王　強(qiáng)

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局　機(jī)務(wù)部， 北京 100844)

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專題研究

基于Plant Simulation的機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置組裝線仿真及優(yōu)化研究

王強(qiáng)

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局機(jī)務(wù)部， 北京 100844)

機(jī)車的驅(qū)動(dòng)裝置的組裝是機(jī)車制造和大修生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，通常是制約產(chǎn)量的瓶頸環(huán)節(jié)。在既有廠房空間限制之下，利用離散事件系統(tǒng)仿真方法，借助于Plant Simulation軟件工具，對(duì)組裝線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模和優(yōu)化，找到符合績效期望的工裝臺(tái)位設(shè)置改進(jìn)措施，可以為企業(yè)開展工藝布局的改進(jìn)調(diào)整提供有效的決策依據(jù)。本文基于一個(gè)實(shí)例對(duì)上述過程進(jìn)行了完整的介紹。

Plant Simulation； 機(jī)車； 驅(qū)動(dòng)裝置； 離散事件； 系統(tǒng)仿真

在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的支持下，系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種工程和非工程領(lǐng)域。特別是在制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、維護(hù)等方面發(fā)揮了提高效率、節(jié)約成本、提升質(zhì)量等重要作用。其中，針對(duì)工廠車間生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，國內(nèi)外已發(fā)展出很多較為成熟的仿真系統(tǒng)，Plant Simulation是Tecnomatix開發(fā)的面向?qū)ο蟮募苫瘜哟位到y(tǒng)建模和仿真軟件平臺(tái)，適用于對(duì)生產(chǎn)設(shè)施、工藝布局、物流配送等過程的仿真分析和優(yōu)化。

圖1　機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置(半懸掛)主要部件構(gòu)成

隨著十幾年的技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)，我國鐵路機(jī)車制造及大修技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，裝備水平和工藝能力都能夠滿足高性能產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，但對(duì)于輪軸驅(qū)動(dòng)裝置等一些較復(fù)雜的關(guān)鍵系統(tǒng)的組裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，面對(duì)計(jì)劃安排的不均衡性和返修需求的不確定性時(shí)，也暴露出生產(chǎn)線產(chǎn)能的不足。在既有生產(chǎn)廠房空間和主要設(shè)施條件下，借助于現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)來找到工藝布局和工裝臺(tái)位優(yōu)化方案，達(dá)到既滿足產(chǎn)能需求，又控制成本投入的目標(biāo)，是一種有效的解決途徑和應(yīng)對(duì)需求變化的能力儲(chǔ)備。

以某機(jī)車制造企業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置組裝線為例，針對(duì)產(chǎn)能提升的需求目標(biāo)，利用離散系統(tǒng)仿真方法，基于Plant Simulation軟件工具，研究提出工藝優(yōu)化的建議方案。

1　項(xiàng)目描述及績效目標(biāo)

機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置(見圖1)是機(jī)車的重要部件，其組裝是機(jī)車制造過程中的關(guān)鍵工序，往往是機(jī)車制造的瓶頸環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)能力決定了整車的生產(chǎn)和大修能力。

某公司驅(qū)動(dòng)裝置組裝生產(chǎn)在一個(gè)單獨(dú)的車間內(nèi)全部完成。既有系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)能力為新造加返修約23臺(tái)/月，產(chǎn)量記錄(某半年)見表1。為了滿足集中訂單的交貨期要求，經(jīng)分析必須提高到新造35臺(tái)/月，同時(shí)滿足不定期的返修生產(chǎn)要求。機(jī)車的驅(qū)動(dòng)裝置主要由車軸、大齒輪、小齒輪、齒輪箱、報(bào)軸箱、牽引電機(jī)等部件組成。其組裝的工藝流程見圖2，主要工序和臺(tái)位設(shè)置見表2。

