基于IE和Flexsim的轉杯軸承生產線平衡改善研究

王江波，楊 昆，任明杰

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

隨著社會的發展，質量和效率的提高成為企業發展的關鍵因素，RH公司主要生產氣流紡軸承，擁有年生產能力25萬套的轉杯紡機分梳輥結合件生產線三條，形成了分梳輥軸承、紡杯軸承、高速紡杯軸承及結合件等系列產品。其中轉杯軸承是紡紗設備中最重要的零件，通過對轉杯軸承的生產工藝以及裝配工序的優化能夠提高生產線的生產能力和平衡性，對于開發產品、增進效益、提高質量都具有重要的意義[1-3]。

本文通過對轉杯軸承生產線進行分析，找到裝配工藝的瓶頸工序，運用工業工程專業的一些方法對瓶頸工序進行優化，分別采用動素分析和雙手操作分析的方法，對左右手的負荷進行平衡并改進動作的順序和方法，以節省時間，提高工作效率，并利用Flexsim軟件對生產線優化后的效果進行評價。

1 轉杯軸承生產線的現狀分析

轉杯軸承如圖1所示，它是紡機設備的重要組成部分。在紡紗設備中，轉杯軸承主要安裝在分梳腔中，用來抓取和分梳喂入的面條纖維，通過其高速回轉所產生的離心力可把抓取的纖維甩出。

圖1 轉杯軸承

轉杯軸承的裝配工藝過程主要由檢查光滑程度、測量尺寸、配套、清洗、安裝滾珠、測量游隙、加保持器、加尼龍圈、加潤滑油、加密封圈、加卡簧、跑合和檢測噪聲組成，裝配工藝流程如圖2所示。

裝配工藝為重復進行的操作，采用秒表時間測定法對各工序的時間測定5次并取平均值，測得的各單元的操作時間如表1所示。

生產線平衡指標的計算公式如下：

(1)

其中：P為生產線平衡率；Ti為第i個工序的作業時間；Tmax為最長的工序作業時間；N為總工序數[4-6]。

圖2 轉杯軸承裝配工藝流程圖

表1 各單元的操作時間表

由表1可求出各工序的時間總計為187.15 s，其中時間最長的工序為跑合，所用時間為30.12 s。通過公式(1)計算求得本條生產線平衡率為77.7%，不平衡率為22.3%。對于生產線平衡率來說，不平衡率越小越好，因為平衡率代表著生產線的分工是否均勻，作業分配是否合理。一般要把生產不平衡率盡量控制在5%～13%之間，最高應控制在15%以下。由于本次裝配工藝的不平衡率為22.3%，大大超過了15%，因此還存在缺陷，需要進一步的改進。

2 軸承生產線的平衡優化

2.1 動素分析優化

跑合所需要的時間在裝配工藝過程中是最多的，為30.12 s，所以應先對其進行優化。跑合的目的是將已經裝配好的轉杯軸承安裝在機器上充分運轉，使得軸承內部的潤滑油和滾珠相結合。采用動素分析得到的動素分析表如表2所示。

表2 動素分析表

通過表2可以看出目前存在的問題是左手動作偏少，等待的時間較長，而右手無等待的動作，且一直在作業當中，左右手的動作明顯不平衡。因此需要通過把轉杯軸承放在靠近機床的位置便于抓取元件、用左手去抓取元件，并考慮雙手同時去安裝元件的可能性來進行優化。優化后的動素分析表如表3所示。

表3 優化后動素分析表

通過對比表2和表3可以發現:優化前一共需要10步，優化后共需要5步。通過對比，可以看出優化后的動素分析表實現了左、右手同時進行作業，有效解決了單手作業過多、操作不均衡以及浪費時間的問題。優化后的動素分析表共省去了2次轉杯軸承在左、右手之間的交換過程，從而節省了時間，提高了工作效率。

2.2 雙手操作分析優化

對安裝滾珠的操作進行雙手作業分析，雙手作業分析圖如圖3所示。

采用“5W1H”(原因、對象、地點、時間、人員、方法)提問以及“ECRS”(取消、合并、重排、簡化)原則的優化方法對其進行優化，取消一只手持物、另一只手進行多次往復的動作；并取消在工序開始時就將外殼豎直放置于操作臺上，在下方墊起一定高度的動作。優化后的雙手作業分析圖如圖4所示。

通過分析優化后的雙手作業分析圖可以看出，優化后不但使雙手的動作次數均有減少，還完全符合雙手同時對稱的動作原則，雙手達到了對稱、平衡的效果，顯著提高了效率。

圖3 雙手作業分析圖

圖4 優化后雙手作業分析圖

2.3 優化效果評價

對優化后各單元的操作時間觀測5次并取平均值，測得各單元的操作時間如表4所示。

表4 優化后操作時間表

通過表2求得各工序的時間總計為162.67 s，時間最長的工序為加尼龍圈，所用時間為20.77 s，裝配工藝所需的人數為8人。通過公式(1)求得生產線平衡率為97.88%。改善后的生產平衡率有了一定的提高，而且達到了較高的水平，因此對瓶頸工序的改善有了成效。

3 基于Flexsim的生產線建模與仿真

Flexsim是一款三維仿真分析軟件，能夠幫助作業人員對系統的設計以及系統的運行做出更加科學的決策。現以轉杯軸承生產線為原型利用Flexsim進行建模與仿真，建立的模型中有1個發生器、2個暫存區、13個處理器以及8名操作人員。發生器用來產生各零部件；暫存區1用于表示暫未進入裝配工序的零件的存放，暫存區2則表示已經加工完成的轉杯軸承的放置；處理器主要表示每個裝配工序。依照現場的實際布局建立的模型圖如圖5所示。

在理想情況下，即不存在原料短缺和機器故障時，按一天工作8 h，原有的裝配工序能夠生產604件轉杯軸承。現根據實際生產安排，對優化后的裝配工序進行系統仿真，系統運行8 h后的統計報告如圖6所示。

通過仿真結果可以看出：優化后的裝配工序生產的轉杯軸承數量為662件，較未優化時多生產了58件。優化后的裝配方法不僅使得轉杯軸承的產量有所提高，而且大大提高了工作人員的作業效率。

圖5 模型圖

圖6 統計報告

4 結論

通過對轉杯軸承生產線生產平衡率的計算找到了生產線的瓶頸工序，之后采用動素分析和雙手操作分析的方法對瓶頸工序進行了分析和優化，有效地解決了單手作業過多、操作不均衡以及浪費時間的問題，使雙手達到了對稱、平衡的效果。采用優化后的方法，較優化之前轉杯軸承的日產量604件多生產了58件，大大提高了工作人員的作業效率，對企業生產效率的提高具有實際意義。