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摘要：冶金行业是指以钢铁为主的金属加工制造业，冶金设备平稳高效的运行是确保冶金行业的生产效益和安全的重要因素。因此，加强冶金设备设计是非常必要的。本文主要对冶金设备设计的现状进行分析，并对提高冶金设备安全与可靠性的技术方法进行探讨，最后提出加强冶金设备设计的措施。
关键词：冶金设备设计；工业设计；问题
中图分类号：S611文献标识码： A
一、冶金设备设计的工业设计现状
近年来， 随着钢铁工业的发展， 冶金设备的产品种类和产量迅速增加，但国产冶金设备在外观设计、色彩、人机工程学方面与国外先进设备相比，有很大的差距。在冶金工厂，尤其是轧钢生产车间，在外观上可以直接分辩出国产设备和引进设备，操作差距更为明显。由于冶金设备的特殊性，大多数国内设计者尚未意识到工业设计的重要性，相关的设计内容尚停留在经验和模仿阶段。由于设计人员没能总结出具有品牌意义的设计理念，因此，不能够对后继的设备设计提供指导性的经验，同时也难以形成冶金产品外观设计方面的知识产权。我国作为制造业大国，冶金设备的设计制造是产品设计的重要组成部分，因此，提升冶金设备设计制造的工业设计水平，改变国产设备的外观形象，使其更为人性化，是冶金设备设计者应该努力的方向，也是从事工业设计工作的专业人员的职责。
二、设备设计当前的设计环境及质量控制的重要性
目前我国钢铁行业发展极为迅猛，工程项目繁多且覆盖面广，而工期一般压缩的很紧。像一般的小型棒线材车间，工期甚至压缩到十个月以内，只能采取边设计边施工的交叉作业方式。这给机械设备设计工作带来很大难度。设备专业是两头受挤的专业，留给设备设计的时间少得可怜。现在一般都是一边进行方案设计一边提交土建、电气等专业设计资料，还要提交设备制造单位毛坯图以满足紧张的制造周期。而近几年设计队伍急剧扩充，人员素质参差不齐，即使这样，人员仍然紧张。在这种状况下，如何保证设计质量，尽可能避免设计质量问题给工程造成返工或损失，是机械设备设计质量控制的重中之重。
三、冶金设备现代设计理论与方法
近年来，随着计算机系统的飞速发展，现代设计理论和方法的发展进入更为广阔的空间和越来越多的设计领域。对于冶金设备的设计来说，设计人员应使用 CAD 计算机辅助设计系统，应用相应的现代设计理论和方法，在最初的设计阶段考虑最大限度地提高冶金行业生产设备的安全和效益。
（一）计算机辅助设计技术
CAD（计算机辅助设计）是一种利用计算机系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术。对于相对成熟的冶金设备，在设计中应用 CAD 技术可实现模块化设计以及 CAD/CAPP/CAM 一体化设计。诸多的CAD 软件为我们提供了广阔的设计平台，我们可以使用 AutoCAD 进行平面和三维设计，利用 UG 强大的造型功能来设计复杂的机械结构曲面，使设备各零件在受力、磨损、平衡等方面更合理，以增加其寿命，减少不安全因素；我们也能够利用 Pro\E 或SOLIDWORKS 灵活的装配功能，对设备进行整体装配并观察各部分的运动、协调以及干涉情况，以进行动态设计，减少设计周期。利用 CAD 软件不仅可以对设备进行模块化设计、标准化设计，在提高设计效率的同时也提高了产品的安全性能。
（二）有限元法设计技术
有限元法是一种现代数值计算方法，它是将复杂的研究对象简化为有限数量单元组成的集合体，分别对每个单元体进行求解后，再将各单元拼合起来，以代替原来的整体进行分析的方法。使用有限元方法既可分析工程中复杂非线性问题、非稳态问题的，又可用于工程中复杂结构的力学分析。目前已有许多成熟的大型有限元分析软件如A N S Y S 、 M S C . M a r c 、 A D I N A 、 A B Q U S等。冶金设备工况条件的复杂性正好适用于有限元法来分析。例如，轧钢机的轧辊和轴承的结构和受载在设计中一直采用工程计算法，即将其作为承受弯曲变形的梁来处理。这种方法只能确定危险截面处的应力，而不能确定组成轧机关键部件每块钢板的应力分布。但是使用有限元分析方法则可以很好的解决此类问题，并在冶金设备在最初设计环节减少不稳定因素，从而提高设备的可靠性。
