叶春浓
民科年度总结——谈机械创新设计 精选
2015-12-30 22:37
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   从普遍意义上说,中国企业不缺乏自愿或不自愿长时间加班的“敬业”员工,对于许多大公司来说,也不缺乏支持创新所需要的资金,缺的是具有创新精神和创新理念的员工和支持创新所必须的企业文化。作为一个机械设计实践者和技术、质量管理者,也作为2015年工作总结,谈谈机械创新设计。

一、机械设计的实质

      机械构造与机械原理到19世纪末已发展得相当成熟,原理上现今几乎没有还未发明的机械,但也不存在不可改进的机械,连螺丝这么成熟的产品仍然有改进的空间。日本有一家几十人的小公司,几十年来对螺丝不倦地研究改进,生产号称“绝不松动的螺丝”。

       现今四冲程发动机与一百年前的相比,基本构造和工作原理几乎没有什么区别,一百多年来,发动机设计师无非是在燃油经济性、可靠性、功率密度(输出功率与重量之比)、噪音水平等方面进行改进。一百多年来,发动机设计师不是设计全新的发动机,而是改进现有的发动机。

       高速动车组转向架与“东风”内燃机车转向架相比,其构造和原理没什么区别,至少外行看来是如此,但如果把“东风”内燃机车转向架不加改进直接装在高速动车组上,肯定是车毁人亡。

      拿我最为熟悉的液压行业为例,当今液压元件已发展得相当成熟,已处于缺乏革命性变革力量的休眠期。由于与空调压缩机,汽车发动机相比,液压元件市场需求量至少要低一个数量级,所以液压元件更乏创新的动力,液压工程师也处于不易出“轰动成果”的尴尬状态。尽管如此,据我的观察、思考、设计实践,以液压马达为代表的液压驱动元件,仍有很大的改进空间。国外优秀液压企业主要研发精力都放在改进现有产品上,而非搞全新的开发。

       所以,机械设计的实质是改进的设计——根据不同的使用工况、现有产品的缺陷、用户的新要求,对现有机械进行改进。

二、创新从何而来?

      既然机械设计的实质是改进的设计,那么首先就要明确改进的目标,举个液压马达的例子。

      液压马达虽然已非常成熟,但也存在以下一些永恒的话题:

1、能量转换效率能否更高一些?

2、动力转换能否更平顺些?减少机器振动乃至事故。

3、功率密度可否更高一点?

4、可靠性可否更高一些?至少要比竞争对手的可靠一些。

5、噪音可否低一点?

6、能否适应某些特殊工况?成为该领域的领跑者或垄断者。

7、能否更方便安装,易于变形?

8、成本能否更低一点?

9、可否扩大高效工作区?

       做过机械产品设计的绝大多数人都会明白,上述要求显然是无法同时满足的,那么设计人员首先就要确定改进的目标:提高转换效率?降低噪音?提高转速?或者纯粹为了降低成本(这也未尝不可)。确定目标之后将如何实现目标?——创新工作大多产生于此。

      以液压马达为例,假如目标是提高液压马达转速,至少需自问下述问题:

      限制液压马达转速的瓶颈是什么?零件磨损或其他形式的损坏?振动增大?噪音增大?效率降低?瓶颈问题通常可以通过实验的方法发现,在实验室里将现有的液压马达在希望的转速下运转,看会出现什么问题,通过实验还可以发现目前水平与目标的差距。

      发现问题接下来就应该收集相关的资料,了解相关技术的过去、现状、将来、他人解决问题的办法、市场、企业自身的人材物情况,具体有下面一些内容(重要性不分先后):

1、至少读透一两本与技术瓶颈所涉及的主要知识相关的经典著作,具备基本的相关知识。

2、适当阅读学术论文,最好阅读在本领域有实践经验的人的论文,一般来说,有实践经验的人发表的论文比较客观,可信度比较高,但也不是绝对。

3、国内外同行的专利,产品样本。

4、最好能找到同类产品用户使用报告,或产品评论一类的文章。

5、客观,中立地分析竞争对手产品的优缺点,在不侵犯知识产权的前提下,移植和综合别人成熟的技术不是不可。

6、积极与供货商交流,供货商通常能透露最新的行业信息。

7、积极与本公司的加工、安装、测试人员沟通,他们学历可能不高,但因为他们亲临一线,有丰富的直觉经验,有时也能提出独到的见解。

8、虚心听取客户理性的投诉和抱怨,把客户理性的投诉当初改进产品的契机和动力,机械使用者在某些方面比机械设计者更了解机械不但有可能,而且完全是事实。

9、时间允许,可以学习和借鉴与本项目相近的其他领域的技术,有时将其他领域公知的技术恰当地移植到本项目,就是了不起的发明,据说爱迪生的发明大多数是将现成的,多个领域的技术组合在一起的集成发明。我的体会,液压马达设计就可以借鉴内燃机的设计方法和理念。

