风力机装配序列综合评价方法研究

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风力机是风力发电的主要装置，作为-种大型机械装备，风力机结构复杂，零/部件较多，并且零/部件的体积大、质量重，如 1.5MW 的风力机齿轮箱体积为60m ，重量达到9t，其次风力机的装配环境特殊(海上风电安装)，这些特点决定了风力机装配不同于-般机械产品。风力机的装配主要包括工厂的部件装配和现场的总安装过程，对于风力机来说，选择合适的装配序列对于提高风力机的装配效率、降低装配成本、缩短风电项 目周期和保证装配质量有着重要意义。而确定合理的装配序列关键是对各装配方案进行评价。

文献[1]采用遗传算法，获得了不仅满足装配几何约束，而且拥有高稳定性和较少的重定位次数的装配序列。文献[2]提出了单元级与整体性评价相结合的计算方法，定量地评价各装配序列的优劣。文献00[3]根据工程实际，构建装配序列质量三层评价体系，同时采用基于有向图的序列比较法，快速完成序列的综合评价。文献[4]从装配协调路线、装配成本和装配精度三方面给出评价函数，并采用层次分析法得到各评价函数的权重，最后进行综合评价。文献[5]针对影响装配品质的各类因素，基于模糊数学理论，提出了装配序列的二级模糊综合评价方法。

以上文献的评价方法皆有其不足之处：遗传算法的评价方法由于初始种群是随机生成的，可能会出现收敛过早的情况；应用模糊数学的评价方法需要大量的专家知识和经验。因此本文提出了以风力机装配序列为评价对象，考虑了影响风力机装配质量的多种因素，对装配序列进行了综合评价，从而得出最佳的装配序列。

1 装配序列评价的流程装配规划可以生成多条可行的装配序列，为了获董兴辉，等：风力机装配序列综合评价方法研究 2013年第9期得质量最佳的装配序列，本文以装配位置可及性、装配稳定性、装配聚合性、装配重定向数、装配并行度和装配时间为评价指标，建立了相应的评价方法，最后进行综合评价得到最佳装配序列，装配序列综合评价流程如图 1所示。

图1 装配序列综合评价流程2 评价指标相关计算根据评价流程，建立装配序列评 价 的指标集为：U l，u2， 3， 4， 5， 6式中： ，为装配位置可及性； 为装配稳定性； ，为装配聚合性；u 为装配重定向数；u 为装配并行度； 为装配时间。

2.1 装配位置可及性风力发电机就安装结构而言可以分成很多类型，本文研究的是大型水平轴风力发电机机械部分的装配顺序。-般机械产品的手工、半自动装配的基本装配动作为：抓取零件移动零件-÷定位零件-抓取工具-定位工具-插入零件-紧固零件。但是由于大型风力机零/部件体积庞大、质量重，并且安装环境比较特殊，这些基本装配动作就会受到很大限制，从而导致零/部件和安装工具按照工艺规划准备达到指定的安装位置时会有-定的困难，这种困难程度就被称为装配位置可及性。下面结合装配现场的实际情况，列出装配位置可及性的评价原则和标准。

1)装配操作者的视野：在装配过程中，操作人员的视线并没有受到空间或实体的限制，能流畅完成定位等装配操作。

2)零/部件的抓韧搬运：大型风力机的 部件使用专用的吊具和吊车，能顺利地将零/部件运送至要求的位置。

3)工具的操作空间：工作人员在使用工具(包括手)时，在装配的位置有足够的空间进行装配操作。

针对以上定性标准，采用专家打分的方法来评判，即分为三种标准V：(优，良，差)，不同的结果不同的分值D 。当满足三条标准时，评价结果为优”；当满足两条标准时，评价结果为良”；当满足-条或不满足任意-条标准时，评价结果为差”。根据评价结果设定相应的分数值，评价结果分数值如表1所示。

2.2 装配稳定性装配稳定性是指装配操作过程中装配零/部件之间在重力、振动等作用力下保持装配关系的能力。装配稳定性越高，对装配操作人员技能和装配夹具的要求越低，从而能使装配操作快速有效地完成。

