基于Flexsim的輪對壓裝生產線仿真優化*

涂天慧，徐 責，韓 磊，付建林，丁國富

(1.西南交通大學 先進設計與制造技術研究所，成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

進入21世紀，我國的高速鐵路進入一個快速發展的時期，高速列車的需求日益增大，而高速列車的安全和可靠性是高速列車發展中極其重要的課題。為了保證高速列車的良好運行狀態，我國將機車的維修方式分為5個等級，其中1級和2級檢修為運用檢修，3級、4級、5級檢修為定期檢修[1]。由于我國對3級以上的機車檢修經驗較少，導致轉向架檢修車間的檢修效率不高，如何提高轉向架檢修車間的檢修效率成為亟需解決的問題之一。

轉向架檢修車間是由大量制造要素構成的，使用傳統的方法難以全面地了解生產狀況。計算機仿真技術是分析、評價生產系統的重要工具。孟哲等借助Flexsim軟件建立車間系統加工流程模型，通過對比不同改善方案的仿真輸出結果，得到最優方案，優化生產線[2]。韓曉東等運用Plant Simulation軟件建立發動機檢測生產線仿真模型，進行仿真分析，找出生產線中不合理部分并進行初步優化，仿真結果表明生產線的生產能力得到提高[3]。柴富榮等利用Witness仿真軟件對汽車發動機進氣凸輪軸生產系統進行仿真分析并進行優化，確定生產節拍，進而提高生產效率[4]。朱永國等以連桿生產線為研究對象，結合ProModel軟件和約束理論對生產線進行仿真分析，針對瓶頸問題，制定了優化方案，從而提高生產效率[5]。Y R Wang等結合Petri網和Flexsim仿真軟件對汽車制造裝配車間進行仿真分析，識別瓶頸問題并提出優化方法，從而提高生產效率[6]。本文依托Flexsim仿真軟件，對轉向架檢修車間中的輪對壓裝生產線進行建模與仿真，對仿真過程進行更為直觀的觀察，同時得到相關的仿真數據，找出并分析生產過程中的瓶頸，提出優化方案，從而降低生產線中某些工位的平均阻塞率，提高生產線產能。

1 輪對壓裝生產線流程

1.1 轉向架檢修生產線流程分析

轉向架檢修生產線主要完成使用后轉向架部件的分解檢修和重新組裝工作，按照生產工藝可分為構架檢修生產線、齒輪箱檢修生產線、輪對壓裝生產線、軸承檢修生產線、軸箱組裝生產線和轉向架組裝生產線共六條生產線。根據現場的實際運行情況，發現輪對壓裝生產線中輪對檢壓工位前軌道上存在嚴重的輪對堆積現象，所以本文主要對輪對壓裝生產線進行仿真優化研究。

1.2 輪對壓裝生產線流程

圖2 輪對壓裝生產線布局

某轉向架檢修車間主要檢修車型為CRH380A型動車組，為8輛編組，其中1車和8車為拖車轉向架，2～7車為動車轉向架，所以輪對壓裝生產線中動車輪對占主要部分，即本文主要研究對象為動車輪對壓裝生產線。輪對壓裝生產線具體工藝流程如圖1所示，具體布局如圖2所示。

其生產過程中主要的物流方式分為兩種：車軸齒輪箱組成、車輪以及預組裝輪對的物流方式主要是通過天車吊運；完成壓裝后的輪對主要物流方式是輪對沿著固定的軌道移動到相應的工位，輪對的轉向通過轉盤完成；進入涂裝線的輪對主要物流方式是通過自動輸送系統移動到相應的工位。輪對壓裝生產線各工序詳細信息如表1所示。

圖1 輪對壓裝生產線工藝流程圖

序號工序名稱標準工時/min設備(工位)臺數/臺可同時加工/個1車軸齒輪箱組成整備32612車輪整備20913輪對預組裝18614輪對壓裝15215輪對超聲波探傷20216輪對動平衡4.5117涂裝線輪對防護813底漆噴涂613流平913烘干3018冷卻813面漆噴涂813流平913烘干3018冷卻813拆除防護6138輪對檢測15219輪對檢壓1611

2 基于Flexsim的生產線仿真

2.1 仿真模型建立

輪對壓裝生產線中不同的工位有著不同的功能，Flexsim三維仿真軟件可以根據對象的需求不同模擬不同類型的資源。為了更加真實地模擬出輪對壓裝生產線生產過程，需要Flexsim仿真軟件的應用進行拓展，提高Flexsim模型仿真的視覺效果，具體的方法如下：

(1)采用CATIA軟件建立產品、設備、軌道、廠房等三維模型；

(2)使用3DSMax軟件將CATIA模型導為.3ds格式文件；

(3)根據對象的需求，拖出相應的實體，將其導入三維模型，并將實體導入到Flexsim軟件中建立新的用戶庫，從而減少導入相同實體模型時的重復工作；將車軸齒輪箱組成、車輪、輪對導入Flexsim創建的臨時實體庫中。

