動車組轉(zhuǎn)向架裝配線規(guī)劃研究

□ 呂國艷 □ 賀靖倫 □ 王銀靈 □ 王世建

1．中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266000

2.北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院 北京 100044

3.石家莊中車軌道交通裝備有限公司 石家莊 050000

1　研究背景

隨著我國高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，我國高速鐵路列車的制造逐漸從引進仿制邁向了自主創(chuàng)新，國產(chǎn)動車組的產(chǎn)能要求也在不斷提高。作為機車車輛的重要組成部件，動車組轉(zhuǎn)向架擔(dān)負著承載、牽引、緩沖、導(dǎo)向、制動等任務(wù)［1］。隨著國內(nèi)動車組產(chǎn)量需求的不斷提高及精益生產(chǎn)理念的普及與深入，人們對動車組轉(zhuǎn)向架裝配線的作業(yè)效率與產(chǎn)能提出了更高的要求。目前，我國轉(zhuǎn)向架裝配序列不太合理，生產(chǎn)效率不是很高，不能很好地適應(yīng)企業(yè)低成本、快節(jié)奏生產(chǎn)的需要，因此還有待進一步提高［2］。

為改善動車組轉(zhuǎn)向架裝配效率，眾多專家學(xué)者從不同角度和領(lǐng)域展開了研究。席友梅等［3］秉承精益制造思想，從準(zhǔn)時化生產(chǎn)、制造工藝、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)及現(xiàn)場管理四個方面制訂了轉(zhuǎn)向架制造的精益生產(chǎn)方案。杜忠寶［4］從企業(yè)管理者的角度，將精益管理模式引入轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)與裝配工作中。席智星等［5］從人機工程學(xué)角度對CRH380B型高速動車組轉(zhuǎn)向架的裝配工藝進行了優(yōu)化。范瑋等［2］為轉(zhuǎn)向架的制造設(shè)計了柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化工裝。石致遠等［6］為轉(zhuǎn)向架裝配車間建立了數(shù)字化工廠，以優(yōu)化裝配過程與物料流動。張波等［7］提出了一種制造執(zhí)行系統(tǒng)框架，以改善企業(yè)對于轉(zhuǎn)向架排產(chǎn)計劃和生產(chǎn)過程的管理。毛銀等［8］應(yīng)用取消、合并、重排、簡化四原則等工業(yè)工程相關(guān)理論，使轉(zhuǎn)向架裝配生產(chǎn)線平衡效果得以改善。

筆者在對現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架裝配工藝進行充分調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上，對適合轉(zhuǎn)向架自動化裝配的作業(yè)重新進行規(guī)劃，以有效縮短轉(zhuǎn)向架的裝配周期，在符合實際裝配要求的前提下，提高裝配線的平衡率與裝配效率，同時最大程度減少裝配過程中各方面的浪費。

2　裝配序列規(guī)劃總體流程

動車組轉(zhuǎn)向架裝配過程復(fù)雜，涉及的部件和裝配資源多，操作精度要求高，所以對于動車組轉(zhuǎn)向架的裝配序列規(guī)劃，不應(yīng)全程單一應(yīng)用某一種方法，而應(yīng)多角度綜合考慮［9］。筆者將充分運用多種方法進行不同層次的分析，最大程度地發(fā)揮每一種方法的優(yōu)勢，并避免拘泥于某一種方法，從而制訂出較優(yōu)且符合項目實際情況的裝配序列規(guī)劃方案。

采用的裝配序列規(guī)劃總流程如圖1所示。首先運用拆卸反演法分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及需裝配部件和需完成操作的結(jié)構(gòu)或特點，確定某些部件或操作的緊前緊后關(guān)系，并確立裝配的初步約束；然后引入每項作業(yè)的參考工時，運用啟發(fā)式算法將各項作業(yè)合理地置入各工作站，進行裝配線的平衡優(yōu)化，提高全線的平衡率，最大程度消除瓶頸；最后根據(jù)工藝相似度、裝配實際情況及企業(yè)要求等因素對工作站順序進行規(guī)劃，并對作業(yè)順序進行微調(diào)。

