杨诗鸿 盛旭军 何小新 吴庆鸣
一、我国水利机械行业的现状
新中国成立之后，水利机械行业从无到有，从小到大，随着我国水利事业的不断发展而发展。改革开放后，水利机械行业发展很快，目前已具备研制、开发、生产绝大多数一般通用施工设备和仪器的能力，对某些高技术产品也有相当的研制水平。其主要表现有：
1．水利机械技术装备水平有了较大提高
50多年的发展，我国的水利机械从使用国外设备，到自己制造；从机械修配到现在具有一定实力研制、开发各类机电产品，为我国水利事业作出了贡献，也为自己的发展奠定了一定基础。
2．我国水利工程的机械化施工程度大大提高
现在，在大中型水利枢纽工程施工中，机械施工程度已赶上世界先进水平。如大型土石坝施工机械化程度已在80％～85％；大型混凝土施工机械化程度已超过90％，达到世界领先水平。
3．我国水利测量、信息采集和传输等管理技术水平上了台阶
水利机械行业为我国在七大江河建立起以堤防、水库、蓄滞洪区为主的防洪工程体系提供各类测量仪器、设备和管理软件，为各主要河流建立水文信息传输系统提供仪器设备等。
尽管我国水利基本建设的形势很好，但现有的水利机械的技术水平、研制开发能力、产品的性能和质量都难以满足发展的需要，还有许多问题亟待解决。表现在：
（1）产品结构不合理，低水平重复开发过多
现阶段我国水利机械生产严重过剩，主要原因是由于结构性矛盾引起的，表现为一般机械产品普遍供过于求，而高档次、高技术含量的产品却缺少研究开发、生产能力。
（2）技术装备落后，生产效率低
与国际水平相比，我国水利机械的装备水平落后，工艺设备老化、部分关键设备缺乏。目前大多数企业仍使用传统设备及工艺，高效节能工艺使用率极低。
（3）总体质量水平不高
改革开放以来，我国水利机械的质量水平有了较大提高，但是与国际先进水平相比，在产品可靠性、使用寿命和外观质量等方面都存在一定差距。
（4）高新技术的发展水平较低
近年来机械工业产品主要向高精密、专业化、自动化、柔性化和集成化等方向发展。发达国家已率先推出了一系列高新技术产品。而我国目前高新技术产品发展十分缓慢。
（5）产品部件的通用性较差
传统的设计，主要是针对用户提出的某种具体技术性能指标进行设计，因此设计出来的产品只能在特定场合使用，其通用性较差。
二、机械模块化概念及发展现状
市场需要多品种、小批量的水利机械产品；同时也要求产品具有功能齐全、使用可靠高效、价格低廉等特性，供货期灵活。这使得基于传统机械学理论来设计产品的诸多厂家，无法满足市场越来越高的要求。为了改善并克服这一问题，机械模块学应运而生。模块化系列产品设计是工业发达国家近２０年来一直采用的一种先进的设计方法，其宗旨是通过少量的模块组合，以获得多种产品来最大限度地满足不同用户的需求，十分适合水利机械的设计和制造。
1．模块化设计概念
机械模块学是一门研究机械系统中各独立功能部件模块化的科学。它认为机械系统这个大模块是由具有独立功能的一些子模块构成的，这些子模块诸如动力模块、传动模块、执行模块、控制模块以及辅助模块等，通常是指零件等基本元素（而非单一的零件）；功能部件的模块化包括功能部件的模块化设计、模块化制造和模块化装配等；不同用途的机械，可以根据内部层次结构和功能需要，由相应的模块集合而成。
模块化设计尽管早已由欧美一些国家提出并应用，但当时主要局限于机床行业中。随着科学技术的不断完善和发展，以及市场日渐需要短周期交货、低成本高性能产品的发展要求，模块化设计才开始在其他行业应用与发展起来，并日益显示出其巨大的优越性。
2．机械工业中的模块化现状
近年来，工业发达国家竞相开发模块化、系列化的机械工业产品，以最大限度地满足用户需求。开发这种模块化产品的基本原则是以少变应多变，用少量的模块组合成多种产品。国内在某些机械产品上应用模块化原理已初有成效，并开始在其他机械产品开发上应用模块化设计原理。
自升塔式起重机是应用十分广泛的产品之一，它的特征之一就是模块化程度较高。在国外，模块化塔式起重机已经非常成熟，应用十分普遍。例如：波坦公司拥有上回转KOPKIT系列和下回转GTMR等系列的模块化塔机。利勃海尔公司早在20世纪70年代就设计了有关塔机的61种标准化模块，这些模块理论上可组合成41272种不同性能的模块化塔机。美国的卡特彼勒公司和日本小松公司在土方运输机械方面应用了模块化设计方法，推出众多系列的铲土运输机械。美国CAS公司将模块化设计方法应用于小型装载机产品，在发动机功率为13.2～44.11ｋＷ的范围内，发展了30多种基型和变型产品。前苏联莫吉廖夫基洛汽车制造厂，利用模块化系列设计方法，开发了176.5ｋＷ的机械簇系，采用24种模块和非模块组合成19个基型的建筑机械产品等。