四、测控系统
冶金设备自动化装备水平的提高，势必要求提高其计算机控制系统的可靠性和可用性。这除了提高软硬件自身的可靠性外，还可以通过控制系统的软硬件冗余和先进的测试技术来提高整个系统的安全性。
（一）控制系统软硬件冗余技术
计算机热备冗余系统是一种通过使用计算机集群技术来实现的双机热备系统。集群计算机技术是指将一组独立的计算机通过特定的硬件和软件连接起来，它可以在短时间内检测到故障的发生及时并启用备用设备以保证设备的平稳运行。对于使用 PLC 的基础自动化来说，它的工作原理与计算机操作系统工作原理不同，PLC内嵌的应用程序是按照顺序执行，循环扫描的方式工作来运行的。扫描周期对于既定的应用有着严格的执行时间。
（二）测控系统的软件抗干扰技术
在工业环境中，对于实际应用的微机测控系统，有很多强烈的干扰来自系统内设备的运行。在设计和开发冶金设备的测控系统时，一般很难考虑到在实际应用过程中可能发生的各种干扰和设备自身的随机性故障，尤其是现场恶劣的环境很有可能使计算机系统在运行过程中发生异常。此类问题需要借助于特殊软件措施使计算机摆脫困境，当出现故障时及时使用修复或启用备用系统。软件“看门狗技术”、指令冗余技术、数据冗余技术以及软件陷阱技术均可解决此类问题。
五、加强冶金设备设计的措施
（一）加强工业设计知识的普及教育
冶金设备的特点是造价高、品种多、功能单一、批量少、成套使用、使用环境特殊、服役期长，因此，在设计过程中，设计人员往往只注重设备的功能设计，而忽略了设备造型、色彩、布局和人机工程学方面的要求。提高冶金设备设计人员的工业设计意识，从根本上改变国内冶金设备的“傻、大、黑、粗”形象，使生产线和单机设备更加人性化，生产车间环境更加和谐。
工业设计的教育在我国刚刚起步，现在从事设计工作的设计人员大多没有经历过工业设计知识的学习，因此，很难在设计工作中自觉地考虑与工业设计有关的内容。要改变这种局面，应该加强工业设计知识的普及教育，重视培养和提高现有冶金设备设计人员的工业设计意识，逐步将冶金设备的功能设计与美学设计结合起来，使冶金设备更加美观。
（二）采用工业设计理念对传统设备进行改进
科学和美学是相通的，功能设计与美学设计是协调一致的。对传统设备，包括一些已经淘汰的设备进行分析，找出其中优秀的设计理念和设计范例，为今后的设计所用。例如，随着高速线材的发展和吐丝机的应用，线材卷取机已被逐步淘汰，但是随着大棒材卷取的需要，原来各种类型的卷取机的结构、造型仍有借鉴之处。
（三）制订相关标准和规范
与其他产业设备相比，冶金设备的工业设计标准和规范是比较少的。由于用户的要求不同，设计制造的厂家不同，很难做到对冶金设备的机组、整机和基础件的通用性设计。由于缺乏工业设计方面的标准和规范，对冶金工厂的设备仅限于色彩选择、设备的操作标准的确定等，人性化的设计还没有提及。例如，轧制设备距地面的高度是否对操作者产生压抑感；千米以上作业线的长度是否使车间内的操作者有疲倦感；车间设备的色彩单一性是否对人的视觉有害等，这些课题需要通过对大量的测试数据分析整理后才能完成。
结束语
冶金设备的设计制造是产品设计的重要组成部分，因此，加强冶金设备的设计制造水平是非常有必要的。只有将工业设计理念和思维贯彻到冶金设备的产品设计中，进行功能和美学方面的创新性设计，为提升我国的机械制造业水平做出贡献。
参考文献
[1]吴彤.非标冷轧冶金设备设计中Inventor带来的改进[J].工业设计,2008(03).
