精益设计在提升设备设计制造中的应用

惠川川， 张虎山， 高翔， 李慧莹， 唐文

( 1. 宝鸡石油机械有限责任公司, 陕西 宝鸡721002；2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002)

0 引 言

钻井和采油提升设备的范围比较广泛，包括游车、大钩、水龙头及提升滑轮等。目前提升设备根据钻深或承载能力分类已基本上实现系列化，对这些系列化产品我们通常称之为老产品。现如今，石油钻采设备发展日新月异，自动化、智能化及轻量化等已成为钻采设备的发展趋势。对这些老产品而言，设备笨重、材料种类繁多、结构形式多样化等特点严重阻碍了提升设备的发展，因此，很有必要针对老产品进行精益化的设计。

本文介绍了精益设计的思想和精益设计的特点，并以提升设备的精益化设计的案例证明精益设计可以降低生产制造成本，实施精益设计是非常必要的，为提升设备的后续发展提供了参考及思路。

1 精益设计思想

精益生产源自于日本丰田管理方式，它的主要思想是消除浪费、持续改善[1]。实践证明，精益生产在当时是一种科学的、有效的管理理念，使得丰田公司成功登顶全球第一大汽车制造商，随后被众多企业学习借鉴并应用。但是，随着时间的推移和社会的发展，这些企业中，部分企业取得了效果，但仍有部分企业毫无进步甚至倒退。主要原因是部分企业在借鉴使用的过程中存在意识上的误区，把精益生产仅仅局限在生产环节，收效甚微。所以随后提出精益设计的概念，也就是说，要想从根本上消除浪费，就应将精益的思想扩展到设计环节[2]，并逐步贯穿至企业发展的全过程。

首先，产品的设计质量在很大程度上取决于设计人员的理解力和感受力，难免出现失误。所以，及早地将精益的思想扩展并运用到设计阶段，可以避免将有问题的设计应用到生产过程中，就可以在早期尽最大可能地杜绝后续过程出现浪费。

其次，精益设计的目的就是设计团队追求设计过程及能力的最优化。可以说实施精益设计是实现精益生产的基础，一个没有进行精益设计的企业若想在后期取得显著精益改善效果是相当困难的。即精益思想应用的时间越早，实施改善活动的柔性就越大，改善活动成功的概率越大，系统所能得到的期望改善效果越显著[3]。

2 精益设计的特点

如今，市场竞争异常激烈，客户需求趋于个性化、多样化和供货期短等特点，所以进行精益设计是必然且有效的选择。那么精益设计和传统设计有什么区别呢？

首先，在实现方式方面。传统设计依靠设计人员，借助简单少量的计算机技术，凭借其经验进行；而精益设计通过多部门联合组成项目组，主要依托精益理念和先进的计算机技术进行设计实施。

其次，在柔性方面。传统设计方案出现失误或缺陷很难发现，只有在后续生产过程中才能显现，并且对于用户中途或其他阶段提出变化后不能快速响应并及时作出调整；而精益设计针对上述情况可及时、准确地作出反应并积极调整，以满足用户的需求，即具备可视化、动态化的特点。

再次，在参与者方面。传统设计以设计人员为主要组成部分。精益设计是由多部门组成，同时用户也参与其中。

最后，在效果方面。传统设计出现的问题直接影响后期产品的生产时间、成本等，并最终影响企业的竞争力；而精益设计由于依托精益理念，就从根本上消除了浪费，为后续生产环节奠定了良好的基础，有效地提高了企业的市场竞争力。

3 精益设计在提升设备设计制造中的应用

3.1 材料优化

如表1所示，系列游车侧板材料有4种材料，通过合并统一，减少1种。

表1 系列游车侧板材料

精益设计实施效果：同类产品材料统一，便于采购和组织生产，节约成本，提高生产效率。

3.2 标准化设计和系列化设计

标准化和系列化是精益设计的重要组成部分，产品只有实现了标准化和系列化，才能及时响应客户的供货期短的要求，才能灵活应对生产计划的调整[4]。

首先，以YC585游车吊梁为例。YC585游车由于用户需求的不同，前后共设计了4种型号，导致存在4种不同安装尺寸的吊梁，如表2所示。通过对其参数及结构进行分析，最终优化为2种。

