基于工业设计的干扰床分选机方案比选和评价*

张银川

(中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

0 引言

我国现有煤炭洗选设备在自主创新、利用效率、产业结构、信息化程度等方面与世界先进水平存在一定差距。在制造过程中，将工业设计与传统制造业相结合，加快信息技术与制造业深度融合，实现煤炭产业转型升级[1]，已成为急需解决的问题。

近年，工业设计服务的对象呈现复杂化和大型化的趋势，大型重工业机械设备的设计为工业设计研究和实践带来了新的机遇和挑战。因此，在工业设计理念和方法指导下，对洗选设备进行探索，进而对大型重工业机械设备产品设计进行思考，对煤炭行业和制造业都极具现实意义[2]。

1 设计方案比选和评价模型

根据T-W-M相关性准则建立评价模型，突出技术因素对产品功能满足性的主要作用，从而使技术、经济、人为因素三者在评价模型中的权重分别为40%、30%、30%。技术方面，重点突出技术功能性的重要程度，赋予其技术因素中25%的权重，剩余75%由加工工艺及材料12.5%、装配结构关系12.5%、维护和改造升级10%、安全性能12.5%、运输便利性7.5%、人机工程学10%和创新10%构成。

经济方面，时间、成本与全寿命周期管理构成经济因素评价的三个要素,各占1/3的权重。

人为方面，人类工程学、社会学和心理学、美学各占人为因素1/3的权重。其中，社会学与心理学中包含政策导向10%、市场导向10%、用户情感13.3%；美学中包括产品概念特征、产品语义、审美原则、简化原则、多维与多媒，各占6.7%。根据上述权重关系，建立百分制评价模型。

2 干扰床分选机设计方案的试验参数

2.1 干扰床分选机设计方案

根据干扰床分选机初步设计和细化设计，可以得到三种设计方案，其设计参数如表1所示。

表1 干扰床分选机三种设计方案的设计参数

2.2 试验方法步骤

该研究考察不同设计方案对煤泥颗粒的分级分选性能，考察指标为取样煤泥的粒级产率和干燥基灰分。试验方法步骤如下：

(1) 原煤泥筛分试验。

(2) 根据设计参数值运行。

(3) 等运行稳定之后取样，取样内容包括：分选机溢流、底流煤样，取样间隔20 min～30 min，连续取样4 h。

(4) 对所取煤样进行筛分试验。

2.3 干扰床分选机试验参数

对原煤泥进行筛分试验，试验结果如表2所示。

表2 原煤泥筛分试验结果

对TBS分选机的溢流煤泥进行筛分试验，试验结果如表3所示。

表3 分选机溢流筛分试验结果

对TBS分选机的底流煤泥进行筛分试验，试验结果如表4所示。

表4 分选机底流筛分试验结果

根据表3和表4可知，分选机溢流产率和底流产率随粒级的减小先增大后减小。粒级大于0.250 mm各粒度区间溢流煤泥产率大于底流煤泥产率，粒级小于0.250 mm各粒度区间溢流煤泥产率小于底流煤泥产率。这表明煤泥中颗粒大密度小的煤颗粒进入分选机溢流成为精煤；颗粒小密度大的矸石颗粒进入TBS分选机底流成为中煤，三个方案均实现了煤泥的按密度分选。方案一溢流煤泥灰分10.63%(精煤)，底流煤泥灰分29.38%(中煤)，根据灰分平衡法则计算得精煤产率为68%；方案二溢流煤泥灰分10.72%(精煤)，底流煤泥灰分30.14%(中煤)，根据灰分平衡法则计算得精煤产率为70%；方案三溢流煤泥灰分10.03%(精煤)，底流煤泥灰分29.36%(中煤)，根据灰分平衡法则计算得精煤产率为66%。

3 设计方案比选和评价结果及分析

3.1 设计方案比选和评价

根据评价模型中涉及的各细分影响因素，通过多因素综合评分法进行评分(0～5分)，方案一、二、三的评分结果如下：

技术功能(4，5，4)分，加工工艺及材料(4，4，5)分，装配结构关系(4，4，5)分，维护和改造升级(2，3，4)分，安全性能(5，5，5)分，运输便利性(4，5，4)分，人机工程学(2，4，3)分，创新(2，3，3)分，时间(4，3，3)分，成本(3，4，4)分，全寿命周期管理(2，4，3)分，人类工程学(3，4，3)分，政策导向(5，4，4)分，市场导向(4，5，5)分，用户情感(4，3，3)分，产品概念特征(3，4，3)分，产品语义(3，4，3)分，审美原则(3，3，2)分，简化原则(4，5，4)分，多维与多媒(1，3，2)分；三个方案的综合得分分别为66.4分、79.4分、74.8分。

