发电机组静音箱的系统设计

林雪 郭冬雪 尹召阳

关键词：发电机组静音箱;系统设计;利益相关者

1 发电机组静音箱

静音式发电机组是以柴油机为动力带动发电机发电的动力机械，由静音箱、柴油机、发电机、控制箱、燃油箱和蓄电池等部件组成[1]。相对于开放式发电机组，静音式发电机组增加了静音箱，将发电机组封闭起来，为机组提供了良好的保护。其还在内壁上贴隔音棉，满足隔音降噪的需求，同时留有通风口进气和散热。静音箱可在国内外各地区的室内和户外使用，使用环境多样，包括沙漠、高原地区、矿山现场等恶劣露天环境。实际作业条件要求静音箱的环境适应性良好，环境特点应包含防雨、防尘、耐腐蚀、耐暴晒等。

2 系统设计

系统设计是指将人、产品和作业环境作为整体来全面研究，使构成要素协调统一。系统思维运用在发电机组静音箱设计时可分为静音箱组成系统和用户系统两个方向，避免过度重视某一维度而带来的设计盲区。第一，在发动机全生命周期中，应考虑设计、采购、生产、包装、运输、使用和维保等流程，重点研究用户系统中与其关系密切的利益相关者;第二，发动机组静音箱由各个子系统组成，设计中要充分考虑结构和造型等相互关系，确保不干涉，能进行协同设计。

3 利益相关者的交互行为与作业场景分析

3.1 利益相关者的交互行为分析

在静音箱式发电机组制造、物流、安装和检修产品的全流程中，利益相关者可以划分为生产厂制造人员、物流部门的运输人员、负责调试的安装人员、使用设备的操作管理人员和服务站点的检修人员。生产制造人员按照设计图纸要求，完成冲压散热孔、折弯塑形、焊接成型及喷漆等工序，后期安装合页、紧固螺钉及隔音棉。物流运输包括厂内车间转运和厂外运输，存储叠放层数有严格要求，叉车转运交付产品。产品离厂之后主要集中在具体配套发电的场景中，操作管理人员需要详细阅读使用保养说明书和维修保养说明书，严格进行定期检查，观察发电机组的运行状态。服务站的维修人员接到故障信息，现场查看表现判断故障类型，制定方案并实施维修。

生命全周期中与静音箱交互程度最高、关系最密切的是客户方的操作管理人员和服务站内的检修人员。操作管理人員和检修人员这两类是静音箱人机系统的认识主体和服务对象。

遵循系统设计流程，重点研究用户交互行为和动态作业路径能够帮助其搭建使用场景。以WP2.3 静音箱式发电机组为例，了解其核心发动机的操作流程和维护场景，进而对静音箱使用需求进行深入的研究和推理。发动机组需要随时能正常使用，维护方便性及维修的便捷性是衡量系统人机性的重要指标。用户在维护时与静音箱产生的交互行为主要包括：观察参数、打开检修门更换三滤（机油滤清器、燃油滤清器和空气滤清器）、检查油量及加油、加冷却液、拆卸棚顶大修等[2]。具体操作步骤如下：（1）透过静音箱观察窗查看显示面板参数，监测发电机组的运行情况;（2） 打开静音箱检修门，取下原有的三滤旧件，安装新维护件;（3）维护人员蹲下检查底座附近的油量表，打开加机油口盖加油;（4）维护人员通过棚顶的加水口将手伸入静音箱内，旋开加水口盖，往水箱加水;（5） 拆卸静音箱棚顶螺栓，取出发电机组、散热器等进行大修。

3.2 作业场景分析

在人与静音箱产生交互的过程中，作业姿势能够完整反馈操作行为。由设计流程顺序可知，前期输入用户人机模型及数据，参考操作人员的基本尺寸设定高度，能确保人相对于发电机组静音箱物理位置的舒适性。但在实际情况下，静音箱的体量大小更多受制于发动机的外围尺寸，因发电机组功率大小不同而不同。依据发电机组的行业特点和作业场景，分析系统构成要素，可识别出有可能影响人机系统的特征。如WP2.3 发电机组，由于静音箱控制器面板垂直于地面且机身低矮，用户日常以蹲姿、弯腰和站姿为主。经过衡量操作控制时使用者的姿势，以及操作所用时间和姿势调整的频率，可以还原真实作业场景下静音箱与人体蹲姿、站姿的比例关系和对应效果，如图1 所示。

