乳化液过滤与泵站设备造型设计.pdf

分类号 TB472 单位代码10058 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 论文题目论文题目乳化液过滤与泵站设备造型设计 工程领域工程领域 工业设计工程 学习方式学习方式 全日制攻读□非全日制攻读 作者姓名作者姓名 陈金利 学校导师学校导师 马 彧 企业导师企业导师 牛 旭 完成日期完成日期 2020 年 12 月 10 日 万方数据 万方数据 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除 了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也 不包含为获得 天津工业大学天津工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 万方数据 万方数据 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津工业大学天津工业大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天天 津工业大学津工业大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 万方数据 万方数据 摘 要 我国煤炭资源丰富，煤炭行业在我国占据重要地位，是我国的主要能源和基 础产业。随着社会的不断进步，我国煤炭开采化技术发展日渐成熟，煤矿设备的 功能也越来越完善，但煤矿设备造型设计的创新还相对落后，未能实现其最大价 值使形式很好的追随功能。因此，为了创造更大的价值，提高产品市场竞争力， 越来越多的煤矿装备企业开始重视其产品的外观造型设计。 现在企业会考虑良好 的煤矿机械设备造型设计带来的经济效益， 通过品牌形象影响提升其公司的附加 值。虽取得了一些技术成果，在创新中运用了新材料、新结构、新工艺，但机器 特点还不够明确、功能不够完善、运行稳定性不强。煤矿机械造型设计一直处于 发展时期，设备各个功能的实现、品牌形象特点和人机等方面与国外发展水平相 比还存在一定的差距。 本文通过对国内外煤矿设备的设计现状和相关文献的调研， 运用设计心理学、 工程技术、计算机技术、产品语义学、人机工程学、人文艺术、美学等多种学科 知识相结合的方法探讨煤矿设备造型的设计原则。针对煤矿设备造型的特点，对 煤矿设备的设计需求、使用环境、操作需求、功能需求、材料及加工工艺需求等 方面分析。阐述运用煤矿设备造型设计五项设计原则、产品族 DNA 的设计要素提 取方法，在以煤矿设备造型设计原则下坚持以人为本的设计理念，将提取设计要 素运用在高压过滤站、 乳化泵供液站、 乳化液泵站造型中， 通过三维建模， keyshot 渲染等技术软件将设备进行改良设计。利用此种设计方法与生产实践相结合，有 利于成套设备系统化设计，从而形成统一设计风格特征。此设计方法不仅对煤矿 设备造型设计具有一定的参考价值， 对其他产品成套设备造型设计的研究也有一 定的借鉴意义。 关键词关键词煤矿设备；设计原则；产品族；产品造型；乳化液；过滤；泵站 万方数据 万方数据 Abstract Chinas coal resources are rich, coal industry occupies an important position in China, Chinas main energy and basic industries. With the continuous progress of society, the development of coal mining technology in China is becoming more and more mature, and the function of coal mining equipment is becoming more and more perfect, but the innovation of coal mine equipment modeling design is still relatively backward, and the failure to realize its maximum value makes the follow well. Therefore, in order to create greater value and improve the competitiveness of the product market, more and more coal mining equipment enterprises began to attach importance to the appearance and design of their products. Now enterprises will consider good coal mining machinery and equipment design brought economic benefits, through the impact of brand image to enhance their companys added value. Although some technical achievements have been made, new materials, new structures and new processes have been used in the innovation, but