表1　某年上半年驅(qū)動(dòng)裝置生產(chǎn)完成記錄

2　現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集整理

2.1主要工序的平均加工時(shí)間

根據(jù)工廠的工時(shí)定額分析數(shù)據(jù)，得到各工序平均加工時(shí)間見表3。

圖2　某公司機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置組裝工藝流程圖

序號(hào)工裝名稱數(shù)量用途1清洗機(jī)1除車軸外所有零件清洗2大齒輪壓裝機(jī)1大齒輪與車軸安裝3抱軸箱組裝臺(tái)12抱軸箱裝配,軸承內(nèi)圈,密封圈采用熱裝,在此工作臺(tái)冷卻3h后進(jìn)行測量軸承間隙,所以需要較多的工作臺(tái)保持均衡生產(chǎn)。4小齒輪壓裝臺(tái)1用于小齒輪壓裝在電機(jī)軸上5電機(jī)安裝臺(tái)1用于電機(jī)與抱軸箱(含車軸、大齒輪)安裝。6齒輪箱裝配臺(tái)架12用于齒輪箱的安裝和安裝后的臨時(shí)存放。7返修臺(tái)1用于返修驅(qū)動(dòng)裝置的定置修理。8例行試驗(yàn)臺(tái)3用于驅(qū)動(dòng)裝置例行試驗(yàn),主要檢測軸承溫度、振動(dòng)、扭矩參數(shù)。9待噴漆臺(tái)20用于試驗(yàn)完成的驅(qū)動(dòng)裝置存放,待噴漆。10噴漆房2在組裝后實(shí)行整體油漆,烘干。11吊車3分配如下:大齒輪壓裝和抱軸箱組裝1臺(tái),電機(jī)安裝與齒輪箱安裝1臺(tái),油漆和發(fā)運(yùn)1臺(tái)。

表3　工序平均加工時(shí)間(具體內(nèi)容略)

2.2噴漆工序的實(shí)際加工時(shí)間采集

對(duì)于現(xiàn)場觀察認(rèn)為的瓶頸工序——噴漆的實(shí)際加工時(shí)間的歷史記錄進(jìn)行的采集，篩選整理了50組數(shù)據(jù)見表4。

2.3返修到達(dá)記錄

為了分析返修到達(dá)的情況，查詢車間的臺(tái)賬并得到了一組返修到達(dá)的記錄整理數(shù)據(jù)見表5。

3　輸入數(shù)據(jù)分析

3.1部件到達(dá)

根據(jù)工廠的實(shí)際情況，因驅(qū)動(dòng)裝置組裝是整個(gè)生產(chǎn)的瓶頸環(huán)節(jié)，所以工廠的生產(chǎn)管理保障了所需的部件無延遲供應(yīng)，車軸、大齒輪、抱軸箱、電機(jī)、小齒輪、齒輪箱等部件的到達(dá)可以認(rèn)為是時(shí)間間隔為常數(shù)的連續(xù)到達(dá)。

3.2返修到達(dá)

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行如下分析：

(1)評(píng)估數(shù)據(jù)的獨(dú)立性：進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，繪制到達(dá)間隔的散點(diǎn)圖如圖3，同時(shí)計(jì)算其相關(guān)性系數(shù)為0.018，據(jù)此可判斷數(shù)據(jù)無強(qiáng)相關(guān)性。

表4　噴漆時(shí)間記錄　h

表5　返修到達(dá)時(shí)間間隔　h

圖3　驅(qū)動(dòng)裝置返修到達(dá)時(shí)間間隔記錄的散點(diǎn)圖

(2)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：返修到達(dá)時(shí)間間隔記錄的點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表6。從數(shù)據(jù)看，變異系數(shù)cv=0.947接近于1，偏度1.29>0為右偏，傾向于指數(shù)分布。

表6　返修到達(dá)間隔時(shí)間的點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

3.3噴漆加工時(shí)間

根據(jù)表4的記錄進(jìn)行如下分析：

(1)評(píng)估數(shù)據(jù)的獨(dú)立性：進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，繪制加工時(shí)間的散點(diǎn)圖如圖4，同時(shí)計(jì)算其相關(guān)性系數(shù)為0.011，據(jù)此可判斷數(shù)據(jù)無強(qiáng)相關(guān)性。

(2)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：噴漆加工時(shí)間記錄的點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表7。從數(shù)據(jù)看，變異系數(shù)cv=0.06接近于0，偏度-0.267接近于0，傾向于對(duì)稱分布。

圖4　噴漆加工時(shí)間記錄的散點(diǎn)圖

參數(shù)數(shù)值樣本數(shù)50最小值2.99最大值3.95平均值3.5206標(biāo)準(zhǔn)差0.193817方差0.037565偏度-0.26628變異系數(shù)0.055052

圖5　噴漆加工時(shí)間記錄的正態(tài)檢驗(yàn)

4　系統(tǒng)仿真模型的建立

4.1系統(tǒng)模型

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和輸入數(shù)據(jù)的分析，應(yīng)用Plant Simulation 9 軟件建立系統(tǒng)的模型，首先建立現(xiàn)場模型，2D模型如圖6所示。

圖6　Plant Simulation 9現(xiàn)場模型(2D)

4.2模型的參數(shù)和控制說明

(1)部件到達(dá)

車軸、大齒輪、抱軸箱、電機(jī)、小齒輪、齒輪箱等均以時(shí)間間隔為常數(shù)(1 h)的連續(xù)到達(dá)。

(2)返修到達(dá)

