汽車輪胎壓裝生產(chǎn)線的物流仿真與優(yōu)化

李琦，王偉鋒，劉春鵬，孔一君

（1.河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451191；2.鄭州煤電物資供銷有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

輪胎是汽車最重要的組成部分，它既要支撐車輛的全部重量承受汽車的負荷，又要保證車輪與路面的附著力，減輕和吸收汽車在行駛時的震動和沖擊力[1]。

傳統(tǒng)第三方汽車物流企業(yè)主要針對倉儲、運輸、配送等業(yè)務(wù)展開，而流通加工業(yè)務(wù)作為新興的供應(yīng)鏈外包業(yè)務(wù)也逐步在各車企展開，汽車輪胎壓裝即是典型的流通加工業(yè)務(wù)。各第三方汽車物流企業(yè)在承接輪胎壓裝業(yè)務(wù)后基本沿用老舊的生產(chǎn)模式，較少投入精細化管理[2]。在實際的壓裝生產(chǎn)線中，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備利用率低、人員待工時間長等問題。采用人工歸納等數(shù)學方法來解決該類問題非常復(fù)雜，對人的邏輯思維能力要求較高；采用計算機仿真的方法，依據(jù)生產(chǎn)線元素和生產(chǎn)過程，設(shè)計出現(xiàn)有輪胎壓裝生產(chǎn)線仿真模型并模擬運行情況，對不合理之處做出相應(yīng)調(diào)整，最終建立合理高效的壓裝生產(chǎn)線生產(chǎn)模式，可實現(xiàn)預(yù)期效果[3-4]。

本文針對某第三方汽車物流企業(yè)在流通加工環(huán)節(jié)，為汽車主機廠提供輪胎壓裝服務(wù)的壓裝生產(chǎn)線現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有的輪胎總成壓裝工藝，通過對現(xiàn)有輪胎壓裝生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集測算，利用生產(chǎn)物流仿真軟件Flexsim對輪胎壓裝生產(chǎn)線進行分析[5]，以生產(chǎn)線平衡、設(shè)備利用率、人員利用率、物流優(yōu)化設(shè)計為理論基礎(chǔ)[6]，對該公司的輪胎壓裝生產(chǎn)線進行仿真優(yōu)化，找出瓶頸工序，以提高該生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，為該企業(yè)提高生產(chǎn)效率，及時滿足主機廠的輪胎需求提供借鑒[7]。

2 輪胎壓裝生產(chǎn)線工藝流程及布局

2.1 輪胎壓裝生產(chǎn)線工藝流程

輪胎壓裝生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示[8]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，采用秒表測時法，取各工序?qū)嶋H作業(yè)時間的平均值為各工序時間值，得到輪胎壓裝生產(chǎn)線工序統(tǒng)計表（表1）[9]。

圖1 輪胎壓裝生產(chǎn)線工藝流程圖

表1 輪胎壓裝生產(chǎn)線工序統(tǒng)計表

2.2 輪胎壓裝生產(chǎn)線分析

該輪胎壓裝生產(chǎn)線主要針對三種車型所需輪胎進行壓裝，每天工作時間為8h，計劃每天壓裝輪胎500條，每年可配套完成大約15萬條輪胎壓裝。

2.2.1 生產(chǎn)節(jié)拍。合適的生產(chǎn)節(jié)拍[10]可以保證各個工序按統(tǒng)一的速度生產(chǎn)加工出零件、半成品和成品，達到生產(chǎn)的同步化。生產(chǎn)節(jié)拍CT計算公式為：

式中：CT為生產(chǎn)節(jié)拍；Tw為總工作時間；Q為總產(chǎn)量。

目前所設(shè)計的輪胎壓裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍CT為：

2.2.2 生產(chǎn)線平衡率。采用生產(chǎn)線平衡率來平衡工藝流程中各個工位節(jié)拍的符合度，以評判生產(chǎn)過程中工序的作業(yè)效率[11]。

式中：P為生產(chǎn)線平衡率；tj為第j個工序的作業(yè)時間，j=1,2,…,J,J為總工序數(shù)；max(tj)為工藝路線中耗時最長的工序作業(yè)時間。

將表1數(shù)據(jù)代入式（2），得輪胎壓裝生產(chǎn)線平衡率P為：

3 建模與仿真

3.1 模型的假設(shè)與構(gòu)建

輪胎壓裝生產(chǎn)車間屬離散型生產(chǎn)車間，對于復(fù)雜生產(chǎn)物流建模無法完全展現(xiàn)實際情況，因此對本生產(chǎn)線模型做出如下假設(shè)[12]。

（1）處理器（Processor）模擬復(fù)雜的操作，時間參數(shù)按照實際測算的操作時間設(shè)置。所有設(shè)備準備時間(setup time)為零，各加工設(shè)備的生產(chǎn)時間獨立。

（2）每個工序完成后立即進入下一道工序，忽略產(chǎn)品在各個工序間搬運的時間。

（3）所有加工設(shè)備均完全可靠，不考慮發(fā)生故障情況，即設(shè)備故障率為0。

（4）輪胎壓裝所需各種零部件由生成器生成，不存在缺料現(xiàn)象。

（5）本文主要研究車間的生產(chǎn)物流，次品的處理步驟復(fù)雜且不會影響生產(chǎn)物流，因此假設(shè)生產(chǎn)過程中不良率為零。

（6）員工中間會有休息時間，鑒于生產(chǎn)線不存在預(yù)熱時間，以及便于仿真模擬，這里假設(shè)車間實行8h（28 800s）不間斷工作制。

3.2 模型的構(gòu)建

根據(jù)各工序?qū)嶋H情況，對照實體設(shè)備與Flexsim實體庫仿真對象關(guān)系表（表2），從實體庫中選擇對應(yīng)的實體對象，拖動到適當位置，建立連線，并根據(jù)實際情況（表1）對各個實體的屬性及參數(shù)進行設(shè)置，得到輪胎壓裝生產(chǎn)線建模實體圖[13]（如圖2）。