the characteristics of the machine are not clear enough, the function is not perfect enough, the operational stability is not strong. Coal mine mechanical modeling design has been in the development period, the realization of various functions of equipment, brand image characteristics and human- machine and other aspects of foreign development level, there is still a certain gap. Through the research on the design status of coal mine equipment at home and abroad and related literature, this paper explores the design principles of coal mine equipment modeling by combining the knowledge of design psychology, engineering technology, computer technology, product semantics, ergonomics, humanities and aesthetics. According to the characteristics of coal mine equipment modeling, the design demand, use environment, operation demand, function demand, material and processing process demand of coal mine equipment are analyzed. This paper expounds the five design principles of coal mine equipment modeling and design elements extraction , adheres to the people-oriented design concept under the principle of coal mine equipment modeling design, applies the extraction design elements in the high-pressure filtration station, emulsified pump supply station, emulsified liquid pump station modeling, through 3D modeling, keyshot rendering and other technical software to improve the design of equipment. The combination of this design and production practice is beneficial to the systematic design of complete sets of equipment, 万方数据 thus ing a unified design style characteristics. This design not only has a certain reference value to the coal mine equipment modeling design, but also has a certain reference value to the research of other product complete sets of equipment modeling design. Key words Coal mine equipment; Design principle; Product family; Product modeling; emulsion; Filtration; Pump station 万方数据 I 目录 第一章 绪论 ........................................................ 1 1.1 课题来源与意义 ............................................... 1 1.1.1 课题背景来源 ........................................... 1 1.1.2 课题的提出 ............................................. 2 1.1.3 课题研究的意义 ......................................... 3 1.2 课题主要问题及目标 ........................................... 3 1.2.1 课题需解决的主要问题 ................................... 3 1.2.2 课题需完成的目标 ....................................... 