基于SPS模式的城軌轉(zhuǎn)向架裝配線物料配送研究

高昆侖 侯光亮 唐志文

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111

引言

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，城軌車輛產(chǎn)品種類更加豐富，這給我國軌道裝備制造企業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。多項(xiàng)目、多車型的混流共線生產(chǎn)模式憑借其靈活的轉(zhuǎn)換、較高的設(shè)備利用率和較低的設(shè)備投資，已經(jīng)成為軌道裝備制造主機(jī)企業(yè)主要的生產(chǎn)模式。而傳統(tǒng)的線邊庫物流模式，由于裝配線的共線增容和產(chǎn)量的不均衡波動，使線旁的物料種類和數(shù)量增加導(dǎo)致物料空間緊張、車間擁擠；另外，物料堆積給物料管控增加難度，不斷提高生產(chǎn)物流成本。

轉(zhuǎn)向架作為城軌車輛的走行部件，是軌道車輛最重要的部件之一。而轉(zhuǎn)向架裝配是轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，裝配過程中涉及物料種類繁多，物料外觀、大小差異較大，且對物料供應(yīng)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性要求不同。本文以城軌轉(zhuǎn)向架裝配線為研究對象，針對傳統(tǒng)的線邊庫配送模式存在的問題，將SPS配送模式（Set Parts Supply，單量份成套配送）引入裝配線，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架組裝過程物料、產(chǎn)成品的一體化、自動化輸送，提升生產(chǎn)線智能化水平。

1 轉(zhuǎn)向架裝配線物流分析

1.1 轉(zhuǎn)向架裝配工藝

轉(zhuǎn)向架裝配線工藝過程主要有零部件預(yù)組壓裝、構(gòu)架組掛、轉(zhuǎn)向架落成、轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)4道主要的裝配工序和物料配檢若干輔助作業(yè)組成。轉(zhuǎn)向架裝配線工藝流程如圖1所示，每道工序由不同施工人員依次完成，零部件預(yù)組壓裝對軸箱彈簧、牽引拉桿組成、牽引梁組成等小件進(jìn)行壓裝預(yù)組；構(gòu)架組掛對制動單元、減振器、管路、差壓閥、橫向擋等附件進(jìn)行組裝；轉(zhuǎn)向架落成進(jìn)行輪對擺放、構(gòu)架落成、轉(zhuǎn)向架尺寸測量調(diào)整、驅(qū)動裝置組裝等；轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)進(jìn)行加載試驗(yàn)、制動試驗(yàn)、管路等氣密性試驗(yàn)以及銘牌安裝等。各工序之間聯(lián)系緊密，工人分工明確，但某一工序因欠料或作業(yè)時(shí)間不均衡等異常情況會造成前工序的在制品積壓嚴(yán)重，占用生產(chǎn)空間及資源，而后工序空閑等待造成資源浪費(fèi)，延長生產(chǎn)制造周期。

圖1 轉(zhuǎn)向架裝配工藝

1.2 轉(zhuǎn)向架裝配線布局

轉(zhuǎn)向架裝配車間布置多條裝配線，因組裝時(shí)轉(zhuǎn)向架在各工序間進(jìn)行順次流動，裝配線呈直線型平行布置。根據(jù)裝配工序及作業(yè)區(qū)域?qū)⒄麠l裝配線劃分為零部件預(yù)組壓裝區(qū)、構(gòu)架組掛區(qū)、轉(zhuǎn)向架落成區(qū)及轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)區(qū)4個(gè)主裝配作業(yè)區(qū)和1個(gè)物料配檢作業(yè)區(qū)。每個(gè)作業(yè)區(qū)的工人一般要完成多道連續(xù)的作業(yè)工步。待作業(yè)區(qū)內(nèi)的所有作業(yè)內(nèi)容全部裝配完畢后，統(tǒng)一由工人將轉(zhuǎn)向架吊運(yùn)至下一個(gè)作業(yè)區(qū)。兩個(gè)工序間往往設(shè)有臨時(shí)緩存區(qū)，用于存放有質(zhì)量問題待返工、超額完成的產(chǎn)品。

1.3 轉(zhuǎn)向架裝配物料配送問題

在對轉(zhuǎn)向架裝配線詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，繪制出魚骨圖（如圖2），通過魚骨圖來分析查找在物料、設(shè)備、人員、信息等方面存在的問題。分析總結(jié)出裝配線主要存在的問題如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架裝配物料配送問題分析魚骨圖

2 基于SPS的轉(zhuǎn)向架裝配線物料儲運(yùn)模式

SPS配送，由物料配檢人員將單輛臺份裝配所用物料揀選后，按照生產(chǎn)線上不同產(chǎn)品的投放順序和工序工位生產(chǎn)節(jié)拍，通過AGV小車運(yùn)輸至對應(yīng)裝配臺位，不同工位間的在產(chǎn)品等待時(shí)間極小或等于零，以此實(shí)現(xiàn)裝配產(chǎn)線各工序的平衡、同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 基于SPS配送模式的轉(zhuǎn)向架裝配線輸送方案