[2]程勇高,林元琦.有限元分析技术在冶金设备设计中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2012(09).
关键词：冶金设备设计；工业设计；问题
中图分类号：S611文献标识码： A
一、冶金设备设计的工业设计现状
近年来， 随着钢铁工业的发展， 冶金设备的产品种类和产量迅速增加，但国产冶金设备在外观设计、色彩、人机工程学方面与国外先进设备相比，有很大的差距。在冶金工厂，尤其是轧钢生产车间，在外观上可以直接分辩出国产设备和引进设备，操作差距更为明显。由于冶金设备的特殊性，大多数国内设计者尚未意识到工业设计的重要性，相关的设计内容尚停留在经验和模仿阶段。由于设计人员没能总结出具有品牌意义的设计理念，因此，不能够对后继的设备设计提供指导性的经验，同时也难以形成冶金产品外观设计方面的知识产权。我国作为制造业大国，冶金设备的设计制造是产品设计的重要组成部分，因此，提升冶金设备设计制造的工业设计水平，改变国产设备的外观形象，使其更为人性化，是冶金设备设计者应该努力的方向，也是从事工业设计工作的专业人员的职责。
二、设备设计当前的设计环境及质量控制的重要性
目前我国钢铁行业发展极为迅猛，工程项目繁多且覆盖面广，而工期一般压缩的很紧。像一般的小型棒线材车间，工期甚至压缩到十个月以内，只能采取边设计边施工的交叉作业方式。这给机械设备设计工作带来很大难度。设备专业是两头受挤的专业，留给设备设计的时间少得可怜。现在一般都是一边进行方案设计一边提交土建、电气等专业设计资料，还要提交设备制造单位毛坯图以满足紧张的制造周期。而近几年设计队伍急剧扩充，人员素质参差不齐，即使这样，人员仍然紧张。在这种状况下，如何保证设计质量，尽可能避免设计质量问题给工程造成返工或损失，是机械设备设计质量控制的重中之重。
三、冶金设备现代设计理论与方法
近年来，随着计算机系统的飞速发展，现代设计理论和方法的发展进入更为广阔的空间和越来越多的设计领域。对于冶金设备的设计来说，设计人员应使用 CAD 计算机辅助设计系统，应用相应的现代设计理论和方法，在最初的设计阶段考虑最大限度地提高冶金行业生产设备的安全和效益。
（一）计算机辅助设计技术
CAD（计算机辅助设计）是一种利用计算机系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术。对于相对成熟的冶金设备，在设计中应用 CAD 技术可实现模块化设计以及 CAD/CAPP/CAM 一体化设计。诸多的CAD 软件为我们提供了广阔的设计平台，我们可以使用 AutoCAD 进行平面和三维设计，利用 UG 强大的造型功能来设计复杂的机械结构曲面，使设备各零件在受力、磨损、平衡等方面更合理，以增加其寿命，减少不安全因素；我们也能够利用 Pro\E 或SOLIDWORKS 灵活的装配功能，对设备进行整体装配并观察各部分的运动、协调以及干涉情况，以进行动态设计，减少设计周期。利用 CAD 软件不仅可以对设备进行模块化设计、标准化设计，在提高设计效率的同时也提高了产品的安全性能。
（二）有限元法设计技术
有限元法是一种现代数值计算方法，它是将复杂的研究对象简化为有限数量单元组成的集合体，分别对每个单元体进行求解后，再将各单元拼合起来，以代替原来的整体进行分析的方法。使用有限元方法既可分析工程中复杂非线性问题、非稳态问题的，又可用于工程中复杂结构的力学分析。目前已有许多成熟的大型有限元分析软件如A N S Y S 、 M S C . M a r c 、 A D I N A 、 A B Q U S等。冶金设备工况条件的复杂性正好适用于有限元法来分析。例如，轧钢机的轧辊和轴承的结构和受载在设计中一直采用工程计算法，即将其作为承受弯曲变形的梁来处理。这种方法只能确定危险截面处的应力，而不能确定组成轧机关键部件每块钢板的应力分布。但是使用有限元分析方法则可以很好的解决此类问题，并在冶金设备在最初设计环节减少不稳定因素，从而提高设备的可靠性。