▲圖1 裝配序列規(guī)劃總流程

3　拆卸反演法

拆卸反演法指在裝配建模的基礎(chǔ)上，基于可拆即可裝思想［10］，根據(jù)裝配過程是拆卸過程反演的原則［11］，在三維計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件中充分利用已裝配完成的三維模型裝配結(jié)構(gòu)進行逐步分解或拆卸，通過結(jié)合各部件的結(jié)構(gòu)特點和拆卸過程中的各方面問題，逆向推理出合理的裝配序列。

對于所研究的動車組轉(zhuǎn)向架裝配線裝配序列規(guī)劃，其特點是各裝配部件形狀、大小和質(zhì)量差異大，且多數(shù)與構(gòu)架的配合較為密切，裝配精度要求較高，不少部件或操作之間具有顯性或隱性的緊前緊后關(guān)系。運用拆卸反演法對轉(zhuǎn)向架裝配體進行分解拆卸，可直觀地分析每個部件的結(jié)構(gòu)特點，確定一些明確的緊前緊后關(guān)系，以便對后續(xù)的規(guī)劃進行指導(dǎo)和約束。

以動車組轉(zhuǎn)向架三維裝配模型為基礎(chǔ)，在三維CAD軟件中進行拆卸反演。根據(jù)轉(zhuǎn)向架的最終裝配模型生成爆炸視圖，通過對爆炸視圖生成過程中各零部件合理拆卸序列的分析，結(jié)合需要拆卸的各零部件結(jié)構(gòu)特點，確定緊前緊后關(guān)系或關(guān)鍵點。

由天車吊運構(gòu)架主體，在空中調(diào)整方位后，從豎直方向自上而下進行落車，使構(gòu)架上各定位點與輪對總成體的各定位點準(zhǔn)確配合，尤其是輪對軸箱體上的定位臂節(jié)點錐形塊要準(zhǔn)確嵌入構(gòu)架定位臂T型槽位置。轉(zhuǎn)向架落成后，由于輪對及其附帶組件的存在，之后的作業(yè)無法再在可升降裝配臺位上進行，因此自動導(dǎo)引運輸小車無法穿行于構(gòu)架底部進行部件的運輸、對準(zhǔn)、托舉等動作。由于輪對及其組件的體積較大，導(dǎo)致構(gòu)架在兩端輪對之間的底部工作空間被大幅壓縮，因此需在轉(zhuǎn)向架落成前，完成構(gòu)架上相對于輪對靠近構(gòu)架中心范圍內(nèi)所有底部組件的裝配，即在轉(zhuǎn)向架落成前，提前安裝構(gòu)架底部的牽引拉桿、構(gòu)架兩側(cè)的底部抗蛇行減振器座，以及靠近構(gòu)架中心的制動夾鉗與牽引電機。

如圖2所示，轉(zhuǎn)向架落成后，確認輪對軸箱體上的定位臂節(jié)點準(zhǔn)確，錐形塊嵌入構(gòu)架定位臂T型槽位置（A處）。錐型塊上定位臂主螺栓和構(gòu)架上定位用螺栓孔完全重合并插入后，方可進行預(yù)緊作業(yè)。

▲圖2 軸箱定位臂節(jié)點與構(gòu)架定位臂T型槽對準(zhǔn)

在完成軸箱定位臂螺栓預(yù)緊后，方可進行緊固。

在順利完成轉(zhuǎn)向架落成工作且位置定位準(zhǔn)確的前提下，齒輪箱吊桿穿過構(gòu)架上的齒輪箱吊桿定位孔，此時方可在構(gòu)架上裝配齒輪箱吊桿的上部組件，如圖3所示。

▲圖3 齒輪箱吊桿組件分解及裝配

在完成軸箱定位臂螺栓預(yù)緊后，構(gòu)架主體與輪對總成部分的大部分定位已確定，此時需對零部件進行測量，從而對轉(zhuǎn)向架進行調(diào)整。

由于抗蛇行減振器座、調(diào)整棒座、踏面清掃裝置、橫向減振器座及橫向擋的安裝位置位于構(gòu)架的外側(cè)或上表面，并且在安裝過程中不會對其它組件的裝配及工作空間造成明顯干涉或影響，因此可以參考工時、工藝的相似性及裝配線平衡狀況對裝配順序進行自由分配或調(diào)整。