人与静音箱进行物理接触的范围较为广泛。由图2 和图3 对比可知，相比于开放式发电机组，静音式发电机组的箱体会对负责作业人员产生限制。发动机原有维护保养件布置在发动机侧面朝外的自由端，拆装更换遮挡少。发电机组底盘与静音箱底座联接成一体后，维护件的自由端减少，维护环境受限，维护和检修阶段会存在行为障碍，用户接触维护件及易损件的可达性降低，会相应的增加对操作空间的需求。

以小型发电机组为例，目前存在检修作业难度大的痛点，检修人员无法完全进入静音箱，日常定期维护都在检修门外两侧执行。经过蹲姿的人体工程学风险评估，用户长时间保持蹲姿状态，肌肉内的血管经过长时间挤压，血流减缓，导致身体超负荷作业，容易疲劳。因此，箱体需要高效地完成维护保养和维修服务，确保维护时有足够的拆卸装配空间，尽量避免在拆装路径中产生动态干涉及最终装配位置时的静态干涉，方便保养发电机组。输入目标受众的用户需求和存在痛点，输出贴合用户预期的设计方案。

首先，前后设有两扇大尺寸的检修门，满足拆装空间的箱体框架边界，尽量减少零件更换或修理所需的拆解时间和成本。其次，根据维护性查核可知，操作管理人员维修保养要求预留维护的空间，不与整机产生干涉。最后，用户通过视觉感知维护区域和反馈状态，人蹲下时视平面较低，周围障碍物可能会影响视野，注意静音箱顶部框架对视线的遮挡情况，避免误操作。

4 发电机组静音箱的系统设计思路

结合上述交互行为和作业场景对应的设计要点，系统设计思路集中在发电机组静音箱的识别特征上，需要研究产品系统的构成要素，包括结构系统、合页门锁吊环系统、散热孔系统和标识涂饰系统等各个子系统。在静音箱的设计过程中，需不断整合构成语言，结构化梳理设计需求与限制，发挥系统设计的能动性。

4.1 结构系统设计

箱体主要结构包括横梁、立柱、棚顶、检修门和底座，如图4 所示，细分为底部框架、左后立柱、左上梁、左前立柱、上横梁、右后立柱、右前立柱、棚顶、门体。检修门主要用于机组故障检修，箱体前侧开有观察窗，便于维护人员数据检测，棚顶可拆卸，方便机组、散热器从顶部取出维修。发动机和发电机安装在底盘上，底座支撑块留有叉车孔。折板式静音箱采用成熟的钣金成型工艺，包括钣金件下料、折弯、装配等环节[3]。发电机组静音箱由钣金加工的钢板拼接而成，使用螺栓固定。在三维布局过程中，首先要明确框架结构的位置，然后静音箱依据柴油发电机组的整体组成和局部细节进行外观设计，其造型受加工工艺的影响较大。

目前静音箱以直线型构成的方盒子为主，边角处理略有不同。静音箱设计需要兼顾降噪隔音功能和外形效果，同时将静音箱材料选用、设计细节及涂装差异带来的成本提升纳入影响决策的重大因素中。在功能结构完善的前提下，小型静音箱整体紧凑设计，有利于减少板材用料，降低生产成本，而这在一定程度上也牺牲了操作保养空间充足带来的舒适性。

4.2 合页门锁吊环系统设计

合页连接检修门与箱体框架，检修门体上设置门锁。合页和门锁作为静音箱的外观构成元素，多外置安装。实际合页和门锁的选择大多与采购的供应商配件和防锈成本相关。合页一方面可在喷漆后装配，保留配件材质本色;另一方面经过涂饰处理，可与周边箱体喷漆保持一致。螺栓外露与内置在安装拆卸和统一性上各有优点，考虑到实际拆卸多有针对性地选择螺栓外置连接方式，户外环境要求工艺防锈。

吊装环或吊装板实现静音箱装配运输过程中的起吊功能。吊装结构位于静音箱的最高位置，主要用于厂内静音箱安装，发电机组的转运通常通过叉车插装支撑块及环绕四角支撑块吊装实现。静音柴油发电机组吊环形式分为凸起和凹陷两种，凸起形式是后期安装到发电机组顶部的吊耳和吊板，凹陷形式则是板件结构设计时就已经预留，从棚顶到起吊位置、空间、成本和外观各有优缺点。

