中大功率发动机小批量生产现场装配工艺分析

2012-09-06 00:54孙金惠

城市建设理论研究 2012年22期

孙金惠

摘要：小批量生产具有在制品在移动中加工、各工位同时作业的特点，这就要求将整个装配过程分割成若干独立作业单元，然后将这些作业单元合理安排到流水线的各个工作站上。随着快速多变的市场需求，企业面临的竞争越来越激励，如何提高小批量生产现场装配的整体效率和产量，减少工序间的在制品，以及追求同步化生产越来越受到人们的重视。本文首先论述了中大功率发动机装配生产现场的流程，然后具体探讨了中大功率发动机小批量生产现场装配工艺的生产现场平衡问题与生产顺序问题，最后进行了案例分析，提高了装配工艺效率。

关键词：中大功率发动机；小批量生产；现场装配工艺；平衡问题；生产顺序问题

中图分类号：S219文献标识码： A 文章编号：

中大功率发动机是大型车辆的整个心脏，其装配过程是整车制造技术的集中体现。发动机的装配过程是通过发动机装配生产现场实现的，理想的发动机装配生产现场规划设计能使整个装配生产现场负荷均衡且满足市场响应。一方面，为了提高装配质量和生产效率，充分利用资源，要解决发动机生产现场装配生产现场的平衡问题[1]。另一方面，为了满足市场多样化需求，要解决发动机生产现场装配生产现场的投产顺序问题。在生产现场装配生产现场上，不同装配工作站对不同产品装配的作业时间相差很大，产生闲置和超载现象，装配时所需零部件也不完全相同使装配过程中各种零部件的消耗速率变化很大，导致零部件的需求量产生很大波动[2]。因此产品的投产顺序直接影响企业的生产效率，解决产品投产顺序成为关键问题。本文为此具体从上述两个方面分析了中大功率发动机小批量生产现场装配工艺。

1 中大功率发动机装配生产现场的流程

大型车辆发动机的整个生产过程是由发动机的零件加工、发动机装配及发动机生产试验三部分组成。发动机装配生产现场一般由一条主线和几条分装线两部分组成。发动机试验又包括生产试验和性能抽验两部分。

发动机内装配线和发动机外装配线的布置形式可以是矩形形式，也可以是直线形式，矩形布置形式可充分利用传送线的工位空间，减少空工位，减少厂房的战地面积，节约投资。为适应多品种、不同产量的柔性生产，装配主线主要传输传送装置多采用摩擦辊轮带随行夹具非同步式输送线，配合转位装置及其它设备组成，一般配有变频器调整减速器电机频率，可以实现传输速度无级可调[3]。缸体内装线、缸盖部装线两部分是保证发动机性能质量的关键。气缸盖部装线一般由自动辊道线与摩擦辊轮带随行夹具非同步式输送线相结合组成，摩擦辊轮带随行夹具非同步式输送线采用双排式，前排为装配线，后排为托盘返回线，构成回路。装配好的气缸盖配气机构组件由自行小车输送到发动机外装线上等待装配。采用自行小车可使通道畅通，人流物流不受阻，它部件的组装多采用在工作台上装配集中布置的方式，用自动小车输送到总装线和气缸盖部装线相应工位旁[4]。

发动机清洗前和清洗后辊道线为第一段，该段多采用动力辊道传送线，中间插入缸体清洗机，缸体等零部件清洗后装配部分零件，并输送到内装线上线工位旁；发动机内装配线承担缸体内部零部件及机油盘的装配；发动机外装配线承担气缸盖配气机构组件、变速器及一些外装件的装配。总装后下线的整机由空中自行小车将其提升一定高度后，再水平移送到磨合发动机输送线起始端，降到发动机磨合输送线台面水平高度后放置于发动机磨合输送线上，然后空中自行小车返回进行下一循环[5]。磨合输送线也多采用摩擦辊轮带随行夹具非同步式输送线，布置形式一般为矩形式。磨合输送线将待磨合的发动机自动送到磨合台架旁，然后多采用带KBK轨道的气动葫芦吊装到磨合台架上，磨合又称生产试验，其主要目的是采用合理的磨合规范以延长发动机寿命，同时对发动机的降速稳定性、加速稳定性、机油和冷却水的压力和温度、异响等项目予以检测。磨合完毕的发动机下台架后放置于输送机上运往组批包装地进行组批，组批后的发动机按一定比例运往性能交验工段对发动机性能按技术规范进行检测，性能抽验主要是检测发动机的功率、扭矩、油耗、排放等性能指标。检测合格的发动机吊装到发动机转运架上或进行包装后，运往发动机成品暂存地或成品库，等待出厂[6]。