四、测控系统
冶金设备自动化装备水平的提高，势必要求提高其计算机控制系统的可靠性和可用性。这除了提高软硬件自身的可靠性外，还可以通过控制系统的软硬件冗余和先进的测试技术来提高整个系统的安全性。
（一）控制系统软硬件冗余技术
计算机热备冗余系统是一种通过使用计算机集群技术来实现的双机热备系统。集群计算机技术是指将一组独立的计算机通过特定的硬件和软件连接起来，它可以在短时间内检测到故障的发生及时并启用备用设备以保证设备的平稳运行。对于使用 PLC 的基础自动化来说，它的工作原理与计算机操作系统工作原理不同，PLC内嵌的应用程序是按照顺序执行，循环扫描的方式工作来运行的。扫描周期对于既定的应用有着严格的执行时间。
（二）测控系统的软件抗干扰技术
在工业环境中，对于实际应用的微机测控系统，有很多强烈的干扰来自系统内设备的运行。在设计和开发冶金设备的测控系统时，一般很难考虑到在实际应用过程中可能发生的各种干扰和设备自身的随机性故障，尤其是现场恶劣的环境很有可能使计算机系统在运行过程中发生异常。此类问题需要借助于特殊软件措施使计算机摆脫困境，当出现故障时及时使用修复或启用备用系统。软件“看门狗技术”、指令冗余技术、数据冗余技术以及软件陷阱技术均可解决此类问题。
五、加强冶金设备设计的措施
（一）加强工业设计知识的普及教育
冶金设备的特点是造价高、品种多、功能单一、批量少、成套使用、使用环境特殊、服役期长，因此，在设计过程中，设计人员往往只注重设备的功能设计，而忽略了设备造型、色彩、布局和人机工程学方面的要求。提高冶金设备设计人员的工业设计意识，从根本上改变国内冶金设备的“傻、大、黑、粗”形象，使生产线和单机设备更加人性化，生产车间环境更加和谐。
工业设计的教育在我国刚刚起步，现在从事设计工作的设计人员大多没有经历过工业设计知识的学习，因此，很难在设计工作中自觉地考虑与工业设计有关的内容。要改变这种局面，应该加强工业设计知识的普及教育，重视培养和提高现有冶金设备设计人员的工业设计意识，逐步将冶金设备的功能设计与美学设计结合起来，使冶金设备更加美观。
（二）采用工业设计理念对传统设备进行改进
科学和美学是相通的，功能设计与美学设计是协调一致的。对传统设备，包括一些已经淘汰的设备进行分析，找出其中优秀的设计理念和设计范例，为今后的设计所用。例如，随着高速线材的发展和吐丝机的应用，线材卷取机已被逐步淘汰，但是随着大棒材卷取的需要，原来各种类型的卷取机的结构、造型仍有借鉴之处。
（三）制订相关标准和规范
与其他产业设备相比，冶金设备的工业设计标准和规范是比较少的。由于用户的要求不同，设计制造的厂家不同，很难做到对冶金设备的机组、整机和基础件的通用性设计。由于缺乏工业设计方面的标准和规范，对冶金工厂的设备仅限于色彩选择、设备的操作标准的确定等，人性化的设计还没有提及。例如，轧制设备距地面的高度是否对操作者产生压抑感；千米以上作业线的长度是否使车间内的操作者有疲倦感；车间设备的色彩单一性是否对人的视觉有害等，这些课题需要通过对大量的测试数据分析整理后才能完成。
结束语
冶金设备的设计制造是产品设计的重要组成部分，因此，加强冶金设备的设计制造水平是非常有必要的。只有将工业设计理念和思维贯彻到冶金设备的产品设计中，进行功能和美学方面的创新性设计，为提升我国的机械制造业水平做出贡献。
参考文献
[1]吴彤.非标冷轧冶金设备设计中Inventor带来的改进[J].工业设计,2008(03).
[2]程勇高,林元琦.有限元分析技术在冶金设备设计中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2012(09).