基于Flexsim的輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線仿真優(yōu)化*

涂天慧，徐 責(zé)，韓 磊，付建林，丁國富

(1.西南交通大學(xué) 先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所，成都 610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國的高速鐵路進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)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(fā)展中極其重要的課題。為了保證高速列車的良好運(yùn)行狀態(tài)，我國將機(jī)車的維修方式分為5個(gè)等級(jí)，其中1級(jí)和2級(jí)檢修為運(yùn)用檢修，3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)檢修為定期檢修[1]。由于我國對(duì)3級(jí)以上的機(jī)車檢修經(jīng)驗(yàn)較少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架檢修車間的檢修效率不高，如何提高轉(zhuǎn)向架檢修車間的檢修效率成為亟需解決的問題之一。

轉(zhuǎn)向架檢修車間是由大量制造要素構(gòu)成的，使用傳統(tǒng)的方法難以全面地了解生產(chǎn)狀況。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是分析、評(píng)價(jià)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要工具。孟哲等借助Flexsim軟件建立車間系統(tǒng)加工流程模型，通過對(duì)比不同改善方案的仿真輸出結(jié)果，得到最優(yōu)方案，優(yōu)化生產(chǎn)線[2]。韓曉東等運(yùn)用Plant Simulation軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)生產(chǎn)線仿真模型，進(jìn)行仿真分析，找出生產(chǎn)線中不合理部分并進(jìn)行初步優(yōu)化，仿真結(jié)果表明生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力得到提高[3]。柴富榮等利用Witness仿真軟件對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凸輪軸生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行優(yōu)化，確定生產(chǎn)節(jié)拍，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率[4]。朱永國等以連桿生產(chǎn)線為研究對(duì)象，結(jié)合ProModel軟件和約束理論對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析，針對(duì)瓶頸問題，制定了優(yōu)化方案，從而提高生產(chǎn)效率[5]。Y R Wang等結(jié)合Petri網(wǎng)和Flexsim仿真軟件對(duì)汽車制造裝配車間進(jìn)行仿真分析，識(shí)別瓶頸問題并提出優(yōu)化方法，從而提高生產(chǎn)效率[6]。本文依托Flexsim仿真軟件，對(duì)轉(zhuǎn)向架檢修車間中的輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線進(jìn)行建模與仿真，對(duì)仿真過程進(jìn)行更為直觀的觀察，同時(shí)得到相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)，找出并分析生產(chǎn)過程中的瓶頸，提出優(yōu)化方案，從而降低生產(chǎn)線中某些工位的平均阻塞率，提高生產(chǎn)線產(chǎn)能。

1 輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線流程

1.1 轉(zhuǎn)向架檢修生產(chǎn)線流程分析

轉(zhuǎn)向架檢修生產(chǎn)線主要完成使用后轉(zhuǎn)向架部件的分解檢修和重新組裝工作，按照生產(chǎn)工藝可分為構(gòu)架檢修生產(chǎn)線、齒輪箱檢修生產(chǎn)線、輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線、軸承檢修生產(chǎn)線、軸箱組裝生產(chǎn)線和轉(zhuǎn)向架組裝生產(chǎn)線共六條生產(chǎn)線。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線中輪對(duì)檢壓工位前軌道上存在嚴(yán)重的輪對(duì)堆積現(xiàn)象，所以本文主要對(duì)輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真優(yōu)化研究。

1.2 輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線流程

圖2 輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線布局

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

其生產(chǎn)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(yù)組裝輪對(duì)的物流方式主要是通過天車吊運(yùn)；完成壓裝后的輪對(duì)主要物流方式是輪對(duì)沿著固定的軌道移動(dòng)到相應(yīng)的工位，輪對(duì)的轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)盤完成；進(jìn)入涂裝線的輪對(duì)主要物流方式是通過自動(dòng)輸送系統(tǒng)移動(dòng)到相應(yīng)的工位。輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線各工序詳細(xì)信息如表1所示。