2 中大功率发动机小批量生产现场装配工艺的生产现场平衡问题

2.1 生产现场平衡问题

装配生产现场平衡问题就是在不违反各作业元素优先关系的前提下，通过合理的作业编排、科学的管理和改善，均衡装配生产现场各工作站负荷，使装配生产现场达到一种平衡、均匀、流畅的状态。装配生产现场平衡问题就是组合优化问题，具体表现两方面。一方面，发掘系统潜力，消除工作站瓶颈，缩短装配生产现场长度，减少投资成本，稳定产品质量，加快物流速度，增加产量。另一方面，给工人一种公平感，改善雇员关系，从而调动工人的积极性，提高劳动生产率[7]。

2.2 生产现场平衡的实施分析

2.2.1 装配线作业时间

装配作业时间是运用一些技术手段来确定操作者按规定的作业标准完成作业所需的时间。时间研究对于一个现代化企业来说必不可少，是企业管理的基础条件之一，时间研究在劳动生产率水平计算、平衡生产人员之间的工作量、确定设备的生产能力等方面有广泛用途，并为编制生产计划与生产进度、劳动成本的管理、劳动定额的定制和车间平面布置的合理性提供基础资料和科学理论依据，也是总装作业均衡编排所必需的重要数据。发动机总成装配作业时间一般是指从发动机缸体上总装线开始到发动机校验检测之前所进行的装配时间和其它与装配有关的作业时间的总和。时间研究的方法主要有工作抽样、秒表测时研究、预订动作时间标准法、方法-时间衡量法和标准资料法等。秒表测试研究法的优点是方便快捷，缺点是必须根据作业者的熟练程度以及作业条件选定评比系数，评比系数的选定具有一定的主观性，因此对时间研究的结果影响比较大[8]。预定动作时间标准法的优点是不受作业熟练程度和评比者主观性的影响，具有一定的客观公正性，但时间花费大。

2.2.2 最低合理作业元素的划分

最低合理作业元素就是指不能再分的作业元素或最小自然作业单元。由于一台发动机一般有300个以上的零部件，如果作业单元划分的过细，会使整个平衡过程十分复杂；划分的过粗，又使平衡难以很好的进行。因此，必须寻找一个最佳尺度。为简便起见，可以将一连串在逻辑上不可分割，且必须有同一人在同一工位完成的系列动作单元组合在一起，作为一个作业元素进行研究。如将螺栓、平垫圈、弹簧垫圈装配在某一部件上，三者只能在同一工位上连续完成装配，因此该部件加上各种禁锢件的装配可视为同一作业元素[9]。

2.2.3 作业时间段的划分

测时研究要对每一道装配工艺进行操作分析，然后对工艺的操作循环时问以不同的“规律时间段”进行分解。对于总装配线操作，“规律时间段”的分解一般在10-50秒之间，较短的时间段划分的目的是为了在总装产量提高的情况下较好地利用作业时间进行新的装配工位分配。在划分“规律时间段”的同时不能忽视一些“频率时间段”，“频率时间段”就是在某些操作循环中所必需进行的一些非循环操作时间。例如，更换电动板手电池、统计检测、检查设备的各项技术操作参数及设备整体部件的更换等。在每道工序的操作分析中必须列出非循环操作的“频率时间段”，然后确定其频率数，将“频率时间段”的操作时间除以频率数，把非循环操作频率时问换算到每一个循环操作的规律时间中。操作分析划分好时间段后，可以用连续分段计时秒表对每个时间段进行测量计时，为了保证时间的准确性，每个时间段的测量计时最好在20个数据以上[10]。

