連鑄輥修復生產率提高研究與仿真

劉成文，李 洋，汪 煒

(淮海工學院 機械與海洋工程學院， 江蘇 連云港 222005)

某機修公司以機械加工和表面再造為主要業務，其中一部車間主要負責連鑄輥的修復生產活動。當前，一部車間每月修復連鑄輥380根。隨著訂單的增加，該車間的生產能力已經不能滿足市場的需要，根據市場預測，車間修復連鑄輥的月訂單量將達到425根。為了滿足市場的需要，本課題從連鑄輥修復生產現場入手，找出影響連鑄輥修復生產效率的因素，包括生產流程中存在的瓶頸工序、不合理的人-機作業系統、車間存在的資源浪費等。最后，運用人-機作業系統分析、 “ECRS”等IE方法對瓶頸工序和關鍵工序進行優化，以平衡修復連鑄輥生產流程，提高車間生產效率和效能。

1 連鑄輥修復生產流程的分析

對連鑄輥修復生產流程進行分析，以找出影響一部車間生產效率的因素，包括影響生產能力平衡的瓶頸工序、不合理的人-機作業系統。

1.1 連鑄輥修復工藝程序分析

連鑄輥的修復工作包括對輥體的修復和對軸承座的修復，為了清晰地表明連鑄輥修復整個生產概況和工序間的相互關系，確定影響連鑄輥修復生產的關鍵路線，為瓶頸工序的確定做好準備，通過實際的觀察，繪制連鑄輥修復工藝程序圖，如圖1所示。

關鍵路線是整個生產過程中持續時間最長的加工路線，由工藝程序圖分析可得：由輥體的修復到輥組的包裝是影響整個修復工作的關鍵路線。因此，對連鑄輥修復生產流程的分析主要是對輥體修復過程的分析。

1.2 連鑄輥修復瓶頸工序的確定

連鑄輥修復工序分為以設備作業為主和以人工作業為主2類，采用不同的方法對以上2類工序進行分析，以找出瓶頸工序。

1.2.1 對以設備作業為主瓶頸工序的分析

采用工時法對以設備作業為主的工序進行生產能力的評定，計算設備的可用生產能力和需要生產能力。計算公式如下：

CA,T=60dt(1-θ)T

(1)

式中：CA,T為可用生產能力；d為工序中設備臺數；t為每天工作的小時數；θ為設備的故障率，一般為5%左右；T為工作的天數。

(2)

式中：CL,T為需要生產能力；tpi為i產品的加工時間(min)；spi為i產品在設備上的準備時間(min)；λ為寬放率，一般取0.1-0.2;hi為設備的加工工件數量。

圖1 連鑄輥修復工藝程序圖

修復連鑄生產中以設備作業為主的工序包括：車疲勞層、堆焊、粗車連鑄輥、精車里孔。根據公式可以計算出以上工序的可用生產能力和所需生產能力。

根據可用生產能力和所需生產能力計算工序的負荷比，計算公式如下：

(3)

根據公式計算出以設備為主的工序生產能力負荷比，并規定:當β<1時，表示工序產能過剩；當β≥1時，表示該工序產能不足，為瓶頸工序。計算結果如表1所示。

表1 以設備作業為主工序的負荷比

由計算結果可知：在以設備作業為主的工序中，車疲勞層工序的生產能力不足，確定為影響連鑄輥修復生產的瓶頸工序。

1.2.2 以人工作業為主瓶頸工序的分析

連鑄輥修復中以人工作業為主的工序包括：拆卸、清洗、組裝加工、打壓噴漆、在線檢修、打甘油、輥組包裝。以上工序的生產能力評定以實際的產能為依據，具體的生產信息如表2所示。

表2 生產信息相關表

作業名稱配置人數當前產能平均每節時間/min拆卸31528清洗31822組裝加工42124打壓、噴漆、在線檢修41821打甘油,包輥組219-

由表2信息分析可得:在以人工作業為主的工序中，拆卸工序的日產能與其他工序差距較大，故拆卸工序為瓶頸工序。

1.3 連鑄輥修復主要人-機系統的效率分析

連鑄輥修復生產中涉及的人-機作業系統主要包括車疲勞層、粗車、堆焊、精車里孔等系統，其中堆焊工序還要負責軋輥的加工，因此對車疲勞層、粗車、精車里孔工序進行人-機作業分析，可得：

1) 車疲勞層工序中，工人的時間利用率為13.75%，機器的時間利用率為86.25%，該工序的人工作業時間存在明顯的浪費。

2) 粗車工序中，工人的時間利用率為9.5%，機器的時間利用率為90.5%，該工序中工人的時間效率不高。

3) 精車里孔工序中，工人的時間利用率為64.5%，機器的時間利用率為35.5%，該人-機系統人-機關系平衡，效率較高。

綜上，連鑄輥修復生產的人-機系統中，需要進行效率優化提升的人-機系統主要為：車疲勞層人-機系統和粗車連鑄輥人-機系統。精車里孔工序的人-機系統作業效率高，因此保持現狀，暫不需進行優化。