3.2 设计方案比选和评价结果分析

根据干扰床分选机的设计方案比选和评价的指标评分结果，可知：

(1) 三个方案的安全性能都满足要求。然而，在创新上都有所欠缺，方案一尤为突出，表明在初步设计阶段提出的想法不够发散或可实行性较低；在审美原则上都是不足的，方案三尤为突出，表明产品形态上的多样性与统一性、对称性与均衡性、材质-造型-色彩的调和性中的某一个或某几个方面与设计要求相差较远；在多维与多媒上也都是评分比较低的，方案一尤为突出，表明三维视觉形态提供的感官感受(包括但不限于视觉、听觉、触觉)效果并不理想。

(2) 方案一的时间、政策导向、用户情感上是评分比较高的，表明所耗用时间的经济效益较好；符合国家所倡导和鼓励的研究方向，有利于获得政策惠利；有合理可行的用户关系维护和售后(定期进行用户访问、收集用户反馈资料和设备运行信息等)计划，有利于增强用户对品牌的信赖程度和用户粘性。

(3) 方案二的技术功能、运输便利性、人机工程学、成本、全寿命周期管理、人类工程学、市场导向、产品概念特征、产品语义、简化原则上是评分比较高的，表明能够达到较好的分选效果，且便于安装、拆卸和运输；与此同时，在设计时还考虑了人的劳动生理特征和人体测量参数，对需要进行人工操作的地方进行了人机工程学设计；在三个方案中成本最低，实现了用最低的成本达到要求的技术功能这一目的，并进行了产品的全寿命周期管理，关注了产品“设计-生产-使用-报废”的整个过程中产品的价值，符合经济效益的比选原则；考虑了在实际使用过程中，设备与人体、环境的关系，在对操作人员会产生不良影响的方面都进行了优化，如噪声、粉尘、误操作等；通过与同类产品同样的功能和更低的价格比较，在市场上更受用户的青睐，符合市场导向比选原则；在产品外观造型上，通过沿用品牌特征和系列产品特征，营造品牌优势和产品系统概念，凸显专业性，其次，通过色彩、形态、肌理等方面的产品语义设计凸显产品功能性(如警示使用红色，触摸的按钮使用亲肤且耐脏材质等)和美观性(如通过色彩搭配削弱厚重感等)等产品特征，并且通过设计简化不必要的造型，保持了产品整体的简洁和完整性，故而，方案二在美学的产品概念特征、产品语义和简化原则三个方面都是完成得较好的。

(4) 方案三的加工工艺及材料、装配结构关系、维护和升级改造、成本、人类工程学、市场导向指标上是评分比较高的，表明在设计时充分考虑了加工条件和材料的性质，能够通过设计优化加工工艺，在装配方面也进行了充分的考虑，拥有较合理的装配结构，从而也为设备维护和升级改造提供了便捷，有完整的维护和升级改造计划，为用户的增值服务提供了可能；整体成本也是较低的，在市场竞争上具有优势；同时在设计过程中关注了用户的使用环境和操作方式，并进行了这方面的设计。

综合以上对三个方案的分析与评价，选取方案二作为最终细化设计的方案。

4 总结

基于工业设计的理念和原则，对方案进行比选和评价，不但实现了对设计方案的比选和评价，更对细化设计具有指导意义。在传统设计中纳入工业设计环节，从功能、结构、造型、人机、装配、成本等方面针对设计需求总结出合理的设计方法，采用技术和设计并行的设计流程，用基于功能和人机工程学的设计方法对煤炭洗选设备进行设计指导，提高设计的总体质量是尤为重要的。工业设计可以提升技术产品的竞争力，故应关注工业设计的价值与作用，将工业设计纳入技术产品研发过程中。大型机械设备的研发更应该把技术与设计创新协同推进、寻求前瞻性发展的方案，将产品向智能化、软硬件一体化、功能极致化、轻量化、易用化的方向发展。