2.2.4 操作姿态判定系数

操作姿态可以定义为操作运动的效率，它由下面三个因素来决定，这三方面因素的结合也就是姿态判定系数。(1)工作方式-操作式工作方法的合理性；(2)精确度-操作的准确程度，包括操作者工作的熟练程度和身体状况等；(3)速度-完成操作的速度。

2.2.5 休息系数

任何一个时间段的测定都受作业休息系数的影响，作业休息系数包括作业的疲劳程度、作业姿态、作业负荷、心理因素、工作的环境氛围以及生理上的需求等。在每个时间段的测量上给予休息系数的目的是使操作者在工作过程中产生疲劳得到恢复[11]。休息系数有两部分组成，一部分是恒定休息系数，另一部分是变化的休息系数。恒定的休息系数包括生理需求和最低注意力两面，是为调整操作者由于生理上的需要离开其工作岗位一定时间而给予的休息系数；而最低的注意力是为了使操作者完成装配作业所投入的必须的和足够的注意力得到恢复而给予的休息系数。变化的休息系数包括作业姿态和作业负荷两方面。作业姿态是根据装配作业所要求的位置来变化的，姿态不同，休息系数也不同。

3 中大功率发动机小批量生产现场装配工艺的投产顺序问题

3.1 投产顺序问题

投产顺序问题就是在完成装配线作业元素分配之后，在计划期内，根据市场响应，研究装配生产现场不同产品的投入顺序，制定排产作业计划，最终提高产量，保证装配线的均衡化生产。

对于一个发动机生产现场装配生产现场，在计划期内要生产几种不同型号不同产量的发动机，这时就要制定一个投产作业计划。投产顺序过程中，若某种产品的平均负荷没有超过混装装配生产现场节拍，但在某工作站内的负荷超过设计节拍值，这时，如果作业时间较长的一种产品被连续投产，将会引起工作站严重超载；由于不同产品使用的零部件种类和数量不完全相同，原材料、零部件的供应要求适时适量，如果投产顺序不当，整个装配生产现场物流系统都会受影响，增加在制品数量和库存量。

3.2 投产顺序的实施

3.2.1 保持均匀的零部件消耗速率

生产现场装配生产现场上的装配产品类型的多样性决定了所需零部件的差异性，装配过程中零部件的种类和运算量波动较大。合理的投产顺序可以减少供应零件的各工作中心的产量及运送量的变化，减少在制品的库存量，保持各种零件在单位时间内的使用量就应尽可能保持不变。

3.2.2 最小化工作站的超载时间和闲置时间

在一次投产顺序中，装配生产现场上可能出现的一种情况是，一个单位的产品装配结束后，下一个单位的产品还没有进入该工作站，操作工需要回到工作站起点等待，这就是闲置现象；另外一种情况是是操作工在其自身的工作站内未能完成一个单位产品的装配作业，剩余的装配作业需要从线外调用工人来及时帮助完成，这就是超载现象。最小化工作站的闲置与超载时间，就是确定型号的某一投产顺序以使各工作站的时间比较接近。也就是说，当某个投入产品型号在某工作站的作业时间较长，那么下一个投入产品型号在该工作站的作业时间应该较短。

3.2.3 最小化生产循环周期

最小生产循环周期是当几种产品按照一定的投产顺序投入装配生产现场时，生产一个循环所经历的时间。生产现场装配生产现场上同一型号产品在不同工作站上的作业时间的存在差异，不同型号的产品在同一工作站上的作业时间存在差异，所以投产顺序不同，最小循环周期也可能不同。合理的投产顺序，能够缩短生产周期，提高竞争力，增加经济效益。