3 1.3 国内外研究现状 ............................................... 4 1.3.1 国内现状分析 ........................................... 4 1.3.2 国外现状分析 ........................................... 6 1.4 课题研究内容及方法 ........................................... 7 1.4.1 研究内容 ............................................... 7 1.4.2 研究方法 ............................................... 8 1.4.3 创新点 ................................................. 8 1.5 论文组织结构 ................................................. 9 1.6 本章小结 ..................................................... 9 第二章 煤矿设备造型设计原则分析 ................................... 11 2.1 煤矿设备造型设计原则研究背景 ................................ 11 2.1.1 使用环境 .............................................. 11 2.1.2 产品形象 .............................................. 11 2.1.3 设计需求 .............................................. 12 2.2“以人为本原则” ............................................ 14 2.2.1 生理因素方面 .......................................... 14 2.2.2 心理因素方面 .......................................... 14 2.2.3 视觉因素方面 .......................................... 15 2.2.4 安全因素方面 .......................................... 15 2.3“美观性原则” .............................................. 16 2.3.1 从材料角度考虑其美观性 ................................ 16 2.3.2 从形态角度考虑其美观性 ................................ 16 2.3.3 从色彩角度考虑其美观性 ................................ 17 2.4“功能性原则” .............................................. 17 2.4.1 从材料体现功能 ........................................ 17 2.4.2 从结构体现功能 ........................................ 18 2.4.3 从色彩体现功能 ........................................ 18 2.5“绿色环保原则” ............................................ 19 2.6“易用性原则” .............................................. 19 2.7 本章小结 .................................................... 20 第三章 基于产品族 DNA 的外观造型设计 ............................... 21 万方数据 II 3.1 产品族概述 .................................................. 21 3.1.1 生物学里 DNA 的含义 .................................... 21 3.1.2 产品族设计 DNA 的含义 .................................. 21 3.1.3 产品族 DNA 基本原理 .................................... 21 3.2 产品族 DNA 识别要素分析 ...................................... 22 3.2.1 基于企业符号的族化识别要素 ............................ 22 3.2.2 基于形态特征的族化识别要素 ............................ 23 3.2.3 基于色彩组合的族化识别要素 ............................ 24 3.2.4 基于材质特征的族化识别要素 ............................ 24 3.2.5 基于结构工艺的族化识别要素 ............................ 