纤维石膏板生产装备工业设计应用实践

丛显虎，耿 培，刘永超，李 赛，阎 宁，邓 飞

（1.河北绿洲机械制造集团有限公司，河北 石家庄 050000；2.河北科技大学机械工程学院，河北 石家庄 050018）

全球科技创新促进了机械制造技术的高速发展，用户对机械产品的使用价值要求也日益提高，不仅要具备完善的功能和可靠的质量等基本功能特征，更要求通过整合机械产品的性能和造型，优化产品外观，增加艺术美感，提升价值定位，满足社会和企业文化多样化的综合品质需求。对机械产品开发企业而言，就需要采用先进的设计和制造手段，显著提高产品的性能，增加产品附加值，增强市场竞争力[1]。

河北绿洲机械制造集团有限公司是专业从事大中型石膏建材装备研发、生产、销售于一体的高新技术企业，科研实践表明：在机械产品开发中融入工业设计的构造方法和设计理念，通过机械设计和工业设计的并行和协同，能够快速创新和优化产品结构及功能结构，大幅缩短新产品开发周期；在机械产品的外观造型开发中大量采用形象化的工业设计标识符号，能够强化企业和市场的关系，通过系列化产品推广形成企业的独特风格特征，促进企业文化形象建设，提升企业的社会知名度和品牌价值[2]。

基于以上分析，河北绿洲机械制造集团有限公司在新型纤维石膏板生产装备开发过程中，将工业设计和机械设计并行展开、协同创新，实现了产品外观、功能和结构等综合品质指标的大幅突破。

1 纤维石膏板生产装备技术特征

纤维石膏板是一种新型建材，它以石膏粉为主原料，将两层纤维网格布分别敷面于板材的上表层、下表层，由于纤维网格布敷面时浸入到石膏浆液内，石膏板凝固成型后纤维布外露不明显，业内也称无纸面石膏板。纤维石膏板的力学性能、防水防火性能等综合性能均优于纸面石膏板，近几年逐渐成为流行的高端建筑板材，市场应用显著扩大。纤维石膏板生产装备属于大型化、生产线式、成套组合式建材装备，其生产功能基于纤维石膏板的特有成型工艺特点而开发，包括全生产流程功能设备及配属运输管线的设计和制造，并突出自动化和高速化性能指标。该装备主要结构包括4 个功能设备模块：供料设备模块、成型设备模块、整理设备模块、烘干设备模块，完成从配料制浆到成品包装入库的全生产流程，涉及的功能子设备达几十台，单套装备的总成本在1200万元以上，实用性和新颖性非常突出。

2 纤维石膏板装备工业设计任务

工业设计在纤维石膏板生产装备研发中需完成以下设计任务：一在外观设计方面，采用丰富的外观造型和灵活多样的色彩组合设计，充分展现大工业化生产气息和高科技企业形象，显著提升用户和客户的视觉审美感受，大幅提高装备的价值定位。二在功能设计方面，从功能实现、仿真设计、布局规划、运动模拟、制造方式等技术特征点着手，通过工业设计对设备功能和布局进行完善和创新，显著提高装备技术经济指标，缩短研发周期，节省研发费用[3]。三在结构设计方面，利用人机工程学把人、机、环境作为设计对象，提高设备运行的经济性、操作性、安全性，提高现场人员的工作舒适性，降低劳动强度。

大型纤维石膏板生产装备创新开发注重自动化和产能指标，基于公司技术储备，确定以下主要技术指标：生产能力不小于3000 m2/h；成型段总长度约350 m；干燥机封闭段长度约150 m，该指标是传统设备的2～4 倍，但整体尺寸指标（占地面积） 仅比传统设备增加不超过30%。基于以上指标，工业设计在装备研发中需完成的布局规划类任务包括：根据客户文化和形象建设需求以及大型装备安装要求，提前对用户的生产场地进行测量和布局规划，在装备的机械设计定制开发中利用工业设计对整体安装布局进行仿真模拟，并结合设备功能结构优化的综合考虑，提前确定最佳的布局方案，协同完成装备的高品质、高速度的开发[4]。

3 工业设计应用实践

3.1 供料设备模块外观设计

供料设备模块实现石膏粉、玻璃纤维、添加剂、工艺水的稳定供给，包括石膏料仓、输送机、斗式提升机、螺旋输送机、喂料机以及计量输送系统等十几台功能子设备，整体安装连接后外观体积庞大，整体设置于室外。

设计目标：从设备的结构造型、层次搭配、整体配色和安装布局方面进行整体设计，要突出表现客户企业的大生产气息和工业美学特征，同时提高室外厂区生产场地的利用率。

设计过程和效果：从外观设计上，石膏料仓体积大，为便于装卸原料设置在露天厂区，根据储存量往往需要设置多个料仓，因此将石膏料仓的外观统一设计为圆柱形仓体结构，多个仓体集中并列设置，根据原料存放量进行高低层次搭配，整体亮光用金属银配色，如同银山堆积，在阳光照射下闪烁夺目、交相辉映，视觉冲击震撼；各提升机、输送机、输送管路等输送机械按功能类别进行造型和配色设计，输送机械采用方形矗立式造型，外壳体采用差异性黄色配色，彩色的架空管道在石膏料仓中间穿越、穿插式互联互通设置，构建相互映衬式工业化造型。供料设备模块整体视觉场景凸显立体感、层次感和宏大场面，凸显大生产氛围。从安装规划方面，通过工业设计对室外设备的安装布局进行仿真优化，整体非常紧凑但井井有条，提高地面使用率20%以上；在保证供给量的前提下降低了各输送设备的长度、高度或体积，降低了硬件设备的成本。供料设备模块引入工业设计获得突出形象展示效果，图1-a 体现了石膏料仓群体层次布局的视觉冲击震撼效果；图1-b 体现了整体供料设备模块在紧凑布局场景下的工业化生产宏大场景。