产品装配模型可以清晰表达产品中零/部件的空间位置和联接关系，本文采用增强邻接矩阵C[ ]来描述风力机零件间的特殊联接关系。假定装配体有Ⅳ个零件，c是-个N X N矩阵，其中元素 c 表示零件 P 和P 联接类型。联接类型分为硬联接和软联接，其中硬联接是指零/部件间联接是通过紧固的方法来完成，有足够的联接力，常用的硬联接方式是螺栓紧固联接、焊接、粘结和过盈联接等，在矩阵中用 2表示；软联接则是指零件表面之间的接触，并没有施加外部力，主要的软联接是零/部件间的平面贴合、键联接和轴孔曲面的间隙配合，在矩阵中用1表示，若没有联接用0表示。

本文利用增强邻接矩阵 c来判断零件的拆卸稳定性，从而推断其相反的装配过程的稳定性。拆卸零件P 时，找到与该零件邻接的零件所组成的零件集R。P ，P2，，P ， 为与P。相邻接的零件数，在装配体的增强邻接矩阵c中找到零件集 R。所组成的矩阵c ，在 c 中如果不存在硬联接，则有可能失稳，记录第步拆卸操作时可能失稳的零件个数为 。如果某-装配序列有 Ⅳ个零件需要装配，装配稳定性 D按式(1)计算：v-1 ∑ (1)1D皿越小，装配稳定性越大；反之，装配稳定性越校2.3 装配聚合性 装配聚合性是指在装配过程中相同或相似的操作集中完成的程度。聚合性越高，装夹次数和更换装配工具的次数越少，从而提高了风力机装配效率。

装配聚合性主要考虑的是本次装配操作与前-次装配操作的装配零件、装配工具和装配形式等是否相01-髁-良差优-歹 ]，j 丽 [～- 团置重合价 设权 --] -j.下彳 -苗；匹2013年第9期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)同。本文仅以装配零件在装配序列中的改变次数为依据，评判装配聚合性。假设装配序列有 Ⅳ个零件需要装配，其装配序列的装配聚合性 D 按式(2)计算：D嵋N-1-∑xjX ： f (2) l Z J0 P，≠ P - 式中：P 、P分别为第J.、 1步装配的零件。

2.4 装配重定向数在产品的装配过程中，装配的重定向数是指装配方向的改变次数。装配方向的改变次数越少，装配过程中相关的换向操作就越少。故在装配序列选择时，应选择重定向数少的装配序列。

设装配序列有 Ⅳ个零件需要装配，则装配重定向数D 按式(3)计算：。 Yj；孑 三vj，： 3 D∑ 式中： 0 分别为第 、 1步装配零件的装配方向。

2.5 装配并行度装配并行度体现了装配操作之间并行执行的能力。装配并行度越高，设备资源利用率就越高，越利于提高装配效率，所以，装配过程中应旧能选择并行度高的装配序列。

装配并行度的衡量方法常见的有两种：-是将装配序列表示成结构树的形式，用结构树的深度表示并行度；二是用装配相关的两子装配体的零件数差值作为并行度指标。基于这两种方法，本文提出了以节约装配时间为准则的并行度指标计算方法。两种并行装配序列如图2所示。

102装配子序列 1装配子序列2装配子序列1装配子序列2a)序列-b)序列二图2 两种并行装配序列设装配序列有 J7、个零件，则它的零/部件间装配操作就是 N-1个，假设每个装配操作的时间均为 ，则串行装配的装配时间为(N-1) ，但是如果存在两个或多个并行的装配子序列，则装配时间的计算是以装配操作较多的装配子序列为对象，如图2中序列二的装配时间T3tt4t，其中3是装配子序列2的装配时间，是将两子装配体总装的时间。为了说明装配并行度与装配时间的关系，装配并行度 D 按式(4)计算：D - /J u5 N-1 (4)式中：n为在并行装配中计算装配时间时所用的装配操作数，如图2中序列-的n3，序列二的 4，表示计算装配时间时所用的装配操作数。

