基于公理设计的隧道喷淋设备侧门优化设计

秦 旭 张 科 范 伟

0 前言

在如今用户需求多样化、个性化的市场中，制造企业需要尽量满足用户不断变化的需求,将用户需求融入到产品设计中[1]。这就迫使企业针对产品结构进行优化设计或再设计来迎合用户需求，提高竞争力[2]。

在啤酒、饮料生产当中，隧道喷淋设备被经常使用，如啤酒生产设备中的巴氏杀菌机，饮料生产设备中的温瓶机、冷瓶机等。因为有清洗的需求，这些设备的侧门通常设计为可以打开的形式，便于清洗；如果要彻底清洗，侧门最好是方便拆卸的形式，设备清洁干净后，侧门又能快速安装。同时在设备运转的时候，又需要这些侧门有良好的防护和隔绝功能，减少喷洒液体的渗漏。

但现有的侧门结构只能保证在拆装次数较少的情况下满足功能需求，多次拆装后性能下降较多，为此，本文基于公理设计理论，在现有隧道喷淋设备侧门结构的前提下，提出一种优化模型来指导侧门结构设计优化，以满足侧门功能需求，提高其使用性能，提升设备在市场中的竞争力。

1 公理设计理论

公理设计理论将设计问题分为4 个域，即用户域、功能域、结构域与工艺域[3]。公理设计是一个自上而下的层级式设计过程,通过“Z”字形将各个设计域联系起来，构建设计矩阵对映射关系准确表达[4]。产品的设计过程可表述为相邻两个域中的参数相互映射的过程，如下图1所示。

图1 设计中域的相互关系

公理化设计将独立性公理和信息公理作为设计的基本原则，独立性公理为设计方案的确定提供了相应的理论依据，运用独立性公理，帮助我们找到解决问题的多种途径；信息公理主要是对独立性公理产生的方案作出选择，在众多设计方案中确定最优设计方案。两条公理的主要内容如下[5-6]：

公理1（独立性公理）：在一个能被接受的设计中，各功能需求之间是相互独立的。

公理2（信息公理）：在所有满足独立性公理的有效解中，最好的设计方案应使所包含的信息为最少。

基于公理设计，建立产品的功能要求与设计参数之间的映射关系的方程[7]，如下所示，

（1）式中FR为功能需求向量，由多个功能需求组成，DP是由多个设计参数组成的设计参数向量，A 为设计矩阵[8]，表示功能要求与各设计参数的映射关系，可以写成如下形式

产品功能要求是否独立可根据设计矩阵来判断，当A 为对角阵时，设计为非耦合设计；当A 为三角矩阵时，为弱耦合设计；当A 为一般矩阵时，设计为耦合设计。设计矩阵A 的三种类型如下图2 所示。

图2 设计矩阵三种类型

一般情况下，设计应力求做到非耦合设计，在无法达到非耦合设计的情况下才选用解耦设计[9]。当设计为耦合设计时，要得到可接受的设计方案，必须将功能要求或设计参数进行添加、删除、合并，使其变为弱耦合设计或者非耦合设计，因此，当设计不满足独立性公理时，应进行优化设计或再设计[10]。

2 侧门结构及功能需求分析

2.1 侧门结构分析

现有隧道喷淋设备的侧门结构如下图3 所示，1 为不锈钢四边折弯板，是门的基本框架，2 为橡胶密封条，3、4 分别为钢化玻璃和密封圈，5 为门把手。侧门通过底部圆管7 支撑，安装在两侧立柱8 之间，立柱与横梁6、折弯梁9 焊接固定。此侧门可以拆装，侧门打开后便于清洗设备内部，侧门的尺寸自由，可根据立柱的高度和两立柱之间的距离自由切换门的高度和宽度。在设备运转的时，密封条能为侧门提供良好的隔绝功能，减少喷洒液体的渗漏。

图3 侧门结构

在侧门上增加橡胶密封条后，虽然提高了侧门的隔绝性能，但是给侧门的拆装不方便，同时隔绝性能随橡胶密封条的寿命下降较快，特别是经常拆装，容易损坏这些橡胶密封条。随着橡胶密封条的老化和损坏，侧门的隔绝功能大幅下降。