圖1 輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線工藝流程圖

序號(hào)工序名稱標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)/min設(shè)備(工位)臺(tái)數(shù)/臺(tái)可同時(shí)加工/個(gè)1車軸齒輪箱組成整備32612車輪整備20913輪對(duì)預(yù)組裝18614輪對(duì)壓裝15215輪對(duì)超聲波探傷20216輪對(duì)動(dòng)平衡4.5117涂裝線輪對(duì)防護(hù)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(hù)6138輪對(duì)檢測(cè)15219輪對(duì)檢壓1611

2 基于Flexsim的生產(chǎn)線仿真

2.1 仿真模型建立

輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線中不同的工位有著不同的功能，F(xiàn)lexsim三維仿真軟件可以根據(jù)對(duì)象的需求不同模擬不同類型的資源。為了更加真實(shí)地模擬出輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線生產(chǎn)過程，需要Flexsim仿真軟件的應(yīng)用進(jìn)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(chǎn)品、設(shè)備、軌道、廠房等三維模型；

(2)使用3DSMax軟件將CATIA模型導(dǎo)為.3ds格式文件；

(3)根據(jù)對(duì)象的需求，拖出相應(yīng)的實(shí)體，將其導(dǎo)入三維模型，并將實(shí)體導(dǎo)入到Flexsim軟件中建立新的用戶庫，從而減少導(dǎo)入相同實(shí)體模型時(shí)的重復(fù)工作；將車軸齒輪箱組成、車輪、輪對(duì)導(dǎo)入Flexsim創(chuàng)建的臨時(shí)實(shí)體庫中。

將輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線的CAD布局圖以模型背景的形式導(dǎo)入到Flexsim中，從建立的用戶庫中拖出生產(chǎn)線所需的實(shí)體模型，并按照CAD布局圖中相應(yīng)位置進(jìn)行放置。根據(jù)輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線的工藝流程、物流過程，對(duì)實(shí)體之間進(jìn)行相應(yīng)連接，從而實(shí)現(xiàn)仿真模型對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程的真實(shí)反映。將模型中的CAD模型背景、連線等隱藏，輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線仿真模型如圖3所示。

圖3 輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線仿真模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況對(duì)實(shí)體進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：

(1)由于本文主要研究動(dòng)車轉(zhuǎn)向架輪對(duì)，因此由兩個(gè)發(fā)生器來產(chǎn)生車軸齒輪箱組成與車輪。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中采集的數(shù)據(jù)并利用Flexsim中統(tǒng)計(jì)選項(xiàng)卡下的ExpertFit對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，設(shè)置車軸齒輪箱組成發(fā)生器與車輪發(fā)生器的到達(dá)參數(shù)；

(2)將輪對(duì)預(yù)組裝工位實(shí)體模型使用Flexsim實(shí)體中的合成器來表示，其他的設(shè)備(工位)實(shí)體模型均使用Flexsim實(shí)體中的處理器來表示，加工時(shí)間參數(shù)設(shè)置依據(jù)表1中標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)，并在進(jìn)入觸發(fā)進(jìn)行編程，設(shè)置車軸齒輪箱組成、車輪、輪對(duì)進(jìn)入合成器或處理器中相應(yīng)的位置；

(3)輪對(duì)轉(zhuǎn)盤實(shí)體模型使用Flexsim實(shí)體中的處理器來表示，加工時(shí)間為0.3min，并在進(jìn)入觸發(fā)進(jìn)行編程，完成輪對(duì)進(jìn)入處理器中的位置以及90°的自動(dòng)轉(zhuǎn)向；

(4)車軸齒輪箱組成暫存區(qū)、車輪暫存區(qū)的最大容量設(shè)置為56、90；

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

2.2 仿真結(jié)果

設(shè)置仿真時(shí)間30個(gè)工作日，該轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)間為14400min。點(diǎn)擊運(yùn)行，待系統(tǒng)仿真運(yùn)行到設(shè)定的時(shí)間時(shí)，仿真模型停止。在仿真模型運(yùn)行時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)輪對(duì)檢壓工位前的軌道出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞情況，與實(shí)際生產(chǎn)線中出現(xiàn)的現(xiàn)象相同。

