輪軸檢修工藝布局優(yōu)化

李紅宇

摘 ?要：該文在輪軸檢修線擴(kuò)能改造前，擬定了輪軸二、三級(jí)修工藝布局方案，并運(yùn)用Plant Simulation軟件對(duì)2個(gè)檢修工藝布局方案進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。找到了影響生產(chǎn)線平衡的因素并進(jìn)行了多因子兩水平、多因子多水平試驗(yàn)，優(yōu)化了緩存區(qū)設(shè)置及瓶頸工序工藝，最終獲得了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：輪軸檢修線;Plant Simulation仿真軟件;工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U279.3 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 背景

隨著國(guó)家推進(jìn)“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略及地方社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，鐵路運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，這對(duì)鐵路車(chē)輛的檢修能力提出了更高的要求。在該背景下某鐵路貨車(chē)檢修企業(yè)車(chē)輛輪軸檢修線需要進(jìn)行擴(kuò)能改造，如果前期規(guī)劃不合理，在擴(kuò)能改造過(guò)程中反復(fù)的調(diào)整設(shè)備位置，會(huì)導(dǎo)致大量人、財(cái)、物損失，特別是會(huì)對(duì)新購(gòu)的設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此對(duì)擬定的輪軸二、三級(jí)修工藝布局方案，先采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化后，再付諸實(shí)施。

1 方案一建模分析

1.1 建立模型

1.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

方案一共計(jì)19個(gè)工位，與原工藝一致的工位，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)際測(cè)算得出檢修時(shí)間。通過(guò)新購(gòu)設(shè)備改進(jìn)后的工位，根據(jù)廠家提供的資料以及走訪使用設(shè)備的兄弟單位得出檢修時(shí)間。

1.1.2 建立模型

由于輪軸二、三級(jí)修是按照固定的檢修技術(shù)規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)組織的，具有一個(gè)流生產(chǎn)的特征，因此設(shè)備布局宜采用產(chǎn)品原則布置，并將收入和支出工位設(shè)置在同側(cè)，據(jù)此提出輪軸二、三級(jí)修方案一。

1.2 仿真運(yùn)行分析

以一個(gè)工作日8 h來(lái)對(duì)單條輪軸檢修線的日檢修能力進(jìn)行仿真，仿真運(yùn)行結(jié)束后，查看物料終結(jié)統(tǒng)計(jì)信息，單條輪軸檢修線日檢修量為21對(duì)/日，按近期到2022年段修達(dá)到32輛/日計(jì)算，加上站修用輪15對(duì)/日，輪軸檢修能力應(yīng)達(dá)到143對(duì)/日。按方案一檢修線產(chǎn)能計(jì)算，需要設(shè)置近7條檢修線才能滿足需要，現(xiàn)有的產(chǎn)地與人員配置明顯不符合改造要求。需要分析在滿足TG/CL224—2016版《貨輪規(guī)》要求的前提下，進(jìn)一步對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)工具欄中的圖標(biāo)工具得到各工位資源統(tǒng)計(jì)信息。工位工作時(shí)間M101（收入鑒定）為13.75%、M102（輻板孔打磨）為13.33%、M103（自動(dòng)測(cè)量）為25.83%、M104（軸承診斷）為12.50、M105（軸承開(kāi)蓋）為12.08%、M106（軸承退卸）為11.67%、M 107（輪對(duì)除銹）為16.88%、M108（磁探）為16.25%、M109（微超）為26.04%、M110（人工超探）為20.00%、M111（輪對(duì)鏇修）為93.96%、M112（軸承選配）為33.33%、M113（軸承壓裝）為10.42%、M114（刻標(biāo)志）為9.17%、M115（關(guān)蓋）為9.17%、M116（磨合實(shí)驗(yàn)）為20.63%、M117（涂漆）為9.17%、M118（修竣測(cè)量檢查）為17.60%、M119（存放）為21.88%。

2 方案一工藝優(yōu)化

2.1 車(chē)輪鏇修工藝優(yōu)化

針對(duì)方案一仿真運(yùn)行的分析，M111工位為輪對(duì)鏇修，需使用數(shù)控車(chē)輪車(chē)床對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行鏇修。平均每對(duì)車(chē)輪加工需要20 min ，M111工位工作時(shí)間高達(dá)93.96%，為整個(gè)輪軸檢修線的瓶頸工序，由于其堵塞嚴(yán)重，因此對(duì)其工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)成了提高產(chǎn)能的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后加工時(shí)間從20 min/對(duì)降至10 min/對(duì)，同時(shí)為了改善檢修線的平衡增加了一臺(tái)數(shù)控車(chē)輪車(chē)床。