SPS輸送方式要保證物料在產(chǎn)線上輸送時(shí)具有穩(wěn)定性、安全性，同時(shí)滿足與對應(yīng)產(chǎn)品到達(dá)各裝配臺位的同步性，與線旁其他生產(chǎn)資源無干涉、可通過性以及保證托盤內(nèi)物料完好無缺。由于轉(zhuǎn)向架裝配線在制品輸送方式依靠工人、天車吊運(yùn)，專人負(fù)責(zé)物料揀選后從倉庫到線邊臨時(shí)緩存區(qū)的配送運(yùn)輸；其次，輪對和轉(zhuǎn)向架體積重量較大，不僅物流效率低、隨意性強(qiáng)、具有安全風(fēng)險(xiǎn)，而且配檢人員作業(yè)任務(wù)繁重，勞動強(qiáng)度大。因此，需要對裝配線的輸送方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)在制品物料的同步輸送，提高生產(chǎn)效率[1]。

AGV小車是現(xiàn)代先進(jìn)的裝配線廣泛采用的物流運(yùn)輸工具，可以實(shí)現(xiàn)裝配線產(chǎn)品和物料的同步化、自動化輸送，且具有安全、高效、便捷等優(yōu)勢。本文考慮在裝配車間建立AGV移動裝配臺位，該移動臺位能夠?qū)崿F(xiàn)物料、構(gòu)架、輪對組成等產(chǎn)品的自動化搬運(yùn)、運(yùn)輸、裝卸，有效保證物料輸送和在制品裝配作業(yè)的無縫銜接。AGV小車的結(jié)構(gòu)如圖3所示，小車設(shè)計(jì)有專用夾具對輪對、構(gòu)架及裝配物料進(jìn)行夾裝固定，保證運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)物料和產(chǎn)品的同步自動化輸送，提高生產(chǎn)物流效率。因此，該AGV小車即是物料儲運(yùn)工具，也是轉(zhuǎn)向架裝配臺位。

圖3 轉(zhuǎn)向架組裝AGV小車模型

3 基于SPS的轉(zhuǎn)向架裝配線總體方案

3.1 轉(zhuǎn)向架裝配線方案

基于SPS的轉(zhuǎn)向架裝配線方案具體運(yùn)行流程如下：①依據(jù)產(chǎn)線排產(chǎn)計(jì)劃，物料配檢工序先后完成AS/RS自動化立體庫的入庫暫存、出庫配檢作業(yè)；②立體庫系統(tǒng)將裝有物料的儲運(yùn)一體化工裝輸送至環(huán)形物料分揀傳送帶，物料分揀站負(fù)責(zé)當(dāng)前工裝內(nèi)所需物料的分揀；③成套物料分揀完畢后，裝有成套物料的托盤、儲運(yùn)工裝被傳送至立體庫臨時(shí)存放架等待出庫作業(yè)；④根據(jù)系統(tǒng)排產(chǎn)、出庫計(jì)劃和當(dāng)前裝配線生產(chǎn)狀態(tài)，AGV物料小車抵達(dá)成套物料暫存區(qū)，由立體庫執(zhí)行成套物料出庫作業(yè)；⑤裝有輪對、構(gòu)架和成套物料的AGV小車沿裝配線運(yùn)行，由各個(gè)工序人員完成該工序裝配作業(yè)后，流轉(zhuǎn)至下工序；⑥轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)工序作業(yè)完成后，AGV小車進(jìn)入轉(zhuǎn)向架整備交檢區(qū)，交檢完成后卸下轉(zhuǎn)向架組成，載有空物料托盤的AGV小車返回回收托盤待命或執(zhí)行下一作業(yè)循環(huán)。

基于上述方案流程，繪制轉(zhuǎn)向架裝配線方案圖，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向架裝配線方案圖

3.2 轉(zhuǎn)向架裝配線工序生產(chǎn)平衡測算

合理的工序劃分和工位節(jié)拍設(shè)定，有利于平衡產(chǎn)線各作業(yè)單位的負(fù)荷，降低工序間產(chǎn)成品的滯存，提高產(chǎn)線AGV運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

3.2.1 各工序定額工時(shí)測定。利用裝配產(chǎn)線現(xiàn)場工序工時(shí)寫實(shí)的方法，對各個(gè)工序工位以及具體工步的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行測算，形成各工序的定額工時(shí)表，具體見表1。其中，轉(zhuǎn)向架類型分為動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，兩種轉(zhuǎn)向架在各個(gè)工序的裝配作業(yè)存在差異，導(dǎo)致動、拖車各工序作業(yè)時(shí)間不同。本文取各工 序動、拖車轉(zhuǎn)向架裝配時(shí)間較大者為該工序的實(shí)際定額工時(shí)。

