2009-基于仿真的汽车发动机再制造生产线配置优化

图 3 连杆再制造生产线的仿真模型
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工 业 工 程
第 12卷
模型中以小车作为“资源 ”,负责在不同工序之 间运输工件 ,并假定小车在不同工序间的运行时间 为固定值 。实际生产中 , 可用传送带来代替小车 。 运行仿真模型可知 : 该连杆生产线年产量为 9 943 个 ,与生产需求相比有较大差距 。各工序 (设备 )的 性能指标如表 2所示 。
产需求为前提 ,在分析再制造工艺的基础上 ,基于 ProModel软件构建再制造生产线仿真模型 ,根据性 能数据的分析优化生产线的配置 。限于篇幅 ,只介 绍连杆再制造生产线的仿真与优化 。
ProModel软 件 的 主 要 建 模 元 素 有 [ 10 ] : ①实 体 ( entity) ,表示待加工的毛坯 、零件等 ; ②位置 ( loca2 tion) ,用来表示各加工或装配工序 ; ③到达 ( arrival) , 定义实体进入系统的时间 、位置 、批量及频率等 ; ④ 处理 (p rocessing) ,每个实体在各工序的操作逻辑 ,如 操作时间 、运行规则等 ,它是仿真建模的重点 ; ⑤班 次 ( shift) ,车间的作业时间安排 ; ⑥资源 ( resource) , 用来运送实体 、完成操作或对位置进行维护的模型 对象 。 ⑦变量 ( variable) ,用来定义系统状态 。以实 体的 、等定义要素之间的关系 、描述系统模型的运行 逻辑 。 2. 2 发动机连杆再制造生产线的仿真
第 12卷第 1期 2009年 2月
工业工程 Industr ia l Eng ineer ing Journa l
Vol. 12 No. 1 February 2009
基于仿真的汽车发动机再制造生产线配置优化
苏 春 ,Baidu Nhomakorabea孙 瑜
(东南大学 机械工程学院 ,江苏 南京 211189)
摘要 : 以汽车发动机再制造生产线为对象 ,以设备配置优化和生产线平衡为目标 ,在分析发动机再制造流程和采集 基本工艺数据的基础上 ,建立了发动机零部件再制造生产线仿真模型 ;在分析生产线性能数据的基础上 ,提出改进 与优化方案 ,实现了生产线的平衡 ,从而以最小的投入满足生产需求 。 关键词 : 再制造 ;汽车发动机 ;仿真 ;生产线配置 中图分类号 : F406. 5; TH16 文献标识码 : A 文章编号 : 100727375 (2009) 0120066204
按年再制造 15 000台发动机计算 ,按两班制 (16 h / d)安排生产 ,考虑节假日等因素 ,平均每星期 (合 10 080 m in)需生产发动机 320 台 ,即旧发动机到达 的间隔为 320台 /10 080 m in。根据对再制造工序的 调查统计 ,确定各工序所需时间参数如表 1所示 。
Abstract: Based on the analysis of engine rem anufacturing p rocess and fundamental data, a simulation model of the p roduction line for the remanufacturing of automobile engine parts was established, w ith the remanufacturing p roduction line of automobile engine as an object, and the op tim ization of the configuration of equipments and the balance of the p roduction line as an aim. B ased on the analysis of the performance data of the p roduction line, the modified and op timal schemes were brought forward, the line balancing was achieved, so the p roduction requirement can be satisfied w ith the m inimal investment. Key words: rem anufacturing; automobile engine; simulation; configuration for p roduction line
1 汽车发动机再制造的工艺流程分析
发动机是汽车的动力装置 ,也是最早开展再制 造研究的领域 。发动机再制造是以报废或退役发动
收稿日期 : 2008206204 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (70671022) 作者简介 : 苏春 (19702) ,男 ,安徽省人 ,副教授 ,博士 ,主要研究方向为制造系统建模与仿真 、可靠性工程等.