25 3.3 基于产品族 DNA 的煤矿设备造型要素分析 ........................ 26 3.3.1 煤矿设备品牌形象建立的产品族 DNA 要素分析 .............. 26 3.3.2 煤矿设备造型设计中产品族 DNA 构成要素 .................. 27 3.4 本章小结 .................................................... 28 第四章 设计实践 ................................................... 29 4.1 前期设计阶段 ................................................ 29 4.1.1 设计元素分析 .......................................... 29 4.1.2 设计元素的确定 ........................................ 31 4.2 乳化泵供液站 ................................................ 34 4.2.1 造型设计阶段 .......................................... 34 4.2.2 最终方案 .............................................. 35 4.3 乳化液泵站 .................................................. 37 4.3.1 造型设计阶段 .......................................... 37 4.3.2 最终方案 .............................................. 39 4.4 高压过滤站 .................................................. 41 4.4.1 造型设计阶段 .......................................... 41 4.4.2 最终方案 .............................................. 42 4.5 本章小结 .................................................... 45 第五章 结论与展望 ................................................. 47 5.1 结论 ........................................................ 47 5.2 展望 ........................................................ 48 参考文献 ........................................................... 49 攻读学位期间发表论文和科研情况 ..................................... 53 附录 ............................................................... 55 致谢 ............................................................... 63 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题来源与意义 1.1.1 课题背景来源 近年来，全球煤炭供给减少，中国煤炭能源结构占比较高。经上网查阅资料 得出，将 2018 年各国能源需求结构进行对比，我国煤炭需求所占比重远远高于 其他国家，天然气、煤炭、石油、可再生资源能源结构的消耗相对较少，这主要 和我国国情相关，煤炭资源储量丰富，煤炭开采技术提高了资源的利用率，以煤 炭能源为主是中国能源结构满足社会需求的主要来源，与此同时，煤炭产业的发 展同时又带动相关周围产业的进步。 本课题是为液压支架提供动力的部分机器造型设计， 分别指的是乳化泵供液 站、乳化液泵站和高压过滤站。在我国以煤炭能源消费结构为主的背景下，煤炭 开采化技术发展日渐成熟，据统计，我国煤炭开采以井工综合机械化开采为主， 全国 2000 多处国有大中型矿井约有 3000 多个综采工作面分布在各大煤矿。 综采 机械化程度化达到 85，液压支架是综采工作面的主要采煤和安全设备，其工作 动力源（乳化液泵站）对保障综采工作面安全高效生产具有重大意义和至关重要 的作用。 通过网上查阅资料，由图 1-1 所示。煤矿机械技术相关专利申请整体呈上升 趋势。2014-2015 年为专利申请最高峰，2015-2016 有所减少，到 2016-2017 年 又出现显著提高。由两幅图可知，液压支架部分机器需求量越来越多，技术方面 也越来越重视。 由图 1-2 所示， 掘进机采煤机、 液压支架机械设备逐年递增， 2017 年到 2018 年增长较为迅猛，2018-2019 需求量增长平缓，但整体呈上升趋势。 图 1-1 2010-2017 年煤矿机械技术相关专利申请变化图（来源 0 200 400 600 2010年2011年2012年2013年2016年2017年 （单位项） 万方数据 天津工业大学硕士学位论文 2 图 1-2 2017-2019 年煤矿机械行业主要产品产量 （来源吴雪潇. 2020 年煤矿机械行业供给与需求现状分析[EB/OL].