2.2 耗時(shí)較長(zhǎng)工序分析優(yōu)化

根據(jù)模型仿真結(jié)果，除去車(chē)輪鏇修工位其余工作時(shí)間超過(guò)20%的工位包括M103為25.83%、M109為26.04%、M110為20.00%、M112為33.33%、M116為20.63%、M119為21.88%。在對(duì)這6個(gè)工序進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)主要有2種情況。1）按照最新的《鐵路貨車(chē)輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》工序內(nèi)容無(wú)法再進(jìn)行簡(jiǎn)化的如：M109、M110分別是輪對(duì)微機(jī)控制超聲波及人工超聲波探傷，需要對(duì)輪軸進(jìn)行全軸穿透和軸頸根部（卸荷槽）手工超聲波復(fù)探，以及需要對(duì)輪對(duì)進(jìn)行全軸穿透手工超聲波復(fù)探。M116為磨合實(shí)驗(yàn)，要求軸承須進(jìn)行轉(zhuǎn)速不低于200 r/min，時(shí)間不少于5min的磨合測(cè)試[1]。2）通過(guò)更新檢修設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化檢修，時(shí)間已沒(méi)有壓縮空間了。

只有考慮在這些工位前增加檢修緩存區(qū)，以此來(lái)減小對(duì)后續(xù)工位的堵塞，然而由于車(chē)間物理空間有限，緩存區(qū)又會(huì)增加在制品的數(shù)量，所以需要對(duì)緩沖區(qū)設(shè)置的位置及容量進(jìn)行研究。

3 方案二建模分析

根據(jù)方案一的仿真結(jié)果分析，提出了對(duì)部分工藝的優(yōu)化。為了檢驗(yàn)優(yōu)化后的輪軸檢修線是否能滿足需求，并找出檢修線中緩沖區(qū)設(shè)置的最佳方案，利用Plant Simulation仿真軟件建立輪軸二、三級(jí)修工藝布局方案二。

3.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集包括2個(gè)方面的內(nèi)容。1）通過(guò)對(duì)部分檢修工藝進(jìn)行優(yōu)化，壓縮了工序檢修時(shí)間。2）方案二單線設(shè)備為輪對(duì)自動(dòng)測(cè)量機(jī)1臺(tái)、軸承診斷儀1臺(tái)、雙頭軸承退卸機(jī)1臺(tái)、輪對(duì)除銹沖洗機(jī)1臺(tái)、輪對(duì)熒光磁粉探傷機(jī)1臺(tái)、微控超聲波自動(dòng)探傷機(jī)1臺(tái)、超探滾輪器1臺(tái)、多通道超聲波探傷儀1臺(tái)、數(shù)控車(chē)輪車(chē)床2臺(tái)、軸承智能庫(kù)1套、軸承壓裝機(jī)1臺(tái)和軸承標(biāo)志牌打號(hào)機(jī)1臺(tái)、雙輪軸磨合機(jī)1臺(tái)。

3.2 模型建立

建模思路如下：為了找到輪軸檢修線緩存區(qū)設(shè)置的最佳方案，在模型中建立2條檢修線分別為L(zhǎng)ine1和Line2，假設(shè)Line1為理想狀態(tài)下的檢修線，即設(shè)備無(wú)故障、加工時(shí)間為常數(shù)、無(wú)其他波動(dòng)。Line2的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）可以簡(jiǎn)單的用設(shè)備可用率表示，設(shè)為95%、加工時(shí)間符合正態(tài)分布。用Line2和Line1的產(chǎn)量比值作為L(zhǎng)ine2檢修線的產(chǎn)出率，利用Plant Simulation中的實(shí)驗(yàn)管理工具，觀察因子實(shí)驗(yàn)研究緩存區(qū)設(shè)置與產(chǎn)出率間的關(guān)系。

3.3 運(yùn)行仿真

3.3.1 檢修量統(tǒng)計(jì)

方案二單線檢修輪對(duì)量由方案一的21對(duì)/日提高到了72對(duì)/日，如果設(shè)置3條這樣的輪軸檢修線，產(chǎn)量可以達(dá)到216對(duì)/日，既能滿足近期143對(duì)/日的需求也能滿足遠(yuǎn)期209對(duì)/日的檢修需求。

3.3.2 生產(chǎn)線平衡情況

方案二各工位的資源信息統(tǒng)計(jì)如下：工位工作時(shí)間M1011（收入鑒定）為47.10%、M1021（輻板孔打磨）為46.71%、M1031（自動(dòng)測(cè)量）為57.83%、M1041（軸承診斷）為45.75%、M1051（軸承開(kāi)蓋）為45.40%、M1061（軸承退卸）為44.66%、M1071（輪對(duì)除銹）為66.72%、M1081（磁探）為66.11%、M1091（微超）為82.01%、M1101（人工超探）為81.17%、M1111（輪對(duì)鏇修）為77.37%、M1121（軸承選配）為61.08%、M1131（軸承壓裝）為59.45%、M1141（刻標(biāo)志）為35.42%、M1151（關(guān)蓋）為35.19%、M1161（磨合實(shí)驗(yàn)）為52.55%、M1171（涂漆）為34.82%、M1181（修竣測(cè)量檢查）為67.74%、M1191（存放）為80.06%。