表2 實體設(shè)備與Flexsim實體庫仿真對象關(guān)系表

圖2 輪胎壓裝生產(chǎn)線仿真模型布局

3.3 仿真結(jié)果分析

在Flexsim中建立好圖2所示模型后，點擊系統(tǒng)控制臺中的運行按鈕，模型運行28 800s后停止，觀察仿真運行效果。利用Flexsim數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，對仿真結(jié)果進行分析，找出壓裝生產(chǎn)線存在的問題。

（1）導出壓裝生產(chǎn)線上主要設(shè)備的利用率餅狀圖，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)設(shè)備利用率相差很多，其中，兩臺輪胎壓裝機的利用率最高，分別為95.2%、94%，可見OP40輪胎壓裝工序為瓶頸工序，需要改善；

（2）壓裝生產(chǎn)線有一些設(shè)備利用率不高，打點機和充氣機的利用率均不足20%，可見工序30手補打點、工序50輪胎充氣設(shè)備閑置時間占比過大，造成后續(xù)工序出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，在制品的過量堆積會占用很大的空間，從而所需的花費是浪費的，可見壓裝生產(chǎn)線存在嚴重的不平衡；

（3）導出工人利用率統(tǒng)計圖，如圖4所示。由圖中可以看出工人利用率均不高，平均值僅為20.8%，空閑時間較長，存在人員冗余現(xiàn)象。

圖3 主要設(shè)備利用率統(tǒng)計圖

圖4 工人工作負荷率統(tǒng)計圖

4 壓裝生產(chǎn)線優(yōu)化

針對壓裝生產(chǎn)線目前所存在的問題，確定優(yōu)化目標，結(jié)合壓裝生產(chǎn)線實際情況，做出優(yōu)化方案[14]（壓裝生產(chǎn)線已投產(chǎn)多年，工藝路線和布局已經(jīng)規(guī)劃好，不便更改）。

（1）通過增加壓裝機的數(shù)量降低該工站節(jié)拍以提升整條生產(chǎn)線的平衡率，同時還能緩解待檢時暫存區(qū)成品貨物過度堆積的狀況，故只需增加一臺壓裝機即可縮短工站間節(jié)拍的差距，有助于平衡率的提升[15]。

（2）將工序10A、輪胎尺寸確認與工序20A輪胎上線合并為一個工序10A，即在輪胎上線過程中完成尺寸的確認復(fù)核工作，由此縮減工序數(shù)，使節(jié)拍更為緊湊，提升生產(chǎn)線平衡率。

（3）輪胎檢測、充氣工位勞動強度較低，分別將之前操作員2、操作員3替換為1名熟練操作員，命名為操作員02，將操作員7、操作員8替換為1名熟練操作員，命名為操作員07；動平衡過后，需要將輪胎搬至托盤碼放，輪胎一般在20-30kg，勞動強度較大，同時在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)該工位人員流動性較大，從長遠節(jié)約人工成本及提高作業(yè)效率出發(fā)，決定將該工位處操作員10、操作員11替換為工業(yè)機器人。優(yōu)化后，壓裝生產(chǎn)線操作員精簡為7名[16]。

根據(jù)以上優(yōu)化措施，制定出新的工序時間表，見表3。

表3 優(yōu)化后工序時間表

依據(jù)以上優(yōu)化措施，在原模型新增或替換掉對應(yīng)實體，并修改相應(yīng)實體的參數(shù)，保存，重新運行模型，觀察優(yōu)化效果。

5 優(yōu)化前后對比

5.1 設(shè)備利用率

優(yōu)化后，輪胎壓裝生產(chǎn)線各主要設(shè)備的利用率均達52%以上，設(shè)備利用率獲得顯著提高，如圖5所示。

5.2 生產(chǎn)線平衡率

圖5 優(yōu)化后主要設(shè)備利用率統(tǒng)計圖

5.3 工人工作負荷率

優(yōu)化后工人工作負荷率統(tǒng)計如圖6所示。經(jīng)過優(yōu)化，各主要工位工人工作負荷率均有較大幅度極高，最低為74.4%，最高為96.4%，平均值達82.7%，有效的解決了優(yōu)化前工人空閑時間較多的問題，提高了生產(chǎn)效率[18]。

圖6 優(yōu)化后工人負荷利用率

5.4 周期時間

通過優(yōu)化，輪胎壓裝生產(chǎn)線的周期時間由216s降低至201s，一點程度上增強了生產(chǎn)效率，提高輪胎產(chǎn)量。

6 總結(jié)

本文針對第三方汽車物流企業(yè)流通加工業(yè)務(wù)中的輪胎壓裝生產(chǎn)線展開分析研究，利用Flexsim軟件對壓裝生產(chǎn)線建模，從全局的角度對整條壓裝生產(chǎn)線進行物流仿真，發(fā)現(xiàn)其不合理之處，優(yōu)化壓裝生產(chǎn)線工藝流程，在一定程度上達到了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的，可為第三方汽車物流企業(yè)的實際生產(chǎn)運營提供參考。