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1、以知识为基础的化工过程机械产品的快速创型涂善东(南京化S大学，南京210009)摘要产品快速创型是实现化工过程机械先进制造的核心，而化工机械产品的开发涉及化学、机械、材料以及先进制造技术本身等多个方面的复杂知识，创新知识的获取已成为制约我国重大过程装备国产化、影响我国化工机械制造业及其相关工业竞争力的瓶颈.为此本文提出以知识的创新、集成为基础的化工过程机械产品的快速创型模式，包括产品市场信息的快速捕捉、快速成型加工、以及支持产品快速创型的先进制造摸式与管理。要.词化工过程机械快速创型敏捷制造并行1.化工过程机械制造业的特点据有关统计表明，在过去的一百年里，制造过程的效率提高了20倍，而生产管理
2、效率只提高了1.8-2.2倍，产品设计创型的效率只提高了1.2倍。这表明通过机器的自动化，使人类体力劳动得到极大的解放，但对脑力劳动的解放却很少。显然，要进一步提高整个制造过程的效率，关键在于解放人的脑力劳动、提高产品设计与创型的效率。这点认识对化工过程机械产品的制造尤为重要。化工过程机械主要指流程工业、工艺中的机械装备，涉及化工、石化、发电、冶金、食品、制药等流程工业，一个现代流程工厂的设备投资一般要占总投资的60%以上，由此可见过程机械在国民经济建设中的显著地位。过程机械的特点是过程工艺所决定的，为了实现不同的物理化学的反应，工艺过程常常千变万化，因此过程装置的工艺性很强其次过程装置趋向于
3、单系列化，装置规模趋向于大型化，要求更长的运行周期，对过程装置的长期可靠性提出了极高的要求。再之过程装置的服役条件千差万别，有高温、低温、深冷有超高压、高压、中、低压、真空等:有汽液固三相之不同，有强酸、强碱、剧毒、易燃、易爆等这些工艺特点决定了开发过程机械相关知识体系的复杂性，如图1所示。这种庞大的知识体系也导致了产品开发周期长、设计效率低的问题。此外，化工机械制造业还有如下特点:一、化工机械产品一次建成投资大，使用寿命长，大型传统化工生产企业的重要和关键设备多要求能符合可重用性、可重构性的要求，以在技改技措时尽可能重用原有资源，减少新品投资和重复投资二、产品设计属被动型式(由买方决定)，产
4、品非标准件多，单件小批生产为主要生产任务，单独设计、改造任务繁重三、制造加工过程具有很强的综合性，制造工艺复杂，除了各种机加工制造外，还包括大量焊接制造。生产周期长、设备资金占用量大。四、法规性强，鉴于化工机械产品的特殊性和复杂性，它的法规性比其它行业更强较之于其他机械制造业，尽管化上过程机械有着特殊的重要性，但先进制造技术的概念却不是首先来源于过程机械的制造。事实上正是由于其复杂的知识体系，过去的科学技术水平难以应对，因此也无法提出普适性的概念。但是当今世界信息网络和强大功能的计算机群的出现，为过程机械全面实现先进制造模式奠定了基础。为此本文提出以知识的创新、集成为基础的化工过程机械产品的快
5、速创型模式，包括产品快速设计、快速成型加工、以及支持产品快速创型的先进制造模式与管理。高分子环境化学生物化学机械电子自动控制材料设计学动力材料失效力学传动学摩擦学金属材料学冶金、焊接工艺学复合材料有机高分子材料:橡胶、助剂振动学力学:14体、微机械流体无机非金属材料陶瓷、玻璃、水泥、人工晶体、半导体化工过程机械的相关学科知识热l图2.化工机械制造业所面临的严竣挑战和机遇伴随着21世纪的来临，电子信息技术的迅速发展，在化工过程机械的相关领域也正历经着前所未有的知识和技术的创新速度。市场响应的动态化、个性化和竞争的炽热化，使得工业界出现了一系列新的生产方式(或生产模式、制造系统等)，世界经济正从工
