泥浆泵模块化设计方法研究

王东， 春晨， 王盼， 李永飞， 李洪波

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721001；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721001；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 新疆分公司，新疆 库尔勒841000）

0 引 言

在当前复杂严峻的世界经济形势下，国际原油价格持续低位徘徊，石油钻井装备市场增长缓慢，行业竞争日趋激烈。为避免行业恶性同质化低价竞争，快速响应市场不断增长的多样化需求，提升行业竞争力和产品议价能力，在石油钻井装备制造行业摒弃传统的设计思想并引入新的设计理念和方法是十分必要和迫切的。

模块化设计是一种以少量通用化部件组装成多种功能和用途的产品的现代设计方法。模块化设计需要整合用户需求、公司现有产品属性及未来发展战略等方面内容，提炼出产品设计、生产、销售等各部门相关信息，以规划模块化产品架构，不断迭代优化以形成相对稳固的模块化产品架构，完成公司系列产品的规划。

模块化作为一种设计理念尚无统一的定义，有人认为模块化是综合考虑系统对象，把系统按功能及属性分解成不同用途和性能的一系列通用模块，并使之接口标准化，选择不同的模块以迅速组成不同功能或功能相同但性能不同、规格不同产品的一种方法，在满足客户需求的同时，降低了设计、制造和管理成本，该方法在工业设计上的应用较为普遍。

1 泥浆泵模块化设计

为优化泥浆泵产品族，减少设计、制造及管理周期，降低成本，对泥浆泵进行模块化设计方法研究。在对现有泥浆泵产品族进行系统性梳理分析的基础上，综合考虑模块化设计理念和泥浆泵产品的属性特征，将泥浆泵模块化设计分为以下步骤和内容：产品属性分析，模块划分，接口规划，模块实体规划，产品规划，3D模型库构建及搭建产品配置管理器等。

1.1 产品属性分析及模块划分

产品属性是为了满足市场需求而产生的，既有产品中包含有大量的有用产品属性和无用产品属性，在进行了充分市场调研后，结合产品发展战略对产品属性进行系统性梳理分析，保留有用属性，淘汰无用属性，并新增满足未来市场需求的新属性。

进行产品属性分析的意义在于分析查找出引起产品及零件变化的主要因素，规划产品属性目标值或规格范围，分析产品零部件复杂度，最终为产品模块划分提供科学依据。

模块划分的合理性是模块化设计的关键，通常模块划分需遵循以下原则：模块的功能和结构的独立性与完整性；模块的连接和分离的便利性；合理的模块划分粒度；模块的通用性好等。通过上述设计属性矩阵对泥浆泵各属性及零部件进行分析发现，对泥浆泵零件规格变化影响较大的产品属性有动力源型式、功率、泵规格、传动型式等，依据分析结果并结合模块划分原则将泥浆泵划分为M01动力源模块、M02传动模块、M03单泵模块、M04喷淋模块、M05润滑模块、M06灌注模块、M07辅助管汇模块、M08底座模块及M09吸入空气包模块等9大模块。

1.2 模块接口规划

接口是指模块与模块之间表达关联性的几何、尺寸、参数及公母端定义等设计信息，用于模块定位及连接，具有独立性、继承性及共享性等特点。通过分析各模块之间的关联关系，规划并规范、统一接口规格，形成接口规格书，接口规格书应包含接口的编号、功能描述、接口规划的策略及方向、关键参数及相关标准、技术要求等信息。模块接口公母端的定义原则虽各不相同，但必须清晰明确，例如可以定义动力输入端为公端、接收端为母端，定义附属模块为公端、主模块为母端等。合理的接口规划可提高模块的通用性和互换性，通过接口规格书规范接口设计相关信息，可避免接口设计错误及模块设计过程中调用接口时发生错误。

通过对泥浆泵各模块的关联性进行分析，共规划出16种模块接口，编号为I01至I16，每种接口又可细分为若干规格以满足不同模块关联性 的 要求。泥浆泵各模块的关联关系如图1所示。

图1 泥浆泵各模块接口示意图

1.3 模块实体规划

模块实体规划的目的是规划出能够支撑整个产品系列的不同模块实体，通过模块实体规格表分析展开不同的市场需求，不同的产品属性目标值，规划出满足对应市场需求和产品属性的模块实体。应用模块实体规格表分别将泥浆泵M01～M09各个模块展开，分析引起模块规格变化的产品属性，列出每个产品属性的变化目标值并记录产品属性之间的匹配逻辑关系，规划模块实体并给模块实体进行统一编号。