[2020-04- 27] 虽然现阶段我国供液系统整体技术性、功能性水平在提升，但其系统装备外 观造型设计并无明显改变。 与现在国际同行业整体产品品牌形象相比仍有很大的 差距，总体属于较落后的状态，装备美观度、可靠性和人机分析等指标偏低，在 此情况下需要设计师利用所学知识进行改良设计，功能、结构与形式三者达到统 一，从而提升企业的整体品牌形象。 1.1.2 课题的提出 随着全球化经济的发展，市场对于产品的性能、质量、开发周期等方面的要 求越来越严苛，企业见的竞争愈演愈烈 [1]。产品创新成为了一个企业会不会被淘 汰的一个重要指标。产品结构新颖，产品功能优化，工作效率高，企业才能够立 于不败的地位 [2]。只有在产品上有所创新，企业才能得以更好发展。 本课题为实际项目， 其课题内容主要是针对乳化液供液系统中的煤矿机械设 备造型进行设计改良。此乳化液供液系统主要机器包含高压过滤站、回液箱、混 合箱、乳化泵、喷雾泵、进水过滤站等部分。此次课题便是针对高压过滤站和乳 化泵供液站进行改良设计。 通过有目的进行造型设计研究，了解客户需求，将煤矿设备进行改良设计。 创新和改善煤矿设备的整体造型，打造煤矿设备品牌形象，提升煤机设备的整体 水平。 0 100 200 300 400 500 600 700 采煤机（台）掘进机（台）刮板输送机（万吨） 液压支架（万吨） 2017-2019年煤矿机械行业主要产品产量（单 位台；万吨） 201720182019 万方数据 第一章 绪论 3 1.1.3 课题研究的意义 本课题的理论意义在于从研究方法上发现煤矿机械设备在设计过程中存在 的一些问题，运用理论知识解决实践中遇到的问题，针对产品族设计 DNA 提取设 计元素基因，更好处理各个装备之间的联系，用焦点法抓住设计重点，更加有效 地对煤矿机械设备进行合理化造型设计。除此之外，本文还对 5W2H 分析法、产 品族设计 DNA 提取和焦点法等方法进行了一定程度上的升级， 更加符合工业设计 的人性化需求。 本课题的实践意义在于研究出一整套关于煤矿设备外观的设计流程和研究 方法，强化技术研发实力，提高自主创新能力，为煤矿机械外观设计提供了重要 技术支撑，加快了煤矿机械设备领域现代化建设进程，在设备造型的可靠性、人 性化等方面取得重要突破，形成一套完整的煤矿机械外观设计体系。 1.2 课题主要问题及目标 1.2.1 课题需解决的主要问题 通过现场实地调研发现， 乳化液过滤与泵站设备造型设计需解决的主要问题 （1）机械设备重要零部件外漏，存在较大的安全隐患； （2）品牌标识特征不鲜明、识别性差，整机无规范统一的识别符号； （3）操作控制面板设计简陋，造型特征单一，人机交互方面不够完善，产 品外观不够协调美观； （4）设备整体结构稳定性较差，结构设计存在一定的问题； （5）整机系统没有统一的设计规范标准以及特定的标志化设计元素，一体 化结构设计效果较差； （6）创新性不够，现代化设计理念和方法未能在机械外观设计上有较明显 的体现； （7）机械设备中管路、线路、电路等的排布位置无规律性，显得杂乱且功 能性上给人带来困扰； （8）产品呈现系列化、规范化程度低，未能形成一整套完整的产品设计过 程。 1.2.2 课题需完成的目标 （1）将裸露在外部的机械设备重要零部件进行遮挡，提高机械设备的安全 万方数据 天津工业大学硕士学位论文 4 性能； （2）运用产品族 DNA 设计元素提取方案，建立煤机设备规范统一的识别符 号，提升品牌识别性； （3）对操控面板的外观结构重新设计，建立统一的设计识别符号，并通过 运用人机关系提高其外观的协调性； （4）选用强度高、耐腐蚀、耐高温的材料提高设备整体结构的稳定性，从 而提高产品整体性能； （5） 考虑系统整体性， 形成统一地设计规范标准和特定的标志化设计元素， 调高整体的协调行，实现产品产业化、信息化和一体化； （6）在结构上进行创新，将现代化的设计理念和方案更多的应用于产品外 观设计中； （7）制定机械设备中管路、线路、电路等的排布规范，提高机械设备的使 用性能。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内现状分析 我国煤矿智能化开采技术与装备尚处于初级阶段 [3]。乳化液泵站系统也不例 外，此系统装备也一直处于发展时期，各大知名企业都在积极研制泵站的保护和 运行系统，虽取得了一些技术成果，运用了一些新材料、新结构、新工艺，但其 设备外观造型设计并无特色、识别性差。乳化液泵站系统的各个功能和技术与其 装备外观造型不相匹配。 随着我国供液系统、液压元件取得很大进展，但关键部件仍需国外购买，因 环境影响煤机产品寿命较短，可靠性能较差，缺乏自主研发的核心技术，我国煤 机产业技术水平与国外发达国家存在显著差异， 除了煤矿机械设备硬核技术上要 提高外，代表企业整体形象的煤机造型设计也要创新。 目前，国内对于乳化液泵站系统的装备外观关注度较少，未能从系统、全局 的眼光去设计，未能迎合市场的需求。我国乳化液泵站系统主导品牌有浙江中煤 机械科技有限公司、无锡煤机厂、南京六合煤矿机械有限责任公司等 [4]。为了进 一步提高乳化液泵站装备的技术水平，这些企业一直大胆尝试新方法，研究新思 路，寻找新途径，从而能够更好地为综采工作面服务。以国内乳化液泵站系统为 例，分析国内企业对于供液系统方面的设计，如表 1-1 所示。 万方数据 第一章 绪论 5 表 1-1 国内乳化液泵站调研（来源作者自制） 机器整体形象图片 优点分析 公司名称 无锡威顺 外观颜色为白蓝色，较稳重； 整体造型简单但有些繁琐； 未考虑线路、电路梳理方面； 无锡威顺煤矿机 械有限公司 中煤机械 外观整体为白色缺少提示色； 部件与部件连接处不够紧密； 工业设计感偏弱强。 