以β=15的負(fù)指數(shù)分布到達(dá)。

(3)加工時(shí)間

各主要臺(tái)位(除噴漆外)處理時(shí)間設(shè)為常數(shù)(見表3)，噴漆工序處理時(shí)間按照μ=3.5,σ=0.19的正態(tài)分布。

(4)吊車控制

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，主要部件的車間內(nèi)搬運(yùn)由3臺(tái)吊車完成，3臺(tái)吊車的任務(wù)分配見表8。吊車的控制在模型中通過SimTalk編程實(shí)現(xiàn)。

5　仿真試驗(yàn)(既有現(xiàn)場模型)及其輸出分析

5.1仿真試驗(yàn)設(shè)置

非終止型仿真；仿真時(shí)間按照仿真運(yùn)行時(shí)間為6個(gè)月、每天為一班制(8 h)、總1 440 h設(shè)定；另設(shè)置預(yù)熱期為120 h；重復(fù)運(yùn)行5次。

表8　吊車任務(wù)分配

表9　仿真運(yùn)行試驗(yàn)(現(xiàn)場模型)——生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)

5.2輸出分析

(1)輸出數(shù)據(jù)匯總整理見表9和表10。

(2)仿真模型的校驗(yàn)：從仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，其月產(chǎn)量與表1的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(按照6個(gè)/臺(tái)計(jì)算)基本相符，可認(rèn)為仿真模型符合現(xiàn)場實(shí)際情況。

(3)瓶頸分析：從仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的工序過程數(shù)據(jù)分析，此時(shí)限制產(chǎn)量的瓶頸工序?yàn)閲娖崤_(tái)，2個(gè)噴漆臺(tái)的平均利用率達(dá)到99.01%，而20個(gè)待噴漆臺(tái)的堵塞率達(dá)到99.67%。

(4)改進(jìn)方案1：增加1個(gè)噴漆臺(tái)。

6　仿真試驗(yàn)(改進(jìn)方案1模型)及其輸出分析

6.1模型更新及仿真試驗(yàn)設(shè)置

在模型中增加1個(gè)噴漆臺(tái)并修改相應(yīng)程序代碼(見圖7)，仿真試驗(yàn)設(shè)置不變。

表10　仿真運(yùn)行試驗(yàn)(現(xiàn)場模型)——工序過程數(shù)據(jù)　%

圖7　Plant Simulation 9改進(jìn)方案1模型

6.2輸出分析

(1)輸出數(shù)據(jù)匯總整理見表11和表12。

(2)績效改進(jìn)評(píng)估：從仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，其中月產(chǎn)量改進(jìn)到30.7臺(tái)，但仍低于期望產(chǎn)量35臺(tái)，需進(jìn)一步改進(jìn)。

(3)瓶頸分析：從仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的工序過程數(shù)據(jù)分析，此時(shí)3個(gè)噴漆臺(tái)的平均利用率仍達(dá)到98.43%，仍為瓶頸工序。20個(gè)待噴漆臺(tái)的堵塞率降低到85.62%。同時(shí)，3個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的平均利用率上升到90.84%，將成為另一個(gè)瓶頸環(huán)節(jié)。

(4)改進(jìn)方案2：再增加1個(gè)噴漆臺(tái)和1個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。

7　仿真試驗(yàn)(改進(jìn)方案2模型)及其輸出分析

7.1模型更新及仿真試驗(yàn)設(shè)置

在方案1模型中增加1個(gè)噴漆臺(tái)和1個(gè)試驗(yàn)臺(tái)并修改相應(yīng)程序代碼(見圖8)，仿真試驗(yàn)設(shè)置不變。

7.2輸出分析

(1)輸出數(shù)據(jù)匯總整理見表13和表14。

表11　仿真運(yùn)行試驗(yàn)(方案1)——生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表12　仿真運(yùn)行試驗(yàn)(方案1)--工序過程部分?jǐn)?shù)據(jù)　%

圖8　Plant Simulation 9改進(jìn)方案2模型

月產(chǎn)量試驗(yàn)1試驗(yàn)2試驗(yàn)3試驗(yàn)4試驗(yàn)5平均月產(chǎn)量(新造)216216213216216215月產(chǎn)量(返修)171715181917返修完成百分比100.099.04100.099.06100.099.62

表14　仿真運(yùn)行試驗(yàn)(方案2)——工序過程部分?jǐn)?shù)據(jù)　%

(2)績效改進(jìn)評(píng)估：從仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，其中月產(chǎn)量改進(jìn)到35.8臺(tái)，大于期望產(chǎn)量35臺(tái)，且返修的完成比例達(dá)到99.62%，所以該改進(jìn)方案可以滿足新的生產(chǎn)能力要求。