10、展览会、售后服务也是不错的学习场所和机会,应尽量参加。

11、如有兴趣,可以读读逻辑学、科技哲学一类的书籍,对提高思考能力还是有不少帮助的。顺便提一下,亨普耳著,张华夏译的《自然科学的哲学》就是一本很不错的科技哲学书籍,作为科学研究的方法,书中关于维也纳医院产科医生解决产妇患产褥热而死亡问题的例子很富有启发性。

       一般来说,资料收集得越充分、分析得越透切,知识面越广、经验越丰富越有利于提出创新的解决方法。但是,任何综合方法都不可能穷尽所有的资料,换句话说,等收集完所有相关资料并消化吸收,恐怕世界末日快要来临了。能否搞创新设计,或者创新水平的高低与个人的直觉、类比、联想、判断、性格也有很大的关系,这些秉性通常不太可能通过学校的教育获得。

       举个2015年我亲身设计的例子,本设计虽然是在2015年正式开始,但之前已调查、思索、酝酿了好几年。本设计项目的目标是将液压马达的最高连续转速提高一倍,以满足市场需求。要实现这个目标,需要解决或改进多项技术,其中一项是弹簧的寿命。现有技术的液压马达,曲轴旋转一圈,弹簧伸缩一次,如果转速提高一倍,弹簧伸缩频率也提高一倍。掰过钢丝的人都知道,钢丝来回折弯,折弯频率越高,钢丝越容易断裂,弹簧也一样,伸缩频率越高越容易断裂。为解决这个技术难题,查阅了国内外同行的许多专利和产品样本,国外至少有两家公司采用蝶形弹簧代替螺旋弹簧,蝶形弹簧的巧妙设置消除了弹簧随曲轴旋转而伸缩的现象,解决了转速高弹簧疲劳寿命低的问题,本人借鉴了该设计思路。但是,随着设计细节的深入,发现市场上现有的标准蝶形弹簧尺寸都不适合,如果要迁就标准弹簧,就会使某零件尺寸过大,带来新的问题。为此,联系了几家弹簧供应商,看能否制作非标弹簧,因非标件制作成本高,供应商都不愿意做,项目只好搁浅。有一天晚上,我半躺在床上看书,思考问题,突然冒出一个主意,蝶形弹簧的特点是尺寸小,能提供弹力,密封用的橡胶圈不也有尺寸小,能提供弹力这个特点?第二天做了详细的设计,果然能解决问题,而且尺寸比蝶形弹簧还更紧凑。顾名思义,橡胶密封圈是密封用的,但如果加以类比和联想,也能别有用处,类比和联想有时真的能出其不意地解决问题。

       所以,机械设计的创新思想来自对问题的持续思索,积累丰富的知识和经验,再发挥个人的直觉、类比、联想,或许这就是爱迪生说的99%的汗水+1%的灵感。需要说明的是,创新的灵感只能在技术细微之处的设计实践和试验中捕获,那种靠讲笼统大道理的专家,为他人指明方向,细节由下属负责的领导是很难获得创新灵感的,更不可能有解决实际问题能力。

三、中国机械工业创新能力低的几点原因

      中国机械工业为什么创新能力低类似于“钱学森之问”,公开发表的见解极其繁多,根据我的观察和亲身经历,提几点非常现实的原因:

       1、优秀的机械设计工程师一生都应该保持学而不厌的“儿童心态”,对技术问题永葆好奇,有持续的探索精神。但我认识的机械设计工程师几乎没有人有这种心态,下班炒股开淘宝的倒不少,这既与个人的天性有关,也与当下中国科技人员工资低,工资增长赶不上GDP增长的现实有莫大的关系。

      关于持续的探索精神,我有这样经历及体会:给某个员工分配一项一般性的设计任务,或其他事务性的工作,员工都能很好地完成。让某个员工钻研某个成熟的技术,提出独到的见解和改进方案,员工虽然都接受任务,并开展工作,但这种任务通常是不了了之,说明员工没有坚持和深入地思考下去。可以说,这几年来,公司的技术改进方案几乎全部都是我自己思考得来的。国内有些同行公司,高调宣传每年要开发多少款新产品,所谓开发多少款新产品,不过是变他人有我也有的同类产品,对自己现有的产品几乎没有改进,不能形成自己的特色,靠产品种类丰富搞价格战。以上说明中国技术研发人员总体上较为缺乏深入的探索精神。

       2、技术开发人员太忙,加班太多,根本没有自由学习和思索的时间。有的领导,用员工在办公室耗的时间长短作为员工是否敬业的标准,任务一项接一项,或者一个员工负责多个项目,浅尝辄止,还美其名曰“多面手”,员工根本无法深入思考问题。这些研发人员名为从事研发工作的脑力劳动者,却是和富士康流水线上的体力劳动者没多少区别。

