戶需求融入到產品設計中[1]。這就迫使企業針對產品結構進行優化設計或再設計來迎合用戶需求，提高競爭力[2]。

在啤酒、飲料生產當中，隧道噴淋設備被經常使用，如啤酒生產設備中的巴氏殺菌機，飲料生產設備中的溫瓶機、冷瓶機等。因為有清洗的需求，這些設備的側門通常設計為可以打開的形式，便于清洗；如果要徹底清洗，側門最好是方便拆卸的形式，設備清潔干凈后，側門又能快速安裝。同時在設備運轉的時候，又需要這些側門有良好的防護和隔絕功能，減少噴灑液體的滲漏。

但現有的側門結構只能保證在拆裝次數較少的情況下滿足功能需求，多次拆裝后性能下降較多，為此，本文基于公理設計理論，在現有隧道噴淋設備側門結構的前提下，提出一種優化模型來指導側門結構設計優化，以滿足側門功能需求，提高其使用性能，提升設備在市場中的競爭力。

1 公理設計理論

公理設計理論將設計問題分為4 個域，即用戶域、功能域、結構域與工藝域[3]。公理設計是一個自上而下的層級式設計過程,通過“Z”字形將各個設計域聯系起來，構建設計矩陣對映射關系準確表達[4]。產品的設計過程可表述為相鄰兩個域中的參數相互映射的過程，如下圖1所示。

圖1 設計中域的相互關系

公理化設計將獨立性公理和信息公理作為設計的基本原則，獨立性公理為設計方案的確定提供了相應的理論依據，運用獨立性公理，幫助我們找到解決問題的多種途徑；信息公理主要是對獨立性公理產生的方案作出選擇，在眾多設計方案中確定最優設計方案。兩條公理的主要內容如下[5-6]：

公理1（獨立性公理）：在一個能被接受的設計中，各功能需求之間是相互獨立的。

公理2（信息公理）：在所有滿足獨立性公理的有效解中，最好的設計方案應使所包含的信息為最少。

基于公理設計，建立產品的功能要求與設計參數之間的映射關系的方程[7]，如下所示，

（1）式中FR為功能需求向量，由多個功能需求組成，DP是由多個設計參數組成的設計參數向量，A 為設計矩陣[8]，表示功能要求與各設計參數的映射關系，可以寫成如下形式

產品功能要求是否獨立可根據設計矩陣來判斷，當A 為對角陣時，設計為非耦合設計；當A 為三角矩陣時，為弱耦合設計；當A 為一般矩陣時，設計為耦合設計。設計矩陣A 的三種類型如下圖2 所示。

圖2 設計矩陣三種類型

一般情況下，設計應力求做到非耦合設計，在無法達到非耦合設計的情況下才選用解耦設計[9]。當設計為耦合設計時，要得到可接受的設計方案，必須將功能要求或設計參數進行添加、刪除、合并，使其變為弱耦合設計或者非耦合設計，因此，當設計不滿足獨立性公理時，應進行優化設計或再設計[10]。

2 側門結構及功能需求分析

2.1 側門結構分析

現有隧道噴淋設備的側門結構如下圖3 所示，1 為不銹鋼四邊折彎板，是門的基本框架，2 為橡膠密封條，3、4 分別為鋼化玻璃和密封圈，5 為門把手。側門通過底部圓管7 支撐，安裝在兩側立柱8 之間，立柱與橫梁6、折彎梁9 焊接固定。此側門可以拆裝，側門打開后便于清洗設備內部，側門的尺寸自由，可根據立柱的高度和兩立柱之間的距離自由切換門的高度和寬度。在設備運轉的時，密封條能為側門提供良好的隔絕功能，減少噴灑液體的滲漏。

圖3 側門結構

在側門上增加橡膠密封條后，雖然提高了側門的隔絕性能，但是給側門的拆裝不方便，同時隔絕性能隨橡膠密封條的壽命下降較快，特別是經常拆裝，容易損壞這些橡膠密封條。隨著橡膠密封條的老化和損壞，側門的隔絕功能大幅下降。