等待 6. 00 3. 34 3. 25 6. 32 3. 18 6. 17 7. 06 0. 15
堵塞 2. 70 0. 00 0. 07 4. 88 12. 99 0. 00 0. 00 0. 00
由表 3可知 : 1)经过优化后 ,连杆探伤工序的堵 塞率大幅下降 ,珩磨机床工序也不再是生产线的瓶 颈工序 。2)由于工序自身特性 ,重量分组 、检测等工 序的利用率偏低 。3)主要加工工序处于加工状态的 比例较为平衡 ,但空闲率和等待率偏高 ,原因在于毛 坯的到达速率偏低 ,导致各加工工序生产能力过剩 。
3. 08 3. 39 3. 57 3. 21 3. 44 3. 56 3. 45 0. 00
54. 42 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 2. 29
15 747个 ,满足生产需求 。各位置的利用率如图 5所 示 。此时 ,生产线各加工工序的利用率较高且较为 平衡 。
图 4 再次优化后连杆生产线的仿真模型
由表 2 可知 ,在连杆探伤工序处于加工状态的 比例只有 37124% ,而堵塞率高达 54142%。经分析 可知 :后续工序 (如珩磨机床 、纳米刷镀 )处于加工状 态的比例很高 ,加工能力的不足导致连杆探伤工序 出现堵塞现象 。为此 ,将珩磨机床 、纳米刷镀和小头 孔磨削工序并行设备的数量分别增加到 2,模型其它 参数不变 。再次仿真 ,连杆生产线年产量为 15 203 个 ,满足生产需求 。第 1次优化后的系统性能如表 3 所示 。
随着工业化进程的推进和人口数量的增长 ,人 们消耗的资源量在急剧增加 ,已经影响到人类的可 持续发展 。再制造 ( remanufacturing) 通过 回收 、拆 卸 、分拣 、清洗 、喷涂 、翻修以及再装配等环节 ,修复 或改造废旧产品 ,恢复产品性能 [ 1 ] 。再制造有利于 发挥材料性能 ,减少材料消耗 ,减轻环境污染 ,降低 生产成本 ,是实现可持续发展的有效途径 。
表 2 优化前生产线各工序的性能指标
%
名称
加工
空闲
等待
堵塞
连杆探伤 珩磨机床 纳米刷镀 更换衬套 小头孔磨削 连杆磨床 重量分组
检测
37. 24 96. 61 90. 74 24. 11 70. 22 50. 39 10. 09 24. 19
5. 26 0. 00 5. 69 72. 68 26. 34 46. 05 86. 46 73. 52
表 3 第 1次优化后连杆各工序的性能指标 %
名称 连杆探伤 珩磨机床 纳米刷镀 更换衬套 小头孔磨削 连杆磨床 重量分组
检测
加工 56. 86 73. 74 69. 29 36. 73 53. 66 76. 65 15. 38 36. 78
空闲 34. 44 22. 92 27. 39 52. 07 30. 17 17. 18 77. 56 63. 07
5 μ = 12,σ = 15
根据连杆再制造工艺流程 ,建立仿真模型如图 3 所示 。仿真模型中 ,各位置对应于生产线中的工序 或设备 ,如珩磨机床 、纳米刷镀 、更换衬套 、检测等 。 其中 ,托盘起缓冲区的作用 ,以免系统因堵塞而瘫痪。
2 发动机连杆再制造生产线的建模 、 仿真与优化
2. 1 再制造生产线仿真概述 以某型发动机再制造生产线为对象 ,以满足生
表 1 各工序加工所需时间分布及其参数
工序名称 连杆探伤 珩磨机床 纳米刷镀 更换衬套 小头孔磨削 连杆磨床 重量分组
检测
分布类型 正态分布 正态分布 正态分布 正态分布 正态分布 正态分布
确定值 正态分布
参数 /m in μ = 18,σ = 12 μ = 48,σ = 23 μ = 45,σ = 5 μ = 12,σ = 5 μ = 35,σ = 18 μ = 25,σ = 13
O ptim ized Conf igura tion for the Production L ine of Autom ob ile Eng ine Remanufactur ing ba sed on S im ula tion
Su Chun, Sun Yu
( School of M echanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)
图 2 连杆结构
连杆再制造的主要工序为 :连杆探伤 →大头孔 珩磨 →大头孔纳米刷镀 →小头孔更换衬套 、加工衬 套孔 →连杆平面磨削 →连杆重量分组 →连杆大 、小 头孔平行及扭曲检查 。
发动机各部件的再制造过程相对独立 ,可视为 独立的排队系统 。当工件到达速率大于当前工序或 设备的服务速率时 ,就会出现排队现象 ,使后续设备 处于空闲或等待状态 ,导致生产线效率下降 ,但是盲 目地增添设备又会造成设备的闲置和资源浪费 。因 此 ,有必要对再制造生产线进行仿真 ,以确定系统的 最佳配置 。
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第 1期
苏 春 , 孙 瑜 :基于仿真的汽车发动机再制造生产线配置优化
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机为基础 ,通过拆解 、清洗 、检测 、零部件再制造 、整 机测试等工序 ,生产出符合性能要求的新发动机 。 图 1所示为发动机再制造的工艺流程 [ 8 ] 。
汽车是最早开展再制造研究的领域之一 ,在欧 美地区已形成很大的产业规模 [ 2 ] 。目前 ,美国每年 销售的再制造汽车零部件达 6 000万件 [ 3 ] ,再制造业 的年产值超过 1 000 亿美元 ,从业人员达 100 多万 人 [ 4 ] 。 Giuntini[ 5 ]指出 ,再制造将是提升美国生产力 水平的又一个重要机遇 。近年来 ,我国政府开始重 视汽车再制造业的发展 。2006年 2月国家发展和改
图 1 发动机再制造的工艺流程
发动机再制造的主体是缸体 、缸盖 、曲轴 、连杆 等核心零部件的再制造 ,关键技术为纳米电刷镀 、热 喷涂 、微脉冲冷焊等表面工程技术 [ 9 ] 。以连杆为例 (见图 2) ,它是发动机中传递动力的部件 ,工作过程 中大头孔与曲轴作回转运动 、小头孔与活塞作往复 运动 ,在周期性交变应力作用下 ,会发生大 /小头孔 变形 、磨损以及划伤等失效 。采用纳米电刷镀技术 可修复连杆的变形 、磨损和划伤 ,并通过后续工序恢 复连杆的性能 。
革委员会等部门发布了《汽车产品回收利用技术政 策 》,拟定了我国汽车再制造的发展目标 [ 6 ] ; 2008 年 3月国家发展和改革委员会发布《汽车零部件再制 造试点管理办法 》,选择 3 家汽车整车企业和 11 家 零部件企业开始汽车再制造试点 [ 7 ] 。
本文以发动机再制造生产线为对象 ,基于 Pro2 Model软件建立发动机生产线仿真模型 ,通过对资源 利用率 、生产率等数据的分析 ,寻找生产线的瓶颈环 节 ;通过改变设备配置实现生产线性能的优化 ,为再 制造车间的规划设计提供决策依据 。