       关于工作与思考,有一个例子:

       物理学家,诺贝尔奖金获得者卢瑟福有一次发现他的一个学生特别勤奋,别人都在休息,只有他还在实验室做实验。于是,就问那个学生:“你今天上午在做什么?”,“做实验。”,“那你下午在做什么?”,“下午也在做实验。”,“那晚上呢?”“晚上还是在做实验。”这么勤奋的学生,按常理,一定会得到老师的表扬。没想到,卢瑟福将他一顿痛骂:“那你不就成了一个做实验的机器了吗?你用什么时间来思考呢?你不要总是做,一定要学会思考。”

       有一种观点认为,能处理繁杂的事务,多管齐下地工作,也是能力的体现。我认为这种观点或许适合管理者或其他如秘书、文员、柜台服务小姐等处理事务性质的工作,却不适合需要探索、联想、分析评估,需要“静”的技术研发工作。

       3、谈创新,得尊重创新。几年前,一个在国企和民企都有过工作经历的退休工程师跟我说:“中国只允许仿造,不允许创新,一次失败,领导认为你不怎么样,两次失败,领导认为你很差劲,三次失败,你回家去吧!”。这种说法虽然有些言过其实,但中国的人文环境不太允许标新立异,我行我素,对失败包容不够恐怕是事实。

      4、正如前面所说——创新思想来自对问题的持续思索。然而,国内有些液压企业,不停地仿造新产品,却不愿在现有产生上花时间思索改进,公司毫无探索精神和氛围。作为起点,仿造不失为捷径,但是否真的有研发能力,体现在能否做持续的改进。世界上的“隐形冠军”企业,无一不是非常专注,别无旁骛地对现有产品精雕细镂,永无止境地改进。

四、关于机械创新设计的几点错误认识

1、机械设计就是理论计算

       持有这种观点的人多是学历比较高的硕士或博士,他们学习了有限元,懂得高深的知识,认为这些先进的手段和深奥的知识就是竞争力。事实上,有限元也好,高深知识也好,它们根本不能提供创新思想的启发,它们仅能对创造的结果进行评审和分析。理论计算,尤其是计算机仿真计算与创新关系不大,它只需按固定的程序或套路按部就班就能完成。机械设计过程中,真正需要校核计算的也只有很少的一部分。

       比如我提出的用橡胶圈代替蝶形弹簧的创意就没用到高深的理论知识,但是要对该创意的可行性进行评审和详细的技术设计,则需要用到一定的理论知识。

2、成熟的,一眼就能看懂工作原理的机械没有技术含量

      持有这种观点的人一般是任职于大公司的人,他们认为设计挖掘机、高铁这样的大家伙才算有水平,轴承、螺丝、液压件这些工作原理很简单的成熟产品没有技术含量。事实上,对越成熟的产品做出合理的改进,越需要广泛的知识,越需要钻研精神。中国机械工业落后就落后在轴承、液压件、发动机等基础配件上,中国的高铁、以挖掘机为代表的工程机械,其核心零部件无一不受制于国外。工程机械行业流行一句话:“70%的利润被国外零部件供应商拿走”。当然,技术研发部门任劳任怨、无条件长时间加班的工程师,车间汗流背夹焊接机架的劳工,为中国轨道交通和工程机械企业降低成本立下了汗马之劳。

3、机械设计师=手册工程师

       这是我读本科时一位教机械设计的老师说的。机械设计师虽需经常翻阅手册,但手册只能在较为宽泛的领域提供基础和较为系统的知识以及作为某些问题的判据,具体到某个具体技术问题,其所牵连的知识远远超出手册范围,而且手册知识通常都是很基础,比较陈旧的。

4、机械设计就是绘图

做个不太严谨的比喻,机械设计师与绘图工程师的区别(虽然两个角色通常由同一人承担)就像文学家与书法家的区别,会文学创作的人不一定是书法家,反之也一样。

注:本文作者是个小公司的液压工程师和技术管理者,博文视野局仅限于传统的流体传动行业,其他行业会有所区别。

参考文献:

[1] 王意.车辆与行走机械的静液压驱动[M].北京:化学工业出版社,2014.

[2] 张海平.液压速度控制技术[M].北京:机械工业出版社,2014.

[3] 张海平.不拒绝小改进——2014拉斯维加斯国际动力传动展见闻[J].液压气动与密封,2014.

[4] 布莱恩·阿瑟(美).技术的本质[M].曹东溟译.杭州:浙江人民出版社,2014.

[5] 若林克彦(日).绝不松动的螺丝[M].陈涤译.北京:中信出版社,2012.

 

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