將輪對壓裝生產線的CAD布局圖以模型背景的形式導入到Flexsim中，從建立的用戶庫中拖出生產線所需的實體模型，并按照CAD布局圖中相應位置進行放置。根據輪對壓裝生產線的工藝流程、物流過程，對實體之間進行相應連接，從而實現仿真模型對實際生產過程的真實反映。將模型中的CAD模型背景、連線等隱藏，輪對壓裝生產線仿真模型如圖3所示。

圖3 輪對壓裝生產線仿真模型

根據現場實際的情況對實體進行參數設置：

(1)由于本文主要研究動車轉向架輪對，因此由兩個發生器來產生車軸齒輪箱組成與車輪。根據實際生產中采集的數據并利用Flexsim中統計選項卡下的ExpertFit對數據進行擬合后，設置車軸齒輪箱組成發生器與車輪發生器的到達參數；

(2)將輪對預組裝工位實體模型使用Flexsim實體中的合成器來表示，其他的設備(工位)實體模型均使用Flexsim實體中的處理器來表示，加工時間參數設置依據表1中標準工時，并在進入觸發進行編程，設置車軸齒輪箱組成、車輪、輪對進入合成器或處理器中相應的位置；

(3)輪對轉盤實體模型使用Flexsim實體中的處理器來表示，加工時間為0.3min，并在進入觸發進行編程，完成輪對進入處理器中的位置以及90°的自動轉向；

(4)車軸齒輪箱組成暫存區、車輪暫存區的最大容量設置為56、90；

(5)使用傳送帶來表示輪對壓裝生產線中的輸送軌道，傳送帶的速度設置為30m/min。天車的運行速度設置為60m/min。

2.2 仿真結果

設置仿真時間30個工作日，該轉向架檢修車間采用的是8h工作制，仿真模型以分鐘為單位，則模型運行時間為14400min。點擊運行，待系統仿真運行到設定的時間時，仿真模型停止。在仿真模型運行時，觀察發現輪對檢壓工位前的軌道出現嚴重的堵塞情況，與實際生產線中出現的現象相同。

由于輪對壓裝生產仿真模型中同一工序存在著多設備(工位)，且臨時實體進入同一工序中設備(工位)的概率是均勻的，所以本文在對仿真數據進行一定的處理，組合相同工序的設備(工位)實體，將統計數據進行求和并求取平均值。則仿真運行結束后，仿真報告如表2所示。

表2 輪對壓裝生產線仿真報告

3 仿真分析與優化

3.1 仿真中存在的問題

從表2反映的數據中可以分析出：

(1)輪對預組裝工位、輪對檢測工位的平均阻塞率分別達到了22.9%、28.4%，在一般情況下發生堵塞現象工位的下一工位就是生產線的瓶頸工位，因此輪對壓裝工位、輪對檢壓工位可能是瓶頸工位；

(2)輪對檢壓工位的利用率高達97.2%，表明此設備長期處于高度工作的狀態，仿真結果符合實際生產中存在的嚴重在制品堆積現象。同時作為輪對壓裝生產線的最后一道工序，制約了整條生產線的生產效率，因此輪對檢壓工位可能是瓶頸工位。

3.2 生產線優化

針對上述輪對生產線系統仿真中存在的“瓶頸”問題，本文提出如下相應的優化方案：

(1)考慮到輪對預組裝工位的平均阻塞率較高，在輪對壓裝區增加一臺輪對壓裝機，以降低輪對預組裝工位的阻塞率；

(2)在輪對檢壓區增加一臺輪對檢壓機，降低輪對檢壓工位的高利用率、輪對檢測工位的高平均阻塞率。

目前在實際生產過程中，輪對壓裝生產線場地未得到充分利用，存在大量空閑的地方，同時車間也有計劃增加某些設備來改善生產線，所以以上提出的優化方案具有現實可行性。

將仿真時間依然設置為14400min，再次運行仿真模型，得到仿真運行結果如表3所示。

表3 優化后輪對壓裝生產線仿真報告

輪對預組裝工位的平均阻塞率為10.9%，比優化改造之前下降了12%；輪對檢測工位的平均阻塞率為0，比優化改造之前下降了28.4%；優化之后輪對檢壓工位的平均利用率為54.5%，比優化改造之前下降了42.7%。在仿真運行時，觀察發現輪對檢壓工位前的軌道未出現嚴重的堵塞情況，仿真證明設備(工位)的平均利用率并非越高越好。與此同時對優化前后的仿真模型輪對輸出量進行統計，如圖4所示。

在30個工作日內，生產線優化之前，月輸出量為674條輪對，而經過優化之后，月輸出量為754條輪對，提高了輪對壓裝生產線生產產能，對轉向架檢修車間優化具有一定的指導意義。

圖4 優化前后仿真輪對輸出量

4 總結

以某企業轉向架檢修車間中輪對壓裝生產線為研究對象，結合CATIA三維軟件建立產品、設備、軌道、廠房等三維模型，運用和拓展Flexsim仿真軟件建立基于真實性的輪對壓裝生產線仿真模型。運行仿真模型，分析仿真報告，以高平均阻塞率、高平均利用率為依據找出生產線中的“瓶頸”。生產線的“瓶頸”工位存在于輪對壓裝區、輪對檢壓區，根據實際情況對設備進行相應的增加。通過對優化前后的仿真數據進行對比分析，驗證了優化方案的有效性。