基于TOC和IE的鐵路軸承再制造產能提升方案

楊曉英，徐嚴冬，楊洋

(河南科技大學 機電工程學院, 河南 洛陽 471003)

輪對軸承是鐵路貨車的關鍵零件，其可靠性直接決定車輛的運行和安全性能。貨車軸承再制造是指在軸承預期壽命轉折點之前，對其性能和壽命具有關鍵作用的已磨損或損壞部件進行修復或更換，恢復軸承的預期工作壽命。再制造有利于發揮材料性能、減少材料消耗、減輕環境污染、降低生產成本，是實現可持續發展的有效途徑，是符合國家可持續發展戰略的一項綠色系統工程[1-2]。目前貨車軸承再制造的產能與需求不匹配，影響了資源的充分利用和企業的效益。通過對產能提升方法研究，可以不斷提升軸承再制造效率、減少資源浪費，同時對提高貨車軸承再制造企業效益和增加企業競爭力具有重要意義。

目前，國內外制造企業產能提升的主要方法是工業工程(IE)常用理論方法。文獻[3]運用工業工程方法對裝配線平衡問題進行了研究，對生產線進行了優化，提高了產能。文獻[4]針對生產線存在的產能不足、物流路徑混亂、生產線不平衡等問題，提出了基于整流化理論的精益改善方案。文獻[5]用優化的二進制遺傳算法建立仿真模型,研究了隨機和動態特性的生產線,優化了工藝加工路線，降低了生產成本，提高了產能。文獻[6]運用精益制造的方法提高生產能力。文獻[7]結合設備綜合效率(OEE)和生產率持續提升生產能力。但是，基于瓶頸理論(Theory of Constraints，TOC)提升產能的研究成果較少，其核心觀點為立足于企業系統，通過聚焦于瓶頸的改善，達到系統各環節同步、整體改善的目標。

下文針對某企業貨車軸承再制造產能不足問題，應用TOC與IE相結合的方法，建立產能分析模型，辨析貨車軸承再制造生產系統產能問題，設計投入少見效快的產能提升方案，并分析方案的有效性。

1 問題的提出

1)在現有的條件下不增加人員，只是通過優化流程和改進作業方式等方法，使產量能達到300套/d。

2)通過少量投入方法，使產能達到450套/d以上。

為此，應用TOC與IE技術方法，進行系統調查、分析與診斷，提出可行的解決方案。

2 產能分析模型建立

2.1 基于TOC的瓶頸識別

TOC認為，系統的產能是由系統中的一個或者少數的幾個約束環節所決定的。所以，增加系統產能最有效的辦法是充分利用瓶頸的活力。對于一個生產型企業，瓶頸資源就是生產系統能力最薄弱的環節，如瓶頸設備或工位。把負荷率大于等于100%的設備或工位定為瓶頸資源，定義如下：

設系統中有n個資源，其中資源Xi(i=1,2,…,n)的實際能力為Ci(i=1,2,…,n)，其外部需求量為URi(i=1,2,…,n) 。某些資源之間存在互為輸入和輸出關系R。假設與資源Xi相關聯的資源組成集合M，即

M={j|j≠i∧?R(Xi,Xj)}，

(1)

當且僅當Ci≤min[URi,min(?Cj,j∈M)]時，資源Xi為瓶頸資源[8]。

網格化管理源于計算機網格管理概念。它的主要特點是：將管理對象按照一定的標準劃分成若干網格單元，利用現代信息技術和各網格單元間的協調機制，在網格單元之間實現有效的信息交流，透明共享組織的資源，最終達到整合組織資源、提高管理效率的現代化管理目的。探索黨組織設置網格化，著力構建“組織全覆蓋，管理精細化，服務全方位”的離退休網格化黨建格局，提升離退休黨建工作，使黨組織與黨員溝通面對面，服務零距離，確保在職職工和離退休職工隊伍和諧穩定，充分發揮黨的政治優勢，團結帶領廣大離退休老同志老黨員，成為為企業和社會提供正能量的先進群體，樹立起離退休工作的新形象。

2.2 產能分析模型

設T為實際有效工作時間；T0為日制度工作時間(一班制8 h)；α為時間寬放率,是在生產過程中進行非純作業所消耗的附加時間與補償某些影響作業的時間(如生理需要、設備故障等)之和占日制度工作時間的比率，則

T=T0(1-α)。

(2)

設ti為裝配線i工位的作業時間，工位最長作業時間timax為瓶頸工位時間；r為裝配線節拍，則產能模型為

Q=T/timax=T0(1-α)/timax，

(3)

由timax=r, 可得

Q=T0(1-α)/r。

(4)

3 鐵路軸承再制造產能現狀分析

3.1 流程分析

軸承再制造過程中，大部分零件是由舊軸承拆解、清洗、磨削而來，其尺寸不標準，故需在裝配前進行零件甄別和篩選，按不同規格和年份等條件進行內、外圈分選，同時要刻大修標記和再清洗等準備工作。裝配線現有14名員工，多數員工當天要承擔2項以上任務。裝配工藝流程及人員配置見表1。