表2 YC585游车吊梁参数

精益设计实施效果：同类产品通过合并减少种类，实现标准化，便于生产组织、管理。

其次，同级别钻机的天车和游车的滑轮及轴承可以相互替换使用。这种标准化的模式有利于产品的安装与后期维修。

除了产品的标准化，目前游车、大钩和水龙头已经全部实现系列化，游车按承载能力分为YC180、…、YC1125等共计10种；大钩按按承载能力分为DG180、…、DG900等共计8种；水龙头按按承载能力分为SL135、…、SL675等共计8种。系列化的产品为用户提供了多样化的选择，同时也增强了企业的市场竞争力和市场占有率。

3.3 轻量化设计

提升设备作为钻采装备的重要组成部分，在传统设计中是越结实越好，安全系数普遍偏高[5]，而且为了通用化的要求，实际使用中存在大件小用的情况，并且由于零部件结构比较复杂，多使用铸锻件，所以造成设备整体笨重、加工制造成本高，而轻量化设计是必然的。如表3所示，以YC450游车为例，以轻量化设计为目标，经过精益设计的游车比传统游车减重达34.9%，效果非常显著。

表3 YC450游车轻量化参数对比

3.4 仿真技术应用

目前计算机仿真技术凭借其在智能化、可视化等方面的明显优势，应用范围越来越广。仿真技术直观、可视，能处理复杂的设计方案，它具有良好的柔性和较强的数理统计功能，且用时较短。具体以提升设备为例进行说明。

3.4.1 PSL2级游车提环座的仿真设计

因为传统的焊接结构很难满足超声波探伤的要求，所以该提环座采用整体铸造结构[6]，替代传统游车的耳板焊接结构。设计过程运用UG NX软件进行计算机仿真建模，并运用ANSYS软件进行强度分析，满足强度要求的同时，最大限度地减轻了质量。相对二维CAD图样而言，该结构很直观，可根据目标要求随时进行调整和优化，具有良好的柔性，整个设计建模过程快速、简便。

3.4.2 YC1125游车整体仿真设计

YC1125游车作为目前国内最大规格的游车，强度满足要求的同时，质量控制是非常重要的工作，国外同级别的游车质量为20 t[7]。通过运用UG NX三维仿真软件进行建模分析，借鉴传统游车设计经验，并在设计过程中运用精益设计的理念，最终设计质量为18 t，比国外同级别产品轻2 t。通过精益化仿真设计，该游车的特点主要体现在以下三个方面：1）吊梁结构仿真优化设计。由传统的销轴连接的结构形式（如图2）改进为现在的螺栓连接的结构形式（如图3），虽然仍是铸造结构，但是相比传统结构而言，满足强度要求的同时，周期短、缺陷少、合格率高，优化后的结构比传统结构减重达40%。2）空心滑轮轴仿真设计。该滑轮轴采用空心光轴结构，结构简单，加工方便经济，相比实心结构减重达20%。3）工字形结构提环的仿真设计。该新型结构（如图4）依据工字钢结构特性，在保证整体强度的同时，减重达19%。

图1 提环座三维结构模型

图2 常规吊梁三维结构模型

图3 吊梁三维结构模型

图4 提环三维结构模型

4 结 语

1）精益设计源于精益生产，但又助推精益生产。实践证明，精益设计可以给企业提供一个消除浪费、增强竞争力的平台，并为企业的可持续发展提供长期的动力。2）精益设计在产品设计研发阶段可以有效提高设计效率，提升产品设计质量，降低设计成本和生产制造成本。3）必须始终贯穿精益设计的理念，只有这样，企业才能在激烈的竞争环境下生存，才能满足用户多样化、个性化的需求。4）精益设计在提升设备设计制造中应用效果显著，为产品后续的优化和开发提供了参考和思路。