由于輪對(duì)壓裝生產(chǎn)仿真模型中同一工序存在著多設(shè)備(工位)，且臨時(shí)實(shí)體進(jìn)入同一工序中設(shè)備(工位)的概率是均勻的，所以本文在對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，組合相同工序的設(shè)備(工位)實(shí)體，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和并求取平均值。則仿真運(yùn)行結(jié)束后，仿真報(bào)告如表2所示。

表2 輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線仿真報(bào)告

3 仿真分析與優(yōu)化

3.1 仿真中存在的問題

從表2反映的數(shù)據(jù)中可以分析出：

(1)輪對(duì)預(yù)組裝工位、輪對(duì)檢測(cè)工位的平均阻塞率分別達(dá)到了22.9%、28.4%，在一般情況下發(fā)生堵塞現(xiàn)象工位的下一工位就是生產(chǎn)線的瓶頸工位，因此輪對(duì)壓裝工位、輪對(duì)檢壓工位可能是瓶頸工位；

(2)輪對(duì)檢壓工位的利用率高達(dá)97.2%，表明此設(shè)備長期處于高度工作的狀態(tài)，仿真結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)中存在的嚴(yán)重在制品堆積現(xiàn)象。同時(shí)作為輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線的最后一道工序，制約了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，因此輪對(duì)檢壓工位可能是瓶頸工位。

3.2 生產(chǎn)線優(yōu)化

針對(duì)上述輪對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真中存在的“瓶頸”問題，本文提出如下相應(yīng)的優(yōu)化方案：

(1)考慮到輪對(duì)預(yù)組裝工位的平均阻塞率較高，在輪對(duì)壓裝區(qū)增加一臺(tái)輪對(duì)壓裝機(jī)，以降低輪對(duì)預(yù)組裝工位的阻塞率；

(2)在輪對(duì)檢壓區(qū)增加一臺(tái)輪對(duì)檢壓機(jī)，降低輪對(duì)檢壓工位的高利用率、輪對(duì)檢測(cè)工位的高平均阻塞率。

目前在實(shí)際生產(chǎn)過程中，輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線場(chǎng)地未得到充分利用，存在大量空閑的地方，同時(shí)車間也有計(jì)劃增加某些設(shè)備來改善生產(chǎn)線，所以以上提出的優(yōu)化方案具有現(xiàn)實(shí)可行性。

將仿真時(shí)間依然設(shè)置為14400min，再次運(yùn)行仿真模型，得到仿真運(yùn)行結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化后輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線仿真報(bào)告

輪對(duì)預(yù)組裝工位的平均阻塞率為10.9%，比優(yōu)化改造之前下降了12%；輪對(duì)檢測(cè)工位的平均阻塞率為0，比優(yōu)化改造之前下降了28.4%；優(yōu)化之后輪對(duì)檢壓工位的平均利用率為54.5%，比優(yōu)化改造之前下降了42.7%。在仿真運(yùn)行時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)輪對(duì)檢壓工位前的軌道未出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞情況，仿真證明設(shè)備(工位)的平均利用率并非越高越好。與此同時(shí)對(duì)優(yōu)化前后的仿真模型輪對(duì)輸出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。

在30個(gè)工作日內(nèi)，生產(chǎn)線優(yōu)化之前，月輸出量為674條輪對(duì)，而經(jīng)過優(yōu)化之后，月輸出量為754條輪對(duì)，提高了輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)能，對(duì)轉(zhuǎn)向架檢修車間優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

圖4 優(yōu)化前后仿真輪對(duì)輸出量

4 總結(jié)

以某企業(yè)轉(zhuǎn)向架檢修車間中輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線為研究對(duì)象，結(jié)合CATIA三維軟件建立產(chǎn)品、設(shè)備、軌道、廠房等三維模型，運(yùn)用和拓展Flexsim仿真軟件建立基于真實(shí)性的輪對(duì)壓裝生產(chǎn)線仿真模型。運(yùn)行仿真模型，分析仿真報(bào)告，以高平均阻塞率、高平均利用率為依據(jù)找出生產(chǎn)線中的“瓶頸”。生產(chǎn)線的“瓶頸”工位存在于輪對(duì)壓裝區(qū)、輪對(duì)檢壓區(qū)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的增加。通過對(duì)優(yōu)化前后的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。