根據(jù)上述分析，生成初步的裝配序列方案，繪制出緊前關(guān)系圖，如圖4所示。在圖4中各作業(yè)編號對應(yīng)名稱在表1中給出，作業(yè)K、L、M、N完全獨立，為方便后續(xù)分析，以虛線箭頭標(biāo)注，以便安排其裝配位置。

4　裝配線平衡優(yōu)化

根據(jù)工廠實際需求，動車組轉(zhuǎn)向架自動化裝配線共包含五個工作站。裝配線各作業(yè)參考工時見表1，五個工作站總工時為4 501 s，因此工作站的平均工時約為900 s。由于組裝牽引電機所需工時為960 s，是瓶頸作業(yè)時間，因此將裝配線參考節(jié)拍定為960 s。

轉(zhuǎn)向架自動化裝配線裝配序列的工時安排以遵循機械和空間上的緊前關(guān)系為基礎(chǔ)，并結(jié)合啟發(fā)式算法向各工作站分配作業(yè)。工時安排的依據(jù)規(guī)則如下。

（1）各作業(yè)的分配必須嚴(yán)格遵循之前已確定的緊前緊后關(guān)系。

（2）每當(dāng)一項作業(yè)被分配到某個工作站后，計算出該工作站的剩余時間，即工作站的參考節(jié)拍與已被分配時間的差。若工作站由于自身的剩余時間太少，無法再容納任何可被分配的作業(yè)時，則該作業(yè)的分配跳轉(zhuǎn)至下一工作站進行。

（3）在可分配的后續(xù)作業(yè)中，優(yōu)先分配后續(xù)作業(yè)數(shù)最多的作業(yè)。

（4）若可優(yōu)先分配作業(yè)的后續(xù)作業(yè)數(shù)相同，則優(yōu)先分配其中自身工時最長的作業(yè)。

（5）對于完全獨立的作業(yè)，其緊后作業(yè)數(shù)量總是視為0。

▲圖4 緊前關(guān)系圖

表1　動車組轉(zhuǎn)向架自動化裝配線作業(yè)參考工時

（6）由于牽引電機質(zhì)量和體積較大，裝配完成后會對轉(zhuǎn)向架通過天車的運輸造成負擔(dān)，且牽引電機對于作業(yè)空間的擠占較為明顯，因此牽引電機的組裝應(yīng)在符合緊前關(guān)系圖的前提下盡可能延后。

按照上述規(guī)則，將全部作業(yè)向五個工作站進行分配，經(jīng)裝配線平衡優(yōu)化后的初步裝配序列見表2。

裝配線平衡率P為：

式中：T 為作業(yè)總時間，s；CT為瓶頸工作站時間，s；N為工作站數(shù)。

根據(jù)表2，初步裝配序列規(guī)劃方案的作業(yè)總時間為4 501 s，瓶頸工作站時間為960 s，工作站數(shù)為5，求得裝配線平衡率P為93.77%。根據(jù)經(jīng)驗，大型設(shè)備的裝配線平衡率以≥85%為宜，故本初始方案可行。

5　工作站順序規(guī)劃及作業(yè)順序微調(diào)

利用啟發(fā)式算法進行裝配線平衡優(yōu)化，并初步給出各項作業(yè)的分配方案后，各工作站所進行的作業(yè)基本已經(jīng)確定，裝配線的平衡率也得到了保證。但這一裝配線平衡更多還是建立在一系列啟發(fā)式規(guī)則基礎(chǔ)上的，并沒有深入考慮到工廠裝配線的整體實際情況，而某些工作站及作業(yè)的順序尚有調(diào)整余地，所以在保證裝配線平衡率仍處于較高水平的基礎(chǔ)上，還需要對某些工作站和作業(yè)的順序進行微調(diào)。

工作站的順序規(guī)劃應(yīng)保證各工作站的主要工作內(nèi)容在滿足緊前關(guān)系圖的前提下，在宏觀上按照先小件后大件、先附件后落成、先底部后上部、先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的順序進行，以保證為底部、靠內(nèi)側(cè)的部件安裝留出較為充裕的工作空間。當(dāng)同一工作站內(nèi)的各作業(yè)相似性不高時，也可采用此順序進行排列。