表1 改進前裝配工藝流程及人員配置

3.2 時間測定

經過對14名員工全天(8:00-18:00)的現場跟蹤，記錄了每人每天的實際準備時間、上線工作時間和休息時間，結果見表2。由表可知，多數裝配工人每天8：00-10：30先做準備工作，每人的實際裝配時間不均衡，最長為7.5 h，最短只有4.5 h。

表2 員工日工作時間測定表

3.3 瓶頸識別

根據時間測定結果，各裝配工位的作業時間分布如圖1所示。由圖可知，各裝配工位的作業時間極不均衡，導致裝配線不平衡。作業時間最長的是配套工位60 s，其次是注脂工位45 s。因此配套工位是整條裝配線的瓶頸工位。

圖1 裝配線各工位作業時間

3.4 產能分析

裝配線的節拍由瓶頸工位決定，即為60 s。根據表2數據可知，配套工人每天在裝配線上的有效工作時間是4.5 h，由 (3) 式可得該裝配線最大產能為270套/d。由于配套是裝配線中最為復雜、技能要求最高的工序，因此，配套時間不穩定，加上生產作業組織不合理，使得實際產量只能達到250套/d。

因此，要提升裝配線的產能，一方面要最大限度地挖掘瓶頸，使瓶頸效能最大化；另一方面通過打破瓶頸，提升系統產能。

4 產能提升方案設計

4.1 挖掘瓶頸和流程優化

1)挖掘瓶頸使瓶頸資源效能最大化：充分發掘瓶頸資源配套工位的最大產能，使配套工人盡可能把所有工作時間用于裝配，其原承擔的準備任務重新配置人員，其他非瓶頸工位服從瓶頸工位。

2)流程優化：把裝配線從配套工序處分成兩階段，優化生產流程。由圖1可知，第1階段的瓶頸工序為配套，節拍60 s；第2階段的瓶頸工序為注脂，節拍45 s。兩階段工作時間之比為4:3，即第1階段裝配線工作4 h，第2階段裝配線只需要工作3 h，第1階段裝配線比第2階段裝配線提前1 h開始工作。

改進后的生產組織方式為：1)當天準備任務為第2天生產服務，滿足提前4 h的恒溫保存時間要求；2)第1階段裝配線比第2階段裝配線提前1 h開工，準備任務與裝配線工作交叉進行，避免線上產品積壓；3)以瓶頸工位為生產節拍，兼顧非瓶頸工位人員的工作負荷。優化后員工日工作時間見表3。

表3 優化后員工日工作時間

考慮10%的寬放時間，優化后第1階段裝配線的有效工作時間為5.4 h，產能為320套/d；第2階段裝配線的有效工作時間為4.0 h，產能為320套/d。則系統最大產能達到了320套/d。

4.2 打破瓶頸和工位重組

由于裝配作業無法標準化，暫時難以采用機器替代人力，因此采用增加人員和工位重組的少投入方式打破瓶頸，具體措施為：增加4人，其中配套工位增加1人；裝配線由原16個工位重組為13個工位，使第1階段裝配線節拍與第階2段裝配線節拍一致，均為45 s。裝配線工位重組平衡后的作業時間如圖2所示。假設在配套工位增加的1人熟練程度不如原配套工位工人，綜合2人的能力，使原效率60 s/件提升為45 s/件;分配4人進行內外圈分選、刻字與清洗等準備工作:則該方案的實際有效裝配工作時間能達到6 h以上，有效產能最大可達480套/d。

圖2 裝配線重組平衡后的工位作業時間

設裝配線平衡效率為ξ=∑ti/Nr，其中ti為工序時間；N為工序數量；節拍r取45 s。則平衡前ξ=55.6%，平衡后ξ=77.3%，裝配線效率提高了21.7%。

4.3 效果分析

方案1：挖掘瓶頸和流程優化

該方案是在沒有增加投資、人員的情況下，通過充分挖掘瓶頸資源配套工位的效能和流程優化、非瓶頸資源遷就瓶頸資源需求等措施，使產能由250套/d提高到320套/d，提升28%，月收益增加21萬元(以每套凈收益100元計)。

方案2：打破瓶頸和工位重組

該方案是通過增加人員4人、提高配套工位的能力和對裝配線工位重組平衡等措施，使產能由250套/d提高到480套/d，提升92%。該方案投資預估3.2萬元/月(增加的4人工資、福利等成本)，預計月收益增加60萬元左右。

以上2種方案都是投入少、見效快的提高產能的有效方法，相比而言，第2種方案的效益更好。

5 結束語

針對鐵路貨車軸承產能不足的問題，在現場調查基礎上，集成應用TOC和IE理論方法，優化了生產流程與人員配置，識別了生產瓶頸，提出了2種投入少、見效快的提升系統產能方案，并經實際應用驗證了方案的有效性，為企業提高效益提供了方法和思路。