表1 各工序定額工時(shí)測算表（單位：min）

依據(jù)表1做出各工序定額工時(shí)堆疊圖（如圖5所示）。從圖5可以看出，轉(zhuǎn)向架裝配生產(chǎn)線各個(gè)工序間的定額作業(yè)時(shí)間極不均衡，具體為構(gòu)架組掛工序和轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)工序定額工時(shí)分別為240min、270min，極大于零部件壓裝工序和轉(zhuǎn)向架落成工序的定額工時(shí)180min、160min。因此，在構(gòu)架組掛工序和轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)工序極易出現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸問題，造成該工序產(chǎn)成品或在制品的積壓，不僅占用車間生產(chǎn)空間，還會延長整條產(chǎn)線產(chǎn)品生產(chǎn)周期，導(dǎo)致其他工序存在作業(yè)等待現(xiàn)象，不符合精益生產(chǎn)管理規(guī)定。

圖5 轉(zhuǎn)向架裝配各工序定額工時(shí)堆疊圖

3.2.2 轉(zhuǎn)向架裝配線工序平衡。轉(zhuǎn)向架裝配線工序平衡的思路，即根據(jù)轉(zhuǎn)向架裝配工序各工步作業(yè)時(shí)間，將各工步進(jìn)行劃分合并成若干個(gè)作業(yè)工位，使得各個(gè)作業(yè)工位的合計(jì)作業(yè)時(shí)間相對均衡，滿足轉(zhuǎn)向架裝配線AGV小車運(yùn)輸條件，盡可能降低各工序在產(chǎn)品積壓情況，實(shí)現(xiàn)裝配線工序作業(yè)時(shí)間的平衡優(yōu)化。

根據(jù)各工步作業(yè)時(shí)間，在滿足工序內(nèi)各工步施工順序、不影響后續(xù)工步作業(yè)的前提下對工序包含的工步重新進(jìn)行順序調(diào)整，將4個(gè)工序分別拆分為若干個(gè)子工位，每個(gè)子工位內(nèi)包含2-3個(gè)工步，每個(gè)子工位內(nèi)的作業(yè)時(shí)間以90min為單個(gè)生產(chǎn)周期，使得各子工位的定額工時(shí)盡可能均衡。其中，軸箱彈簧組成預(yù)組、中央牽引裝置預(yù)組需在大型液壓力機(jī)臺位作業(yè)；將構(gòu)架組掛工序中的配管、零部件組裝兩個(gè)工步進(jìn)行合并，拆分為兩個(gè)周期為85min的組掛子工位。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架裝配線平衡工 序如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向架裝配線工序平衡調(diào)整優(yōu)化表（單位：min）

工藝平衡率是衡量生產(chǎn)線各工序工位的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間一致性程度的重要指標(biāo)，常用來表示生產(chǎn)線是否運(yùn)行良好和順暢。當(dāng)生產(chǎn)線出現(xiàn)瓶頸工序時(shí)，就會不可避免的影響到生產(chǎn)線的平衡率。工藝平衡率改善的基本原則就是通過調(diào)整工序的作業(yè)內(nèi)容來使各工序作業(yè)時(shí)間接近或減少這一偏差[2-3]。工藝平衡率的計(jì)算公式為：

其中，表示第個(gè)工序或工位的作業(yè)時(shí)間；表示工序或工位數(shù)量；表示工序或工位的節(jié)拍，通常取個(gè)工序或工位作業(yè)時(shí)間中的最大值。根據(jù)上述計(jì)算公式，計(jì)算得到平衡優(yōu)化前后的工藝平衡率分別為：①平衡前P1=850/（4×270）×100%=78.7%；②平衡后P2=850/（10×90）×100%=94.4%。

因此，通過對轉(zhuǎn)向架裝配線工序進(jìn)行平衡優(yōu)化，工藝平衡率提升了15.7%，工序間的瓶頸等待時(shí)間由原來最大的110min減少至20min，使產(chǎn)線更好的適用于AGV運(yùn)輸條件，避免工序間產(chǎn)品積壓和等待的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語

目前，軌道交通裝備制造具有品類繁多、工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)混流生產(chǎn)方式下的生產(chǎn)線裝配模式具有重要的研究意義。本文以城軌轉(zhuǎn)向架裝配線為研究對象，在對轉(zhuǎn)向架裝配工藝方法和布局概述的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析了轉(zhuǎn)向架裝配線物流運(yùn)輸問題，發(fā)現(xiàn)了裝配線工序間在制品積壓、工序不平衡、現(xiàn)場管理不便的問題?；诖?，本文引入了基于SPS的轉(zhuǎn)向架裝配線物料儲運(yùn)模式，建立了SPS模式下轉(zhuǎn)向架裝配線布局運(yùn)作方案，并基于裝配線工序定額工時(shí)測算進(jìn)行工序平衡優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工序間物流、信息流的無縫對接，為軌道交通制造業(yè)建立“物至人”裝配生產(chǎn)線提供思路借鑒。