6、业经济走向知识经济。以知识为基础的经济增长方式，高度地重视信息与技术的发明、传播和使用，经济重心己转移到获得新技术和知识、创造新技术和适应新技术发展的灵活性上来。为此各个国家、各个领域均在研究迎接下一世纪挑战的积极措施。由美国化学会、美国化学工程师学会、以及多家行业协会在白宫科技政策办公室的支持和鼓励下，组织了具有代表性的200多名专家，进行了两年多的研究，于19%年底提出了美国化学工业:2020年技术展望的研究报告，在总体目标中即提出:美国化学工业与学术界和政府密切合作，为发明和开发新技术创建“虚拟”(Virtual)实验室致力提高制造中的敏捷度(Agility)使之能应用现代化的计测、设计
7、、开发、放大和最佳化的技术，以迅速适应市场的变化。在考虑如何达到这一目的时，专家建议成立一支研究力量优先考虑化学工业的模拟需要:这支队伍最优先的工作重点应是计算流体动力学(CFD)所需要的模拟。这种模拟需要大量的基础知识和数据的支持。在机械制造领域，60年代日本丰III汽车公司便率先创造精益生产方式，美国为了夺回其制造业在世界上的领先地位，美国国防部委托里海大学组织100多家公司进行联合研究，并于1994年底出版了21世纪制造企业的战略报告。报告提出要在2006年前通过敏捷制造达到世界领先的地位。美国波音公司投资40多亿美元研制的波音777喷气客机即为实施这个战略的成功一例，其中包括300多万
8、个零部件，分散在世界各地的工程师可随时调出其中零件进行研究、模拟和修改，使得开发周期从通常的9一10年减少到4.5年，设计、装机、测试均在计算机中完成，初步做到无纸设计，保证了一次试制成功。在过程-16设备领域，世界上许多大型企业均十分重视先进制造技术的运用，以知识为基础的模拟及进一步的设计改进备受重视，设计创型的速度大大提高，目前在国际市场上己涌现出大量的新型高效的过程设备。然而，回望我国制造业的形势却十分不容乐观，F表为我国与发达国家情况的简单比较:发达国家中国新产品对国内生产总值贡献率的比较美国52%(1995)5.9%(1997)机械企业专业化水平75-95%15-30%2000余种主
9、导产品的平均生命周期约3年10.5年90年代国际水平产品30%就化工过程机械制造业来看，面临的形势更加严峻:1)首先，由于化工机械产品所涉及知识的高度复杂性。而信息技术的采用又远远落后于国外同类制造企业，导致对产品创新性知识的获取及对相关知识的操作能力均十分低下，由此导致了化机制造业整体水平的落后。2)化工装备生产技术与设计创新的能力明显地落后于国外。据全国化工行业的统计，九十年代以来我国平均每年大型化工建设项目在过程设备上的投资在100亿元左右，国内生产配套不超过55亿元，其同期进口的化工装备达到5.4亿美元。外商企业在中国化工过程装备市场占据近50%的份额，而且还有继续增加的可能。从国家重
10、点化工建设项目上的关键机械设备、机组及单元装置中整个国产化过程设备平均占有率不到30%，投标的成功率不到10%的比例看，国内高技术的化L过程装备仍为外商所占有。3)缺乏大量的技术和软件开发的投入。据不完全统计，至98年止国家财政间接拨款和地方、企业投入总量不足全行业销售收入额的千分之一，资金的投放亦十分分散。对知识创新工作的投入近乎为零。4)产品结构严重滞后于国民经济发展和技术进步的要求。中小型化工过程装备在新材料、新工艺、新结构及高性能等方面尚没有形成自己的技术和产品的特征。最为致命的是企业的信息化程度低，由此也造成了对市场响应滞缓，管理方式落后.对员工的素质培养不够，造成生产效率低，企业运
11、转不灵活诸弊端.目前在我国化工机械制造业中真正采用CIMSMRP-11等先进制造模式的还十分鲜见。目前通过验收的全国CAD应用工程示范企业名单共135家，过程机械制造厂有5家(主要是锅炉、阀门、鼓风机制造厂)，而在实施CIMS工程的52家示范企业中，仅有东方锅炉厂、上海鼓风机厂和沈阳鼓风机厂榜上有名。随着世界市场竞争日益激烈，先进制造技术和信息技术高速发展，知识一技术一产品的更新周期日益缩短，产品创新速度将越来越快，产品的知识含量将越来越高。产品及其制造过程中的信息和知识要素的增值将成为主宰新产品竟争力的决定性因素，基于知识和信息网络的产品创新和相应的先进制造技术不仅己成为知识经济的重要支柱，
