汽車輪胎壓裝生產線的物流仿真與優化

李琦，王偉鋒，劉春鵬，孔一君

（1.河南機電職業學院，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]。

傳統第三方汽車物流企業主要針對倉儲、運輸、配送等業務展開，而流通加工業務作為新興的供應鏈外包業務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務。各第三方汽車物流企業在承接輪胎壓裝業務后基本沿用老舊的生產模式，較少投入精細化管理[2]。在實際的壓裝生產線中，經常出現設備利用率低、人員待工時間長等問題。采用人工歸納等數學方法來解決該類問題非常復雜，對人的邏輯思維能力要求較高；采用計算機仿真的方法，依據生產線元素和生產過程，設計出現有輪胎壓裝生產線仿真模型并模擬運行情況，對不合理之處做出相應調整，最終建立合理高效的壓裝生產線生產模式，可實現預期效果[3-4]。

本文針對某第三方汽車物流企業在流通加工環節，為汽車主機廠提供輪胎壓裝服務的壓裝生產線現狀，結合現有的輪胎總成壓裝工藝，通過對現有輪胎壓裝生產線數據采集測算，利用生產物流仿真軟件Flexsim對輪胎壓裝生產線進行分析[5]，以生產線平衡、設備利用率、人員利用率、物流優化設計為理論基礎[6]，對該公司的輪胎壓裝生產線進行仿真優化，找出瓶頸工序，以提高該生產線的生產效率，為該企業提高生產效率，及時滿足主機廠的輪胎需求提供借鑒[7]。

2 輪胎壓裝生產線工藝流程及布局

2.1 輪胎壓裝生產線工藝流程

輪胎壓裝生產線工藝流程如圖1所示[8]。根據現場調研，采用秒表測時法，取各工序實際作業時間的平均值為各工序時間值，得到輪胎壓裝生產線工序統計表（表1）[9]。

圖1 輪胎壓裝生產線工藝流程圖

表1 輪胎壓裝生產線工序統計表

2.2 輪胎壓裝生產線分析

該輪胎壓裝生產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 生產節拍。合適的生產節拍[10]可以保證各個工序按統一的速度生產加工出零件、半成品和成品，達到生產的同步化。生產節拍CT計算公式為：

式中：CT為生產節拍；Tw為總工作時間；Q為總產量。

目前所設計的輪胎壓裝生產線的生產節拍CT為：

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

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

將表1數據代入式（2），得輪胎壓裝生產線平衡率P為：

3 建模與仿真

3.1 模型的假設與構建

輪胎壓裝生產車間屬離散型生產車間，對于復雜生產物流建模無法完全展現實際情況，因此對本生產線模型做出如下假設[12]。

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

（2）每個工序完成后立即進入下一道工序，忽略產品在各個工序間搬運的時間。

（3）所有加工設備均完全可靠，不考慮發生故障情況，即設備故障率為0。

（4）輪胎壓裝所需各種零部件由生成器生成，不存在缺料現象。

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

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

3.2 模型的構建

根據各工序實際情況，對照實體設備與Flexsim實體庫仿真對象關系表（表2），從實體庫中選擇對應的實體對象，拖動到適當位置，建立連線，并根據實際情況（表1）對各個實體的屬性及參數進行設置，得到輪胎壓裝生產線建模實體圖[13]（如圖2）。

表2 實體設備與Flexsim實體庫仿真對象關系表

圖2 輪胎壓裝生產線仿真模型布局

3.3 仿真結果分析

在Flexsim中建立好圖2所示模型后，點擊系統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數據統計功能，對仿真結果進行分析，找出壓裝生產線存在的問題。

（1）導出壓裝生產線上主要設備的利用率餅狀圖，如圖3所示。發現設備利用率相差很多，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）壓裝生產線有一些設備利用率不高，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輪胎充氣設備閑置時間占比過大，造成后續工序出現堵塞現象，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，可見壓裝生產線存在嚴重的不平衡；

（3）導出工人利用率統計圖，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，存在人員冗余現象。

圖3 主要設備利用率統計圖

圖4 工人工作負荷率統計圖

4 壓裝生產線優化

針對壓裝生產線目前所存在的問題，確定優化目標，結合壓裝生產線實際情況，做出優化方案[14]（壓裝生產線已投產多年，工藝路線和布局已經規劃好，不便更改）。

（1）通過增加壓裝機的數量降低該工站節拍以提升整條生產線的平衡率，同時還能緩解待檢時暫存區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核工作，由此縮減工序數，使節拍更為緊湊，提升生產線平衡率。

（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，同時在調研中發現該工位人員流動性較大，從長遠節約人工成本及提高作業效率出發，決定將該工位處操作員10、操作員11替換為工業機器人。優化后，壓裝生產線操作員精簡為7名[16]。

根據以上優化措施，制定出新的工序時間表，見表3。

表3 優化后工序時間表

依據以上優化措施，在原模型新增或替換掉對應實體，并修改相應實體的參數，保存，重新運行模型，觀察優化效果。

5 優化前后對比

5.1 設備利用率

優化后，輪胎壓裝生產線各主要設備的利用率均達52%以上，設備利用率獲得顯著提高，如圖5所示。

5.2 生產線平衡率

圖5 優化后主要設備利用率統計圖

5.3 工人工作負荷率

優化后工人工作負荷率統計如圖6所示。經過優化，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%，有效的解決了優化前工人空閑時間較多的問題，提高了生產效率[18]。

圖6 優化后工人負荷利用率

5.4 周期時間

通過優化，輪胎壓裝生產線的周期時間由216s降低至201s，一點程度上增強了生產效率，提高輪胎產量。

6 總結

本文針對第三方汽車物流企業流通加工業務中的輪胎壓裝生產線展開分析研究，利用Flexsim軟件對壓裝生產線建模，從全局的角度對整條壓裝生產線進行物流仿真，發現其不合理之處，優化壓裝生產線工藝流程，在一定程度上達到了提高生產效率、降低生產成本的目的，可為第三方汽車物流企業的實際生產運營提供參考。