D洒越小，装配并行度越高，说明装配所用时间越少；反之，装配所用时间越多。

2.6 装配时间对于同-产品的不同装配序列，往往它们的装配时间是不同的，选择装配时问较少的装配序列是提高装配效率的有效途径。-般机械产品的装配时间可以通过计算装配作业工序所需的时间来求得，时间标准(Method Time Measurement，MTM) 规定了工序中- 些常见动作所需的作业时间，实际所需的装配时间是这些装配作业标准”动作的标准时间的叠加。风力机由于其自身特殊的结构，很多装配操作需要助力设备或工夹具的辅助，在 MTM标准中并没有规定这些动作的标准时间，所以本文使用专家经验预测装配时间作为MTM方法的补充，故装配作业标准时间按式(5)计算：T (5)式中： 、 、 、 分别为抓娶移动、定位、插入或紧固零件所需的标准时间。

假设装配序列有 Ⅳ个零件需要装配，其装配时间D 按式(6)计算：N-tD ∑ (6) 耳式中： 为第 步装配操作所需的标准时间。

3 装配序列评价指标权重的确定权重反映了评价指标在评判过程中的重要程度，重要程度越高，赋予的权重就越大。本文采用层次分析法(AHP)来确定权重集，AHP是-种二元对比排序法，其主要思想是：先进行元素间的两两比较，用定性董兴辉，等：风力机装配序列综合评价方法研究 2013年第9期的语言说明-个因素比另-因素的重要程度，再将这些定性语言量化，得到判断矩阵A，通过计算求得判断矩阵A的特征向量 L(L ， ，， )，特征向量 即为各评价指标的权重向量。

表2所示为指标比较量化表，(戈，Y)表示指标比指标 Y的重要性程度；反之，Y比 的重要性程度为厂(Y， )：l/f( ，Y)。

表 2 指标比较量化表4 装配序列综合评价算法不同的评价指标使用的量纲和单位是不-样的，为了保证评价的公正性，应将评价指标无量纲化。首先建立评价矩阵B为：B：(D )， 6式中：D 为装配序列 Si对指标 u 的评价值； 为装配序列序号；i1，2，，I；k为指标序号，k1，2，3，4，5，6。

由于本文的指标都是成本型指标，即越小越好，为了方便计算，将其转变为效益型指标，所以令：Dminb 1，2， ，，上，式中： m 为指标 的最小值。

将评价矩阵 进行无量纲化处理后为：B1(b )， 6为了全面、准确地评价装配序列的质量，本文采用加权算术平均法 来实现装配序列的综合评价，建立综合评价函数 ：F 1b 1 2b恐 3b 3十 4b蚪 5b 6b(7)式中： 为第 i条装配序列综合评价结果，该值越大，表明装配序列质量越好；b b b b 、b 、6 分别为第 i条序列装配位置可及性、装配稳定性、装配聚合性、装配重定向数、装配并行度、装配时间的属性值；(Jl、602、 3、∞4、 5、∞6分别为各属性值的权重。

5 评价实例以图3所示 750kW风力发电机齿轮箱的输入端为例，按照本文第 4章 的综合评价算法评价如图 4所示的两个可行装配序列，图3所示中太阳轮、行星轮的分度圆直径分别为 250mm、380mm，输入轴最大直径为bl20mm，长度为600ram，斜齿轮的分度圆直径为 1 010ram。

a)模拟装配图5 4 3 8 2 9 lO ll 6 12 7 13 l4b)装配结构图图 3 齿轮箱的输入端1、3、4.行星轮 2.夕 齿圈 5.机架 6.斜齿轮7.隔环 8.太阳轮 9.轴心导管 1O.轴承t1.输入轴 12.键 13.轴承 14.轴承盖5.1 单个序列评价指标的计算5.1.1 装配位置可及性评价由图3a所示可知，装配操作者的视野较好，零/部件的质量较重，可以依靠助力设备进行零/部件的抓韧搬运，并且与装配相关的辅助工具有足够的操作空间，因此，将图4所示的可行装配序列 1的评价指标评为优”即：D 1，按照同样的方法得到图4所示的可行装配序列2的评价值 D l。