3.2.4 调整时间最短

生产现场装配生产现场上不同品种产品可能所使用的工装装置不同导致切换不同品种产品需要大量调整时间，总的调整时间与投产顺序有关。合理的投产顺序，可缩短总的调整时间，进而缩短整个生产周期，增加经济效益。

3.2.5 最大延迟时间最短

在订单要求下，不同产品的交货时间可能不同，为了使企业能够达到准时供货的理想方式，需要合理安排产品的投产顺序，节约时间，增大产量。本文研究投产顺序问题的两个优化目标，分别是最小化工作站的超载时间和闲置时间，该目标有利于实现装配生产现场的负荷均衡；最小化生产循环周期，该目标有利于缩短生产周期。

4 中大功率发动机小批量生产现场装配工艺-案例分析

4.1 装配生产现场概述

大型车辆发动机的整个生产过程是由发动机的零件加工、发动机装配及发动机生产试验三部分组成。其中发动机装配部分是一个对发动机顺序装配的流水线工艺过程，发动机能否保证良好的工作性能和经济性以及可靠性，取决于装配工作的好坏，即装配工艺过程对产品质量起决定的影响。因此，为了提高装配质量和生产效率，必须对与装配工艺有关问题进行研究，由于装配工艺的复杂性，装配生产现场在整个生产过程中更为关键。

图1：中大功率发动机装配过程的典型工艺图

本文所研究的发动机装配生产现场是某某集团发动机厂SD系列的发动机总装，整个车间长度320m，宽度27m，装配生产现场的实际长度是158m。装配生产线由于一条总装线和5条分装线构成。发动机装配生产现场主要包括总装线、分装线、工作站器具等。目前，总装线和分装线上工件的输送通常采用柔性输送线，并在输送线上配置自动化装配设备，以提高效率。柔性输送线主要分为摩擦辊道输送线和启停式动力辊道输送线两种。

4.2 工艺流程

典型发动机装配生产现场的工艺流程包括各组合件装配和总成装配两部分。在装配过程中，如果总装配生产现场因故停线，发动机分装线将正常运行，直到分装线库存达到一定数量。也就是说当总装配生产现场输送带停止运行时，则分线上与总装线对应的发动机总成将全部被输送到与之对应的轨道。当装配生产现场恢复正常生产时，恢复总装线的发动机装配，这时，分装线可以比总装线晚一段时间恢复生产。

4.3 存在的问题

经过调研，发动机生产现场装配生产现场存在下面几个问题：(1)在订单较多，且生产型号较多的情况下，产量不能满足要求；(2)各个工作站的负荷不均衡。存在瓶颈工作站使得工作站的作业时间超过生产现场装配生产现场的节拍；(3)对于瓶颈工作站，需要线外辅助人员协助赶工，保证产品在进入下道工作站前完成上道工作站的装配任务；(4)由于装配工艺设备落后，故障率高；对于首次装配的发动机，操作工不熟练，某些工作站不能按时完成任务；零件供应不足。这三种情况都可能导致装配生产现场停产；(5)装配工人分配不均衡，有些空闲，有些太忙；装配工人的质量意识、技能素质和操作经验差别较大；针对上述问题，必须对SD系列生产现场装配生产现场进行平衡设计、产品投产顺序设计等工作，以提高生产效率，提高生产能力、降低成本。

4.4 解决措施

我们对某某集团SD系列发动机混流装配线进行规划，对平衡问题和投产顺序问题在C++平台上进行算法模块设计，通过数字化仿真对现有装配线进行作业元素的重新分配进而平衡装配线，在平衡的基础上对几种不同产品的投产顺序进行求解，使现场工程人员能迅速的利用其功能进行仿真，提高了工作效率。

总之，中大功率发动机小批量生产现场装配工艺需要解决生产现场平衡与顺序问题，我们为此对生产现场装配线进行了较为详细的规划，规划内容包含两个问题，一个是平衡问题，另一个是投产顺序问题，并对发动机生产现场装配生产线规划进行了案例验证。

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