浙江中煤科技有 限公司 南京 BRW630 乳化液泵 外观蓝红为主颜色较深； 缺少对电路的梳理； 无控制面板设计。 无锡煤矿机械股 份有限公司 以浙江中煤机械科技有限公司为例。从浙江中煤机械设备整体来看，如图 1- 3 所示，机械设备设计风格统一，整体品牌识别性很强，整个系统比较完善，设 计元素比较新颖，产品性能方面比较成熟，产品结构、材料和工艺等方面均有创 新，有较好的人机功能性，机器外观协调统一。但此系列机器也有其缺点，如未 能很好体现机器与机器之间的连接性，未能考虑管、线、电路的问题，材料方面 的选择欠缺考虑，遮挡部件过多不利于拆卸、维修、清理等问题。 图 1-3 浙江中煤机械设备系统（来源浙江中煤机械有限公司的宣传册） 万方数据 天津工业大学硕士学位论文 6 1.3.2 国外现状分析 当今发达国家煤机制造企业正向跨国、大型和多元化方向发展，美国、英国 和德国煤机装备企业引领了全球煤机发展方向，国外先进煤机装备在大功率、高 强度、耐磨损、耐腐蚀、高可靠性等方面都具有明显优势 [5]。目前，国外乳化液 泵系统的技术一直处于主导地位，杰出代表有英国的 KAMAT 雷波公司、德国的 RMI 卡马特公司、德国的 HAUHINCD 豪辛可公司，在世界上矿用乳化液泵站系统 设计制造水平屈指可数。其处于领先地位的原因在于拥有高端泵站控制系统、电 液压力控制方式、多级的过滤体系、并具有乳化液配比、高精端传感器检测，核 心部件乳化液泵均采用多支撑五柱塞结构，流量、压力分别提升到 630L/min 和 36MPa 以上。 结合上述陈述， 了解到国外的新材料、 新工艺、 新结构安全性更高， 稳定性更强，可靠性更好。因此他们一直代表着乳化泵供液系统的水平和发展方 向。 以美国豪辛柯公司国外煤矿供液系统设备为例，如图 1-4 所示。其煤矿设备 优点分析如下 图 1-4 HAUHINCD 公司乳化液供液系统部分（来源https//www.hauhinco.de/en/） 1设计风格较统一，实用性强，注重操作者精神和功能上的需求。 2结构功能完善、材料选择合理、工艺实施性强，符合现代人对机械外观 的审美需求。 3管道及线路梳理科学、合理，整体设计有规律性、条理性。 4机器造型多以几何体为主，美观大方，具有良好的视觉效果。 5各个机构尺寸大小合适，符合人机需求。 6机械整体色彩统一， 机器外观颜色搭配合理， 颜色明亮， 适合矿下使用。 7结构设计简洁、合理，工业设计感强。 以国外乳化液泵站为例，分析国外优秀企业对于供液系统方面的设计，如表 1-2 所示。 万方数据 第一章 绪论 7 表 1-2 国外乳化液泵站调研（来源作者自制） 机器整体形象图片 优点分析 公司名称 卡玛特 K500 外观呈黄绿色较为醒目； 螺钉摆放整齐、有序； 外形简单机械感较强。 德国卡玛特高压泵有 限公司 豪辛柯 EHP-5K 外观呈黄绿色较为沉稳； 部件与部件连接处稳固； 工业设计感强。 德国豪辛柯机械制造 有限公司 雷波 S500 外观白色为主简洁大方； 功能分区清晰明了； 外形视觉感较好。 英国雷波乳化液泵公 司 rmi 外观设计以浅蓝色为主； 给人清爽的感觉； 外观整齐、美观。 高压泵制造商 RMI Pressure Systems Limited 1.4 课题研究内容及方法 1.4.1 研究内容 本课题研究内容为如何提升煤矿设备造型设计外观， 根据客户的需求从外观 结构方面入手，运用相关设计研究方法，改良原设计结构中的设计缺陷，通过完 万方数据 天津工业大学硕士学位论文 8 善产品设计元素、提高产品的工业设计性能来解决课题中出现的问题。具体研究 内容包括国内外研究现状的调查、煤机造型设计原则的分析、产品族设计 DNA 的 提取、品牌形象特征的确立、调研分析产品的设计缺陷、应用案例最终解决方案 的确立等部分。 1.4.2 研究方法 为改善煤矿设备造型设计外观的问题，本文提出一整套设计研究方法。通过 5W2H 分析研究方法初步梳理出煤矿设备在设计过程中存在的一些基本问题，运 用调查问卷了解客户需求，用焦点法捕捉客户需求的重点部分，总结煤矿设备造 型设计原则，再利用产品族设计 DNA 方法提取各个设计要素，明确设备之间各个 元素的联系，从而更加有效对煤矿设备外观进行合理的设计。此研究过程在一定 程度上丰富了 5W2H、产品族等理论研究方法。课题研究方法具体如下 5W2H 分析法 二战时期出现的一种研究方法，后来运用到各个领域，该方法 可以及时发现问题、分体问题和解决问题。优势在于可全面分析与解决问题，方 便查漏补缺，更有利于任务的决策与措施的执行。 焦点法CH赫瓦德创造的一种研究方法，属于典型强制联想法的一种。 其思想为以一个预定事物为中心，罗列出与之相关的各个元素，集思广益，通过 强制联想的方法解决问题。 产品族设计 DNA 方法以产品为基础研究对象，是具有共同或相似特征的企 业产品的统称。通过共性特征设计元素与设计实践相结合的方法，完善设备的整 体造型， 推动煤矿设备外观的可持续发展。 此方法不但包含关键技术、 企业价值、 运行机制，还包含形态、色彩、材质、肌理等方面。各产品之间具有共同的产品 识别因素，企业产品设计的通用性通过元素的共性识别特征来体现，体现产品设 计理念和品牌价值。 文献研究法文献法是一种较早使用但却不乏活力的研究方法，通过搜集、 鉴别、整理对文献研究形成事实的一种科学认识方法。 1.4.3 创新点 1、在以功能为主的前提下，注重功能与功能设计方法的融合，达到新的功 能属性为本文的创新点之一。 2、将产品族设计 DNA 的研究方法运用在乳化液过滤与泵站设备造型设计中 来。 万方数据 第一章 绪论