2 連鑄輥修復生產工藝的優化

2.1 車疲勞層工序的優化

對車疲勞層工序進行優化，以縮短其加工周期，提高該工序的生產能力。車疲勞層工序中存在檢查疲勞層厚度的操作步驟，對其進行“5W1H”提問，如表3所示。

表3 “5W1H”提問

項目第1次提問第2次 提問 第3次提問What確定疲勞層的厚度為加工提供依據一定要進行Why確定走刀量工藝的需求一定要滿足工藝When在車削前進行工藝的需求一定在車加工前做Where在車床加工區域為什么在車床區域進行可以在其他區域進行Who由車床工人來做為什么要由機床工人檢查測量可以由其他工人進行檢查How進行實際測量有無別的方法只有這種方法

通過對檢查疲勞層操作進行提問，確定該項工作可由其他工位的工人完成。優化方案為：拆卸工人在拆卸完連鑄輥后，檢查疲勞層的厚度并且將數據標記在待修復的輥體上，這樣車疲勞層工序能節省2 min。

車疲勞層工序中存在2次測量操作，根據“ECRS”原則對操作工序進行優化。通過分析，取消第1次的測量操作并不影響車疲勞層的加工質量，因此，取消第1次的測量，這樣該工序能節省0.7 min。

采用人-機作業分析圖對車疲勞層操作進行進一步的優化。優化方法為：機床在車削連鑄輥時，工人檢查上一個連鑄輥的尺寸，優化后的車疲勞層人-機作業分析圖如圖2所示。

圖2 車疲勞層工序人-機作業分析

由前述分析可知：車疲勞層工序的人-機系統時間利用率不高，因此考慮實現一人多機的優化，計算公式如下：

(4)

其中：N為操作機器的臺數;t為工人的操作時間;M為機器的作業時間。根據實際情況，t應選擇為標準的作業時間，計算公式如下：

標準作業時間=正常時間×(1+寬放率)

(5)

根據計算公式求得：

考慮到實際的情況，一名工人操作7臺車床并不合理，根據實際的生產需要，取N=3(臺)。

車疲勞層優化效果分析：通過優化，車疲勞層的作業周期由74.2 min縮短到70.6 min,節約了3.6 min，并且實現了一人同時操作3臺車床的優化，節約了2名工人。

2.2 粗車工序人-機系統的優化

粗車工序中，工人的時間利用率不高，通過人-機作業分析實現一人多機的優化，根據式(4)可計算理論上單人操作機床的數量，其中：

從實際情況出發，考慮到機床的故障率、工人的負荷強度等因素，并且為了方便配置工人，取N=2(臺)。

粗車工序優化效果分析：經過優化，工人的時間利用率由9.5%提升到19.05%，實現了一人雙機的優化，節約了2名工人。

2.3 拆卸工序的優化

車疲勞層工序優化后，拆卸工序不僅要負責拆卸連鑄輥，還要負責疲勞層深度的檢查，為了縮短其作業周期，現增加1名工人，可使拆卸的工時預期縮短到24 min，與優化前相比節約了4 min。

3 優化方案效果的評定

為了評定優化后連鑄輥修復生產的狀況，現采用Witness軟件對優化前后的連鑄輥修復生產流程進行仿真建模，通過模型的運行，生成關于連鑄輥修復生產的相關信息表，從而確定該方案的效果，建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 連鑄輥修復生產流程模型

優化前后的連鑄輥修復生產模型的不同之處主要表現為對拆卸工序和車疲勞層工序的加工周期設置不同。優化前，車疲勞層的周期設置為4 452 s，拆卸的加工周期為1 680 s。優化后，車疲勞層的周期設置為4 236 s，拆卸的加工周期為1 440 s。

運行模型，模擬1個月的生產計劃，工作日設定為24天，生成生產能力對比如表4所示。

表4 優化前后生產能力對比

名稱加工數量/根平均時間/s拒絕數量優化前399120 258.10優化后46582 381.990

由于模型與現實之間的差異，根據實際的生產情況和Witness建模理論，優化后的產量取模型運行結果的95%，優化后的月產量約為：465×95%=441(根)。

連鑄輥修復車間的月產能由380根提升到441根，增加了61根。

4 結束語

本文研究分析了某機修公司連鑄輥修復生產能力不足的問題及原因，提出了改善方案并進行了仿真驗證與效果評定：

1) 運用工時法及程序分析法對影響連鑄輥修復生產效率的因素進行研究，確定了車疲勞層、拆卸、粗車等3道工序為瓶頸工序。

2) 運用“ECRS”原則討論并合理簡化工藝流程，運用人-機作業分析方法對瓶頸工序的人-機作業系統進行分析優化，調整人員分配。并應用Witness仿真建模對優化后的連鑄輥修復生產流程進行了效果評定。連鑄輥修復車間的月產能由380根提升到441根，車間參與輥體修復的工人數量由28人減少到25人，節約了3名工人。

3) 提高了連鑄輥修復各工序的時間利用率，優化后，工序的時間利用率達到90%以上。