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，方案二檢修線平衡率較方案一相比有了明顯的改善，由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)檢修工藝有較為嚴(yán)格及詳細(xì)的規(guī)定，所以工藝優(yōu)化改進(jìn)的空間不大。因此應(yīng)通過(guò)合理地設(shè)置緩存區(qū)減少工位間的堵塞，盡可能地提高產(chǎn)出率。

4 緩存區(qū)設(shè)置

在仿真模型檢修線Line2中，選取工作時(shí)間較長(zhǎng)的M1031、M1091、M1101、M1121、M1161、M1191 ?6個(gè)工位前增加Buffer對(duì)象。使用Plant Simulation軟件中的Experiment對(duì)象，在方案二模型中進(jìn)行析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行多因素兩水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，找到影響指標(biāo)的主要因子及交互作用，其次進(jìn)行主要因子的多水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，找到最佳緩存區(qū)設(shè)置方案。

4.1 26因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)指標(biāo)確定為L(zhǎng)ine2檢修線的產(chǎn)出率，影響因子為6個(gè)瓶頸工位前緩存區(qū)的容量，重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)設(shè)為5次，置信水平為95。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完成后，在Experiment對(duì)象中選擇兩水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，假設(shè)6個(gè)因素高低水平均為2和8。系統(tǒng)將進(jìn)行64次配比，每次配比作5次重復(fù)試驗(yàn)，共計(jì)320次。運(yùn)行試驗(yàn)后將得到試驗(yàn)結(jié)果，查看因子分析表。其給出了析因涉及的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)H1=1.886、H2=0、H3=2.942、H4=1.716、H5=1.646、H6=0.357，它們分別是各因子的主效應(yīng)，這個(gè)值的絕對(duì)值越大，說(shuō)明該因子對(duì)結(jié)果的影響越大。我們可以看出緩存區(qū)3容量的大小對(duì)檢修線的產(chǎn)出率影響最大，緩存區(qū)6容量對(duì)產(chǎn)出率的影響最小，緩存區(qū)2的設(shè)置是沒(méi)有必要的。

4.2 多因子多水平因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)兩水平試驗(yàn)結(jié)果，選取對(duì)產(chǎn)出率影響較高的緩存區(qū)1、3、4、5容量作為4個(gè)輸入變量進(jìn)行配比試驗(yàn)。在Experiment對(duì)象中選擇多水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，假設(shè)4個(gè)緩存區(qū)的容量大小從2變化到12并且每次遞增2。

運(yùn)行仿真試驗(yàn)，得到緩存區(qū)多水平試驗(yàn)結(jié)果，打開(kāi)試驗(yàn)結(jié)果表，對(duì)產(chǎn)出率進(jìn)行排序，產(chǎn)出率最大值為81.23，最小值為68.67，極差為12.56。最小配比2/2/2/2的產(chǎn)出率為72.62，并不是最小值，說(shuō)明盲目加大緩存區(qū)容量并不能提高產(chǎn)出。最大配比12/12/12/12的產(chǎn)出率為79.26，也不是大值，說(shuō)明各個(gè)緩存區(qū)全部采用大容量的做法是不合理的。在試驗(yàn)結(jié)果中找到幾組低配高產(chǎn)的配比見(jiàn)表1。

5 結(jié)語(yǔ)

該文在對(duì)鐵路貨車(chē)輪軸檢修工藝進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了輪軸二、三級(jí)修檢修線工藝布局方案一。通過(guò)Plant Simulation軟件對(duì)方案一進(jìn)行建模和仿真運(yùn)行，分析仿真結(jié)果找出檢修線中的瓶頸工序，對(duì)其進(jìn)行分析和優(yōu)化。為了找出檢修線緩存區(qū)的最佳設(shè)置，在對(duì)方案一進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出了方案二。仿真結(jié)果表明生產(chǎn)線平衡情況得到了較大改善，產(chǎn)量得到了較大提高，可以滿足檢修需求。并使用Plant Simulation軟件中的Experiment對(duì)象對(duì)緩存區(qū)的容量大小進(jìn)行了析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)，先進(jìn)行了兩水平試驗(yàn)，找到了對(duì)檢修線產(chǎn)出率影響較大的4個(gè)因子，再用這4個(gè)顯著影響因進(jìn)行了多水平試驗(yàn)，得到了幾組低配高產(chǎn)的配比。通過(guò)輪軸二、三級(jí)檢修工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)構(gòu)建，生產(chǎn)輔助時(shí)間的優(yōu)化，輪軸檢修能力由原來(lái)的85對(duì)/日提高到216對(duì)/日，并能滿足《鐵路貨車(chē)輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》（TG/CL224—2016）的相關(guān)技術(shù)要求，基本達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)鐵路總公司.TG/CL224—2016，鐵路貨車(chē)輪軸組裝檢修及管理規(guī)則[S].北京，中國(guó)鐵道出版社，2016：13-14.