2.2 功能需求分析

通过以上分析可知，这些隧道喷淋设备侧门迫切需要一个方便打开或拆装的侧门，在设备运行时具有很好的防护功能，同时隔绝功能良好，能减少喷洒液体的渗漏，还要求侧门的尺寸自由，可以按照设备需要设计大小不等，打开或拆装后设备有很好的清洗空间，便于设备彻底清洗。

由此可知，侧门的功能需求主要有：防护功能（FR1），良好的拆装功能（FR2），侧门尺寸自由（FR3），隔绝功能（FR4）。设计参数为折弯板（DP1），密封条（DP2），圆管（DP3），折弯梁（DP4），立柱（DP5）。经分析发现，防护功能（FR1）主要取决于折弯板（DP1），折弯板为不锈钢材质，具有一定的强度，防护性能满足要求；拆装功能（FR2）取决于密封条（DP2），圆管（DP3），折弯梁（DP4）；侧门尺寸自由（FR3）主要受立柱（DP5）的高度和分布间距影响；隔绝功能（FR4）受折弯板（DP1），密封条（DP2）共同作用。

图4 基于公理设计的优化模型

3 基于公理设计的侧门优化设计

3.1 基于公理设计的侧门优化模型

公理性设计分两步进行，首先建立功能需求与设计参数的映射关系方程，根据独立性公理求出设计矩阵，即功能需求和设计参数之间的对应关系；再从满足独立性公理的众多可行解中利用信息公理求出最优解。其优化模型如图4 所示。

3.2 侧门优化设计

根据公理设计理论中域的映射关系，通过上述侧门结构分析和功能需求分析，建立侧门功能需求与设计参数的关系方程，其设计方程可表达为

由公理化设计定理3（冗余设计）可知，当设计参数DP数大于功能需求FR数时，设计或者是冗余的或者是耦合的。通过上述侧门结构的分析，密封条不但给清洗设备时拆卸侧门造成不便，而且在多次拆装后，密封条的隔绝性能大幅降低，以至于不能满足隔绝功能需求，此设计为耦合设计，可将设计参数DP2密封条删除解耦。设计参数圆管DP3主要作用是支撑侧门，根据信息公理，如若侧门采用悬挂式，侧门底部与横梁具有相同折弯角，圆管可作为冗余零件去除，建立新的功能需求与设计参数的映射方程为

解耦后，拆装功能（FR2）受到设计参数圆管（DP3）与折弯梁（DP4）影响，拆装功能得到提升，但隔绝功能（FR1）只受到设计参数折弯板（DP1）影响，无法密封，隔绝功能不能满足，此设计方案不是最优方案。

根据公理化设计定理4（理想设计）可知，理想设计的必要条件为设计参数（DP）与功能需求（FR）数目相等。为了能够达到更加优化的设计方案或者理想设计，必须增加一个设计参数（DP6）。为此，引入设计参数不锈钢折弯板（DP6）来优化设计方案，如下图5 所示。

图5 优化后的侧门装配结构

设计参数折弯板（DP6）通过与立柱装配关系达到隔绝液体喷散功能，新的设计方程为

由式（5）可知，设计矩阵为三角阵，是弱耦合设计，此设计是被公理设计理论接受的。通过删除耦合件密封条（DP2），开展设计参数折弯板（DP1）、折弯梁（DP4）、立柱（DP5）、折弯板（DP6）并行设计，可使得防护功能（FR1），良好的拆装功能（FR2），侧门尺寸自由（FR3），隔绝功能（FR4）均能够满足。

4 结论

本文将公理化设计理论应用于隧道喷淋设备侧门优化设计中，建立基于公理化设计的侧门优化设计模型。应用公理设计框架对侧门结构进行分析，在设计过程中充分考虑各功能需求之间的相互关系，开展各设计参数的并行设计，完成侧门结构的优化。运用公理设计优化侧门结构，既能保证设计结构的合理性，提高设计质量，又能减少设计开发时间，提高设计效率。

生产实践结果表明，优化后的侧门满足功能需求。优化后的侧门结构可不必借助橡胶密封件，能达到良好的隔绝性能；通过顶部悬挂形式，取消了底部圆管支撑结构，便于快速拆卸与安装；侧门结构尺寸自由，具有较强的适配性。