12、而且还是最活跃的驱动因素。正如美国国家制造科学中心的协作制造议程困CMSCollaborativeManufacturingAgenda)所指出的:知识已成为未来企业的主要资产，掌握它，就会带来巨大的经济变化。而我国国家自然科学基金委员会发表的优先资助领域战略研究报告先进制造技术基础则指出:增强产品自主创新能力，提高新产品市场竞争力，己成为跨世纪我国制造科学基础研究的国家目标。知识经济时代的来临既给化r机械制造业提出严唆挑战，也带来了新机遇。由于化上过程机械所涉及的知识十分复杂，谁对这些知识能有所作为，谁就有可能开发出先进的产品，从而占有最人市场份额，而对这些知识的加工、操-17-作从根本上说
13、离不开化丁机械工作者的努力。因此以电子信息技术为手段进行化工机械知识的快速综合与集成，提高产品开发创型的速度。也是我们的机遇所在，务必争先方能土动。3.化工机械产品快速创型的基本思想传统的化工机械制造业往往是根据客户的定单被动地适应市场，但是在竞争日趋激烈的时代，必须变被动适应用户为主动引导市场，这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。因此市场竞争的焦点就转移到速度上来，即凡能“领先一步”，快速提供更高性能价格比产品的企业，将具有更强的综合竞争力。产品创型的核心要求是“新”和“快”。“新”是指产品的知识含量高，知识附加值高:“快”则体现为制造企业对市场需求的快速响应和制造资源的快速有效集成和重组
14、，而且“快”本身就是“新”的一个重要组成部分。为此本文提出以知识为基础的快速创型的基本思想口过程机械产品的快速创型主要包括以下JL个模块:(1)基于快速捕捉的市场动态需求信息的决策机制(2)基于专门化的过程、机械、材料和加工等方面的知识实现产品的总体设计(3)通过虚拟的工程放人实现产品的详细设计(4)通过先进制造工艺实现产品的快速试制定型(5)推行快速响应制造的生产体系。为了提高快速创型的能力，企业应能通过网络访问各种信息数据库并和各地销售人员联系，通过信息查询和销售报告，分析市场走势，迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间。在此基础上，通过
15、实际生产工艺调查、国际互联网络杳询、以及各种研究报告、文献资料等集成与所开发产品相关的知识，建立相应的数据库、知识库、形成初步设计方法。我国对高效过程设备技术及其相关领域的研究起步较晚，七十年代开始引进大型过程装置，至八十年代，国务院建立国产化办公室，在消化吸收国外先进技术的同时，也在全国形成了开展过程设备基础性研究的良好势态，十多年来己积累了大量科技的成果。但由于国产化配套政策不力，投资甚少，这些成果往往是阶段性和局部性的，还无法应用到整体设各的开发，如对大型设备的强度研究的居多，而内部传热传质与反应机制的消化吸收工作则较少:在工艺数据方面也积累了大量数据，不过亦多散见于各研究机构、杂志、公
16、开文献等在国际上亦已有浩森的文献与数据库可资利用。在这些知识的基础上，对创新知识进行快速综合，实现概念设计的可能性已大大增加。有了初步的设计方案后，为了实现快速设计，人们提出了如F许多先进设计方法:计算机辅助设计CAD一一谁壮设计(RobustDesign)并行工程CL面向制造、装配、检验、质量、服务等的设计DFx模块化设计反求工程在工艺过程设计方面，还有计算机辅助r_艺规划设计CAPP计算机辅助装配设计工艺过程的建模与仿真VM18具备了设计的方法和相应的产品图纸，还必须检验产品在实际应用中的性能，这对化工机械产品尤为重要。由于结构与材料、传热与传质、流动特性等与空间尺度乃至时间尺度均有很大关系，传统的开发方式往往需要小试、中试和工业试验的工程放大环节，试验的周期少则数月多则数年，这极大地限制了产品创型的速度。随着计算模拟技术的日益发展，许多试验的环节己经可以通过模拟予以实现，为此我们提出虚拟工程放大的概念，致力于通过计算模拟技术实现过程设备的工程放大，并通过模拟计算，进一步改进设计方案，溯新设计方法。保证产品一次试制成功。其中的关键技术包括:一-