2.2 功能需求分析

通過以上分析可知，這些隧道噴淋設備側門迫切需要一個方便打開或拆裝的側門，在設備運行時具有很好的防護功能，同時隔絕功能良好，能減少噴灑液體的滲漏，還要求側門的尺寸自由，可以按照設備需要設計大小不等，打開或拆裝后設備有很好的清洗空間，便于設備徹底清洗。

由此可知，側門的功能需求主要有：防護功能（FR1），良好的拆裝功能（FR2），側門尺寸自由（FR3），隔絕功能（FR4）。設計參數為折彎板（DP1），密封條（DP2），圓管（DP3），折彎梁（DP4），立柱（DP5）。經分析發現，防護功能（FR1）主要取決于折彎板（DP1），折彎板為不銹鋼材質，具有一定的強度，防護性能滿足要求；拆裝功能（FR2）取決于密封條（DP2），圓管（DP3），折彎梁（DP4）；側門尺寸自由（FR3）主要受立柱（DP5）的高度和分布間距影響；隔絕功能（FR4）受折彎板（DP1），密封條（DP2）共同作用。

圖4 基于公理設計的優化模型

3 基于公理設計的側門優化設計

3.1 基于公理設計的側門優化模型

公理性設計分兩步進行，首先建立功能需求與設計參數的映射關系方程，根據獨立性公理求出設計矩陣，即功能需求和設計參數之間的對應關系；再從滿足獨立性公理的眾多可行解中利用信息公理求出最優解。其優化模型如圖4 所示。

3.2 側門優化設計

根據公理設計理論中域的映射關系，通過上述側門結構分析和功能需求分析，建立側門功能需求與設計參數的關系方程，其設計方程可表達為

由公理化設計定理3（冗余設計）可知，當設計參數DP數大于功能需求FR數時，設計或者是冗余的或者是耦合的。通過上述側門結構的分析，密封條不但給清洗設備時拆卸側門造成不便，而且在多次拆裝后，密封條的隔絕性能大幅降低，以至于不能滿足隔絕功能需求，此設計為耦合設計，可將設計參數DP2密封條刪除解耦。設計參數圓管DP3主要作用是支撐側門，根據信息公理，如若側門采用懸掛式，側門底部與橫梁具有相同折彎角，圓管可作為冗余零件去除，建立新的功能需求與設計參數的映射方程為

解耦后，拆裝功能（FR2）受到設計參數圓管（DP3）與折彎梁（DP4）影響，拆裝功能得到提升，但隔絕功能（FR1）只受到設計參數折彎板（DP1）影響，無法密封，隔絕功能不能滿足，此設計方案不是最優方案。

根據公理化設計定理4（理想設計）可知，理想設計的必要條件為設計參數（DP）與功能需求（FR）數目相等。為了能夠達到更加優化的設計方案或者理想設計，必須增加一個設計參數（DP6）。為此，引入設計參數不銹鋼折彎板（DP6）來優化設計方案，如下圖5 所示。

圖5 優化后的側門裝配結構

設計參數折彎板（DP6）通過與立柱裝配關系達到隔絕液體噴散功能，新的設計方程為

由式（5）可知，設計矩陣為三角陣，是弱耦合設計，此設計是被公理設計理論接受的。通過刪除耦合件密封條（DP2），開展設計參數折彎板（DP1）、折彎梁（DP4）、立柱（DP5）、折彎板（DP6）并行設計，可使得防護功能（FR1），良好的拆裝功能（FR2），側門尺寸自由（FR3），隔絕功能（FR4）均能夠滿足。

4 結論

本文將公理化設計理論應用于隧道噴淋設備側門優化設計中，建立基于公理化設計的側門優化設計模型。應用公理設計框架對側門結構進行分析，在設計過程中充分考慮各功能需求之間的相互關系，開展各設計參數的并行設計，完成側門結構的優化。運用公理設計優化側門結構，既能保證設計結構的合理性，提高設計質量，又能減少設計開發時間，提高設計效率。

生產實踐結果表明，優化后的側門滿足功能需求。優化后的側門結構可不必借助橡膠密封件，能達到良好的隔絕性能；通過頂部懸掛形式，取消了底部圓管支撐結構，便于快速拆卸與安裝；側門結構尺寸自由，具有較強的適配性。