模块实体是由模块骨架和具体零部件组成的，具有标准化和可重复利用的特性。模块骨架用来代表某一类特定模块的所有模块实体，具有管理、规范模块间接口及模块规格、形状、尺寸的功能，主要由模块接口和模块封包构成，模块封包即模块实体所占据的大致空间范围，用于提供产品布局时的空间预测。每一个模块实体对应一个模块骨架，同一个模块骨架可对应不同的模块实体，不同模块实体能否共用同一个模块骨架主要是基于模块接口的种类、位置和数量是否有变化，以及模块的空间体积差异是否较大来判断。

与模块接口规划类似，模块实体的规划也要形成规范文件（即模块规格书），用来定义所规划模块的功能、策略、包含的接口及零部件、模块形成的主客观原因、相关产品属性等信息。模块规格书用于指导、约束模块的设计及使用，固化模块相关设计信息，避免模块设计的随意性和错误。

1.4 模块化产品规划

模块化产品规划是将结构相同的机型或者可以通过模块实体切换生成新机型的产品定义为相同系列，后续可通过产品配置管理系统选配产生新的设计机型。模块化产品规划通过产品配置表分析实现，将产品属性分为决定机型的产品属性、受机型限制的产品属性及受方案或布局限制的产品属性。通过对泥浆泵产品配置表进行分析，规划出双电动机顶置链条传动、双电动机皮带传动、单电动机皮带传动及双电动机直驱等10余种泥浆泵机型。

以双电动机顶置链条传动F-1600泥浆泵为例（如图2（b）），此类泥浆泵将动力源顶置以节省空间，整体结构紧凑，主要用于海洋平台钻机等空间限制较为严格的场合。该泥浆泵相关产品属性有泵规格（F-1600）、动力型式（电动机驱动）、传动型式（链条传动）、动力源位置（顶置）、电动机数量（双电动机）、有无灌注模块（无灌注模块）、润滑型式（内置润滑）、喷淋型式（左侧卧式）、空气包型式（单空气包左侧）等。当以上所述产品属性发生变化时，可通过产品配置管理系统切换该类泥浆泵设计模板中的各模块实体，生成新的设计机型。

图2 泥浆泵设计模板模型

1.5 构建3D模型库

在完成了模块化产品的属性分析、模块划分、接口规划、模块实体及骨架规划及最后的产品规划等一系列产品架构规划工作之后，需要构建3D模型库将相关的规划结果以3D模型的形式展现出来。模块化设计3D模型库主要包含模块接口模型、模块骨架模型、模块实体模型及产品设计模板模型等。3D模型库的构建通过三维设计软件来实现，具体操作本文不再赘述。

1.6 搭建模块化产品配置管理系统

搭建基于Rulestream的泥浆泵模块化配置管理系统，将产品配置逻辑以程序的形式写入配置管理系统，设计人员通过可视化操作界面选择需要的模块实体（如图3），系统可根据设计人员的选择并按照产品配置逻辑自动过滤后续可供选择的模块实体。产品配置管理系统的作用是管理模块实体等信息，协助设计人员开发新产品，实现设计自动化，提高设计效率。同时也可开发用于销售部门的配置管理系统，用于向用户现场展示、调整产品方案，提供产品配置BOM 清单及产品报价。

在基于Rulestream的泥浆泵模块化配置管理系统下，设计人员能够实现快速选择自己需要的配置并快速装配成用户需要的产品，能够快速响应用户的需求，给出设计方案和模型。

图3 基于Rulestream的泥浆泵模块化配置管理系统

2 结 语

模块化设计是一种系统的设计理念和思维，其针对的是系列化产品的设计而不是单一规格产品的设计，旨在搭建一个系列化产品设计平台，提升产品设计效率和技术创新空间。模块化设计平台的搭建需要做大量的工作，运用系统性的思维进行分析、规划、创建，具有一定的周期和成本。因此前期规划工作必须做扎实，立足于充分的市场调研和既有产品信息的系统分析基础之上，并结合公司产品发展战略，做出具有一定前瞻性的产品规划，这样才能确保平台在后期应用阶段展现出其应有的价值和意义。