4.3 散热孔系统设计

机组在运行过程中需要足够的空气流动，散发掉发动机工作时产生的大量热量。散热孔以热源位置所在区域作为首要考虑因素，在满足进气量条件下布置在静音箱棚顶和侧板。散热孔受到多样发电应用环境的影响，多数为户外使用，含多雨地区、沙漠地区等，需要权衡通风散热与防水防尘两者诉求所占的比重。在正常运作中，箱体侧面的上方采用栅格式通风口，保证通气又能减少进水。棚顶通风孔和侧板散热孔，通过改变冲压孔的样式及内置防雨风斗，能够有效阻挡雨水从散热孔进入静音箱内，保证通气又能避免进水、进尘。

如图5 所示，静音箱常用散热孔形状多样，主要有圆角方孔和条形孔等。孔在钣金平面中可被视为单体，单体对直或交叉排列，一定数量的散热孔能够有序集组合形成整体。有针对性地选择散热孔形式和孔间排布密度，可以影响开口面积和通风量[4]。从视觉传达的角度来看，通风孔设计遵循形式美法则中的节奏与韵律、变化与统一原则[5]。节奏和韵律是指孔均匀在重复中产生的规律。变化表现为孔型在面板中的排列差异，统一则综合考虑散热孔的排布情况，实现外观视觉平衡，提高心理愉悦感和舒适度。

4.4 標识涂饰系统设计

静音箱是发电机组的外部包裹，作为外观覆盖件面积大且规整，目前设计日趋同质化。发电机组箱体涂饰功能是防锈与美观，减少长期库存或潮湿作业环境下的锈蚀和变色，严格把控静音箱预喷涂钣金件表面处理和油漆施涂工艺，同时需要检查粘度、干膜厚度、附着力等油漆参数是否符合要求等。除了运用合页门锁吊环、散热孔等特征增添细节外，标识涂饰也在视觉感知上进行了创新。标识涂饰作为产品外观的最具视觉传达力的存在，通过配色对比、装饰LOGO 或标识、增加喷涂腰线来丰富视觉效果，凸显差异。

发电机组设备颜色体系并不复杂，根据涂装工艺特点和顺序，箱体外层喷漆颜色一般按照钣金零件分块。涂装色彩的形象趋势是主色单彩色+ 辅色黑色，容易识别。还可以选择面积大的单彩色做主调，用LOGO、产品型号及机组功率等信息点缀的方式去加强美感，丰富表现力。同时，这种配色形式采用的设计语言区别于其他企业，易与产品品牌形象建立联系，进而增强品牌的识别性[6]。

在钣金零件上喷涂两种或两种以上的色块，如沙特款侧面运用不同色彩对比形成AI 标识，一方面来源于公司形象，提取重点视觉化样式，对产品标识进行简化表达;另一方面表明智能制造的全新理念，该喷涂覆盖面积较大，包括静音箱侧角等多块钣金件，远看效果极佳，有利于提高静音箱发电机组的辨识度。然而，此种方案需要钣金件在组装完后人工涂漆，采用胶带辅助定位，拼合处有合页、散热孔等，造型特征凹凸不平，喷涂难度加大，容易发现前期分块喷漆工序留下的颜色，仔细观察缝隙连接处会有局部喷漆缺陷。

对涂饰系统而言，不仅是单纯平面设计拓展延伸到设计领域，更重要的是合理处理形态和色彩双重要素在同一区域的搭配。增加边缘线能进一步突出产品流畅感。在发电机组型谱上，运用统一的配色形式及企业识别特征，将有助于推动静音式发电机组设计的家族化。

5 结论

文章基于发电机组静音箱和系统设计理论，从操作管理者和维修作业人员等利益相关者研究入手，关注在操作和检修中的交互行为和作业场景，有利于将设计需求与限制转化为设计参考。静音箱系统设计思路能够将产品分解为模块化构成单元，逐一说明结构、合页门锁吊环、散热孔和标识涂饰等子系统，从而实现功能可用性、外观美观性、操作易用性等设计目标，以期为发电机组行业中的静音箱设计实践提供指导。