图1 供料设备模块实景图片

3.2 成型搅拌机结构优化

搅拌机是成型设备模块的关键设备，保证配料、搅拌、注浆等工序环节的快速衔接完成，否则石膏浆液在搅拌设备内滞留凝固，会导致搅拌设备发生堵塞故障，清理非常麻烦。本装备为高速设备，对石膏浆液的需求量和供给速度要求更高，搅拌机是外协设备，如果委托外协方全新改款，属于小批量定制型号，外协方对新机型的应用环境特征认识不足，方案需反复试验和修改，设计费用高，研发周期长；如果公司自主研发，制造周期长，零部件成本高。

设计目标：通过工业设计对搅拌腔的内部结构进行创新，使搅拌机的制浆速度和供浆量提升2～4 倍；对搅拌机机架结构进行位置优化，便于高架安装后的维修保养操作。

设计过程和效果：依托原始设计模型，首先扩大和圆弧度优化搅拌腔的内直径和内高，便于大量石膏粉进入腔内后快速搅拌均匀，无存浆死角，避免局部凝固堵塞；调整搅拌机进粉口、出浆口的位置和数量，使重力落浆速度提高2～4 倍。其次对搅拌机外部支撑机构优化，将驱动机构及支撑机构设置在搅拌腔的下方，将原有的四周机架支撑的封闭式结构改变为底面进行支撑的开放式结构，扩大检修空间。以上结构改造基于搅拌机原始设计，优化设计完成后进行整机三维造型仿真和工作状态模拟，逐模块虚拟实施，通过仿真试验后进行样机制造，并申请了改款机型的国家专利，将设计数据发送外协方批量定制。原始搅拌机见第70 页图2-a，改款搅拌机三维造型见第70 页图2-b，实现了结构优化，增强了柔性安装和维护的空间，能够适配连接不同型号成型机，并且大部分零部件和原始机型通用，相比全新研发，经费投入减少70%，工期缩短50%，并且拥有了自主知识产权。

图2 搅拌机结构优化造型和实机图片

3.3 运输线的安装布局设计

成型的板材需要由运输线输送到各功能设备处完成相应工序操作，运输线的运输方式包括直线运输、转弯运输、翻板运输、抬升运输、下降运输、叠摞运输等。运输线的工作原理是成熟技术，但是安装布局结构决定着厂房空间利用率和大型设备的整体安装柔性，这个任务通过工业设计的二维、三维仿真功能完成。

设计目标：为各功能设备的整体安装提供布局仿真模型，对运输线的连接构造、走向规划、驱动结构进行规划设计，并根据用户厂房特征为功能设备和运输线布局定制提供准确数据，降低厂房内设备的整体占地比。

设计过程和效果：厂房内运输线的布局设计能够优化连接各功能设备，实现大型干燥机、翻板机、包装机等功能设备和运输线的并行紧凑设置，节省占地面积，提高运输效率。例如直线运输辊道和加长干燥机平行紧凑设计，设计抬升式转向机构实现轨道线90°和180°弯道运输，设计简易天桥实现现场人员的快速横穿。图3-a 为运输线和干燥机封闭干燥段并行安装连接的实景图片，板材在辊道上和干燥机内的运动方向相反；图3-b 为运输辊道线和干燥机敞口段并行实景图片，纤维板往复运输到不同功能设备处实现相应操作，厂房内平面区域面积利用率达到80%。

4 装备验收实景效果展示

在纤维石膏板建材生产装备的开发中实施工业设计要素，通过外观构型、色彩搭配、布局仿真，结构优化，达到了预期效果，顺利通过了用户验收。图4-a 供料设备模块的外观景象展现了浓郁的大工业生产气息；图4-b 对成型设备模块结构新颖、突出动感、操作便捷，凸显了高科技气质；图4-c 和4-d 的整理设备模块安装布局紧凑，大幅节约了占地空间，并且通过色彩搭配和装饰点缀，体现了人、机、环境的协调之美。

图3 运输辊道线和干燥机的安装布局图片

图4 本装备各设备模块验收图片

5 结束语

纤维石膏板生产装备属于结构复杂、功能子设备众多的大型机械成套装备，工业设计实现了将用户、机器、空间环境、科学技术和艺术美学的有机结合，为生产、过程、服务等生命周期建立了多方面的品质特征，该装备的高科技气息更加浓烈，功能结构更优化完善，操作更便捷人性化，不仅满足了用户高产能、自动化的生产需求，也大幅提升了用户企业形象。河北绿洲机械制造集团有限公司作为设备开发企业，将工业设计和机械设计并行协同，缩短了纤维石膏板生产设备的研发周期，降低了研发费用，实现了性能指标，提高了价值定位，使机械装备更具有科技生命力和形象表现力，公司品牌的社会认知度获得大幅提升。