當(dāng)兩項作業(yè)的操作相似性較高，或所裝配部件結(jié)構(gòu)的相似性很高，可以使用同一種工裝夾具進行裝配時，可優(yōu)先考慮置于同一個工作站下并緊密排列。這樣一方面有利于線邊物流的規(guī)劃和線邊庫存的分類與管理，另一方面可避免工裝夾具頻繁更換所造成的時間浪費及工藝復(fù)雜程度提升。比如，原1號工作站與2號工作站的所有作業(yè)均無任何緊前關(guān)系，即原1號工作站與2號工作站的順序及工作站內(nèi)各作業(yè)的順序均可調(diào)整，而原1號工作站裝配的部件較大，位置總體相對更靠外、靠上。根據(jù)規(guī)則，應(yīng)使其讓位于裝配部件更小、裝配位置更加靠近內(nèi)側(cè)和底部的原2號工作站。將這兩個工作站作業(yè)內(nèi)容對調(diào)后，發(fā)現(xiàn)原2號工作站中的B、K兩項作業(yè)均為安裝抗蛇行減振器座，工藝相似度極高。根據(jù)規(guī)則，應(yīng)將其緊密排列，且作業(yè)B安裝的是底部的抗蛇行減振器座，位置更加靠下，故將作業(yè)B置于作業(yè)K前。牽引拉桿的安裝位置位于轉(zhuǎn)向架底部中央處，因此將其置于原2號工作站作業(yè)順序的首位。

按以上規(guī)則進行調(diào)整，得到動車組轉(zhuǎn)向架自動化裝配線裝配序列，見表3。

表2　裝配線平衡優(yōu)化后初步裝配序列

表3　動車組轉(zhuǎn)向架自動化裝配線裝配序列

裝配序列規(guī)劃方案的瓶頸工作站時間仍是960 s，裝配線平衡率保持不變，為93.77%。由于這一方案充分考慮了工作空間、工藝相似性等諸多因素，更貼近裝配實際，因此筆者將這一方案確定為最終裝配線規(guī)劃方案。

6　結(jié)論

在對動車組轉(zhuǎn)向架的裝配序列進行規(guī)劃時，由于涉及部件眾多，流程復(fù)雜，因此在不同階段采用不同方法來進行不同層次的分析，取得了良好的效果。筆者的研究方法，在各類列車轉(zhuǎn)向架及其它較復(fù)雜大型設(shè)備的裝配序列規(guī)劃工作中均具有一定的推廣價值。

［1］ 周維江.單輪對動力轉(zhuǎn)向架的設(shè)計研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［2］ 范瑋，李寶旺，李海光.柔性化工裝在鐵路轉(zhuǎn)向架制造中的應(yīng)用［J］.機械制造， 2013，51（11）:49-52.

［3］ 席友梅，關(guān)濤.轉(zhuǎn)向架制造精益生產(chǎn)方案設(shè)計［J］.機車車輛工藝， 2012（3）:46-47.

［4］ 杜忠寶.精益生產(chǎn)管理在企業(yè)管理中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息， 2016（19）:8.

［5］ 席智星，侯金濤，張洪國，等.基于人機工程學(xué)優(yōu)化轉(zhuǎn)向架裝配工藝研究［J］.商品與質(zhì)量， 2017（18）:168.

［6］ 石致遠，付建林，張劍.轉(zhuǎn)向架數(shù)字化裝配工廠規(guī)劃研究［J］.機械設(shè)計與制造， 2017（5）:70-72，76.

［7］ 張波，張曉煜，林碩.機車轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.科技廣場， 2010（6）:6-9.

［8］ 毛銀，孫麗，韋江，等.基于IE理論改善裝配線平衡問題［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報， 2014，35（S1）:107-110.

［9］ 柯翼，周炳海.基于工業(yè)工程技術(shù)的車燈裝配線改善［J］.機械制造，2017，55（5）：97-101.

［10］王朋.基于Tecnomatix的數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃及后處理［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［11］李剛，馬良荔，郭曉明.交互式拆卸引導(dǎo)裝配路徑規(guī)劃方法研究［J］. 計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（10）:248-249，290.