在国内，目前在建筑业中所使用的各种自升塔式起重机，也已基本上采用了模块化。例如建设部长沙建 筑机械研究所在40～60ｔ·ｍ级的塔机设计中采用了模块化设计方法，用25个模块，组合成8种模块化塔机，这使得设计周期缩短，塔机的成本降低，与非模块化原同类塔机相比，40ｔ·ｍ级的塔机成本下降了25％左右。而且这些模块化塔机还有许多优点，如塔身不需回转、造型美观、臂长、平衡臂短、起重能力强、自重轻、制造容易、靠自身系统实现安装等。
在减速器、变速器的系列产品开发过程中，也大量应用了模块化结构。如比利时汉森专利模块化减速器系列，其基本模块为45对齿轮副，可组成2000多种传动比。又如国内浙江永嘉无级变速机厂生产的行星磨擦式无级变速箱（MB）系列化产品等。
由于机械产品的部件模块化后可以大量生产并多次重复利用，通过部件模块组合的方法可以在短时间内设计出复杂产品来，从而使企业提高生产效率。这正是近年来工业发达国家飞速发展模块化产品的主要原因。
三、建立机械模块学理论，发展模块化水利机械
用机械模块学理论开发出来的模块化系列产品，是具有很强适应性和灵活性的变型产品，它可以满足用户多样化多层次的需求，且产品设计生产周期短、产量高、成本低，具有很强的市场竞争能力。因此建立机械模块学理论，促进水利机械产品的发展具有重要的意义。
1．有利于水利机械行业的振兴和向高科技产业发展
一方面可通过更换有关的功能模块，使机械产品的功能向柔性化、多样化发展；另一方面便于采用计算机进行过程控制，使产品向自动化、智能化、集成化方向发展，从而使水利机械工业跃入高科技产品行业并得到振兴。
2．模块化机械产品互换性强，便于维修
模块化机械产品是由一些具有互换特性的标准化模块集合而成的，可直接更换模块，大大简化产品的维护和修理，可提高产品的维修速度，节约修理费用，提高效率。
3．模块化机械产品质量高、成本低，能解决多品种、小批量和大批量加工之间的矛盾
在模块化产品中，模块是具有特定功能的标准化部件单元，可安排专人负责设计，并通过对所设计模块进行试验研究，不断完善模块的性能和提高模块的质量，从而提高产品的质量。因为各种模块可集中在专门工厂进行专业化批量加工，可使单件小批量生产变为相当批量的规模生产，传统的以产品为单位组织生产的方式将变为以部件为单位组织生产，解决了多品种小批量和大批量加工之间的矛盾，而且还便于采用先进的加工设备、加工工艺及CAD/CAM等技术，提高生产效率，减少废品率。同时，由于模块化产品的设计周期短，设计成本也大大降低。
4．有利于企业采用先进技术改造旧产品，开发新产品
随着竞争的日益加剧，企业需要不断增强对市场需求的快速应变能力，靠传统的设计与制造方法显然是困难的。利用模块化设计制造方法，可以不断地采用新技术，革新那些在结构上或技术上已经陈旧的模块，并在不改变其他模块的基础上集合成先进的产品，使产品不断保持先进性，从而增强企业对市场变化的适应能力。
5．有利于缩短产品的设计、制造和供货期限
不同用途的机械，是通过相应层次和功能的模块集合而成的，而非各个单一零件的组合装配，因此产品的更新周期短。这是因为：一是在产品的系列化设计时，因系列中存在很多通用模块，设计周期较传统方法的短；二是当进行模块化设计之后，便可采用全部现成模块或添加少量专用模块来集合成用户所要求的品种；三是可以从基型模块化产品，派生出若干变型产品来；四是模块化设计的产品，是按功能模块组织生产的，由于同一层次、同一功能的模块，其加工的木模、工艺流程及工艺装备都是定型的，故产品的制造周期比传统的制造周期要短。因此，产品的短周期设计与制造，导致其供货周期缩短，从而满足市场的要求。
总之，模块化设计具有缩短设计与试制周期、提高质量降低成本、产品更新及维护更简便等诸多优越性，因此模块化设计是产品设计的发展趋势，是值得大力发展的一种产品经营方法。利用机械模块学理论，发展模块化机械产品必将是促进水利机械产品发展的有效方法。
（作者杨诗鸿、盛旭军的单位为水利部综合事业局，杨诗鸿为高级工程师；何小新、吴庆鸣的单位为武汉大学动力与机械学院，何小新为副教授，吴庆鸣为院长、教授、博士生导师。）