5.1.2 装配稳定性当前装配序列中有14个零件，根据装配序列1列出其增强邻接矩阵c为：1032013年第9期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)C式中：2、1、0分别为硬联接、软联接、无联接。

al可行序列lb)可行序列2图4 可行装配序列根据本文第2.2节方法，分析在拆卸零件P。时，在增强矩阵c中找到由零件集R。组成的矩阵c ，判断其中的失稳零件个数，例如按照可行序列 1的顺序拆卸零件 l4时，与零件 l4有邻接关系的零件是零件9、零件11、零件 l3，在增强矩阵c中找到与零件9、零件11、零件l3相对应的联接类型都没有硬联接，所以这-步装配操作的失稳零件个数为3。在当序列中存在并行装配的子装配体，可以将并行装配的子装配体视为- 个整体，考察这个整体的邻接矩阵 ，最后由式(1)得：D 13。在可行序列2中，由于并行装配的缘故，可以分为两条子序列来进行计算，所以D 10。

1045.1.3 装配聚合性在装配可行序列1、可行序列2中，装配操作前后都没有相同的零件，所 以由式 (2)得装配聚合性值D13D2313。

5.1.4 装配重定向数分析装配可行序列 l、可行序列2中的装配过程，其中并行装配过程可以将并行序列串连成串行装配序列，模拟装配过程发现在装配零件 4、零件 3、零件1、零件2、零件12时，装配方向与上-步操作的装配方向不同，所以由式(3)得到装配重定向数为：D14D2455.1.5 装配并行度两条装配可行序列的装配操作都是13步，由于两条可行序列中都存在并行装配的情况，所以两条可行序列相比完全串行装配都节省了-定的时间，可行序列 1所用的装配时间实际是 8步装配操作的时间，而可行序列 2是7步装配操作的时间。由式(4)得：D158/13：O.615 4D257/130.538 55.1.6 装配时间由于风力机齿轮箱的行星架结构较大，质量较重，需要利用助力设备来完成-些装配操作，所以有些零/部件就不能运用 MTM方法来预测装配时间，这时可以引进专家经验知识来判断装配时间，专家预测的主要工作是在使用助力设备的情况下，对式(5)中规定的基本装配动作进行耗时预测，由式(6)得可行序列 1的装配时间D 为：Dl6(42.447.574.758.75124.75.39.665.3)/606.14min同样，得可行序列2的装配时间D 为：D26：5.07rain5.2 评价指标权重计算根据层次分析法，得到判断矩阵A为：A利用Matlab软件求得判断矩阵A归-化后的特征向量，并通过-致性检验，最终得到权重：l0.257 32O.134 6O O O O 0 O 0 0 1 0 1 O l 0 O 0 0 O O O 1 0 0 0 1 0 O l 0 O O 0 0 l 0 0 O 0 1 O 0 0 O 0 0 O O l l 1 O 1 O 1 l l 0 O O O 0 O 0 O 0 O 1 O O 0 O O 0 0 1 O 0 0 O 0 O O 0 l l O 1 1 0 0 0 O O O 1 O O 0 O 0 O 0 O l 0 O O 0 1 O l 0 0 O O 0 O 0 l O O O 1 1 O 0 2 O 2 2 O 0 O O 1 O O O 0 0 0 1 O 0 2 0 0 l O 0 0 O O 0 O 1 O O 2 O 0 l 0 0 O O O 0 l O 1 1 O O 0 0 0 O 0 O O O 0 1 O O 2 0 0 l 0 O O O O 0 5 3 / / 7 l l 1 l 1 1 I 7 5 l 1 9 3 7 5 1 1 9 3 3 5 l l l 3 董兴辉，等：风力机装配序列综合评价方法研究 2013年第9期601O940.032 5∞50.475∞60.068 15.3 评价指标的综合评价利用上述的单指标评价值建立评价矩阵，然后将评价矩阵进行无量纲化处理，得到矩阵曰为：：f 0·7 1 1 0·875 0·825 71 肚1 1 1 1 J由综合评价函数式(7)得到装配综合评价结果：Fl0.257 3 X 10.134 6 X0.770.032 5×10.032 5 X 10.475 X0.8750.068 1 X0.825 70.897 8同理按照本文第4章的综合评价算法求得装配可行序列2的综合评价值 1，F。< 所以最佳的装配可行序列为可行序列 2。