(3)方案優(yōu)化分析：按照方案2可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，方法是增加1個(gè)試驗(yàn)臺(tái)和2個(gè)噴漆房，在現(xiàn)有車間工藝布局下將受到空間的限制。進(jìn)一步分析仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的工序過程數(shù)據(jù)，此時(shí)12個(gè)抱軸箱組裝臺(tái)的平均利用率僅達(dá)到37.46%，12個(gè)齒輪箱組裝臺(tái)的平均利用率僅達(dá)到6.74%，所以存在減少上述幾種臺(tái)位以便騰出空間用于增加試驗(yàn)臺(tái)和噴漆臺(tái)的可能。

(4)改進(jìn)方案3：減少抱軸箱組裝臺(tái)、齒輪箱組裝臺(tái)的數(shù)量。以抱軸箱組裝臺(tái)為例進(jìn)行數(shù)量的計(jì)算如下：

從方案2的仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)中得到12個(gè)抱軸箱組裝臺(tái)的部件總到達(dá)數(shù)量為1 296個(gè)，則可計(jì)算其平均到達(dá)速率為

λ=1 296/1 440=0.9(件/h)

抱軸箱組裝臺(tái)的加工時(shí)間為常數(shù)5 h，即加工速率為：

則理論上所需的抱軸箱組裝臺(tái)數(shù)量為：

考慮到生產(chǎn)線應(yīng)留有裕度和生產(chǎn)啟動(dòng)過程中的需要，確定改進(jìn)方案3為將抱軸箱組裝臺(tái)和齒輪箱組裝臺(tái)各減少到6個(gè)。

8　仿真試驗(yàn)(改進(jìn)方案3模型)及其輸出分析

8.1模型更新及仿真試驗(yàn)設(shè)置

在方案2模型中減少6個(gè)抱軸箱組裝臺(tái)和6個(gè)齒輪箱組裝臺(tái)并修改相應(yīng)程序代碼(見圖9)，仿真試驗(yàn)設(shè)置不變。

8.2輸出分析

(1)輸出數(shù)據(jù)匯總整理見表15和表16。

圖9　Plant Simulation 9改進(jìn)方案3模型

月產(chǎn)量試驗(yàn)1試驗(yàn)2試驗(yàn)3試驗(yàn)4試驗(yàn)5平均月產(chǎn)量(新造)211216210210210211月產(chǎn)量(返修)161618191416返修完成百分比100.0100.0100.0100.0100.0100.0

表16　仿真運(yùn)行試驗(yàn)(方案3)——工序過程部分?jǐn)?shù)據(jù)　%

(2)績效改進(jìn)評(píng)估：從仿真運(yùn)行試驗(yàn)輸出的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，在保證月產(chǎn)量的改進(jìn)(35.2臺(tái))與方案2基本相當(dāng)并大于期望產(chǎn)量35臺(tái)的情況下，可節(jié)省大量空間用于生產(chǎn)布局的優(yōu)化調(diào)整。

9　機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置組裝生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真結(jié)論

采用改進(jìn)方案3既能夠滿足生產(chǎn)績效要求，又具有工程可實(shí)施性，為推薦方案。當(dāng)然，基于上述過程，結(jié)合現(xiàn)場需要還可以提出和模擬其他方案。

10　結(jié)束語

通過機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置組裝線工藝布局優(yōu)化的實(shí)例，發(fā)揮系統(tǒng)仿真方法和Plant Simulation平臺(tái)的強(qiáng)大功能優(yōu)勢，本文研究內(nèi)容充分顯現(xiàn)出過程清晰、結(jié)果明確的特點(diǎn)，為機(jī)車制造和大修生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有益的參考手段。

[1]熊光楞，王昕.仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),1999,11(3):145-151.

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Research on Simulation and Optimization of Locomotive Driving Unit Assembly Line Based on Plant Simulation

WANGQiang

(Locomotive Department ,Transportation Bureau of China Railway, Beijing 100844, China)

Assembly of locomotive driving unit is the critical process of locomotive manufacturing and overhaul, it is the bottleneck link for production volume. Limited by existing workshop space, the expected improvement could be developed based on discrete system simulation method through data analysis, system modeling and optimization，assisted by Plant Simulation software tool. As a decision-making basis, the output of the simulation will be effective for process layout improvement of facilities. This paper will entirely introduce above procedure through a practice example.

plant simulation; locomotive; driving unit; discrete event; system simulation

1008-7842 (2016) 03-0016-08

男，高級(jí)工程師(

2016-03-24)

U260.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.04