基于全要素仿真的高鐵動(dòng)車組清洗中心設(shè)備配置研究

朱澤群

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司機(jī)動(dòng)院，湖北 武漢 430063）

1 概述

隨著鐵路建設(shè)的推進(jìn)，鐵路配屬動(dòng)車組日益增多，根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)文件，預(yù)計(jì)2025 年全路配屬動(dòng)車組4512 組，2030 年規(guī)劃配屬動(dòng)車組5541 組，中國(guó)高鐵動(dòng)車組的檢修面臨極大的“提質(zhì)增效，減員降本”的壓力。

在動(dòng)車組的檢修過程中，零部件的清洗占整個(gè)作業(yè)過程的11%～16%，是動(dòng)車組檢修工藝中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來，由于動(dòng)車組部件外形復(fù)雜，清潔度要求高，我國(guó)鐵路動(dòng)車組檢修部件清洗任務(wù)十分繁重。現(xiàn)有多采用簡(jiǎn)單的清洗機(jī)和人工手持噴槍清洗，清洗勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，有害物嚴(yán)重地影響工人的身體健康，環(huán)境污染嚴(yán)重，勞動(dòng)保護(hù)等問題一直是困擾檢修部門的一大難題。

經(jīng)過高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，清洗設(shè)備已經(jīng)獲得了一定層度的發(fā)展，智能、高效的專用清洗設(shè)備，鐵路集中設(shè)置的清洗中心及其關(guān)鍵技術(shù)、零散零部件自動(dòng)清洗裝部，也基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。但是動(dòng)車組部件的清洗效率，除了與清洗設(shè)備的功能本身有關(guān)，其清洗件的到達(dá)、緩存區(qū)域的設(shè)置、部件的配送路徑均對(duì)清洗效率有決定性的影響，整個(gè)清洗工藝過程的瓶頸，決定了總體的清洗效率。要想獲得合理的清洗設(shè)備配置，合理確定清洗設(shè)備配置，主要解決拆解和安裝的節(jié)拍問題。

解決這類問題需充分考慮車間布局、部件拆解時(shí)序，拆解用時(shí)，運(yùn)輸路徑，運(yùn)輸工具，部件清洗時(shí)間，工作時(shí)間等要素，才能對(duì)工藝過程進(jìn)行分析，給設(shè)備數(shù)量的配備，緩存區(qū)域的大小，提供滿足要求且經(jīng)濟(jì)可行方案。因?yàn)檐壍澜煌ㄜ囕v的特殊性，車體拆裝流程必須遵循特有原則和專用工裝才能完成，目前，已有相關(guān)的工藝仿真技術(shù)如Flexsim 在動(dòng)車所工藝研究，Plant Simulation 在動(dòng)車組軸箱生產(chǎn)線的相關(guān)研究，可以解決動(dòng)車作業(yè)過程中的工藝問題，但尚無(wú)在清洗工藝方面的研究。

2 清洗需求及工藝研究

動(dòng)車組檢修清洗要求的核心就是基于動(dòng)車組部件拆解、組裝的時(shí)序被洗零部件達(dá)到檢修工藝要求的清潔度，以滿足部件檢查檢修的要求，部件清洗完成時(shí)間，對(duì)后續(xù)組裝節(jié)拍影響很大，直接關(guān)系動(dòng)車組完成檢修的時(shí)間。雖然部分動(dòng)車段已開始配備自動(dòng)化、半自動(dòng)化的清洗設(shè)備，但部件清洗工作總體效率低，沒有完整、順暢的流水線式作業(yè)。

2.1 動(dòng)車組檢修需求

經(jīng)過對(duì)某動(dòng)車段主修車型進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)動(dòng)車組需清洗的部件進(jìn)行了調(diào)研統(tǒng)計(jì)，該d 段主修車型車體（按8 輛編組）含各主要部件30 類，共計(jì)1300 余件，轉(zhuǎn)向架含各主要部件33 類1500 余件。

清洗環(huán)境潮濕，不利于一般檢修工作的開展，因此部件清洗宜集中考慮設(shè)置清洗中心。清洗中心的工作流程與清洗部件的拆裝密切相關(guān)。根據(jù)部件在動(dòng)車段內(nèi)拆解位置、拆解時(shí)序以及零部件形狀和轉(zhuǎn)運(yùn)工具等要素，將動(dòng)車組零部件的清洗單元分為6 類，包括裙板、邊梁、車體零部件、構(gòu)架、輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架零部件。

動(dòng)車組部件按既定時(shí)序進(jìn)行拆解，并沿著規(guī)劃路徑運(yùn)送至清洗位置，輪對(duì)、構(gòu)架、轉(zhuǎn)向架部件等清洗完成后在轉(zhuǎn)向架庫(kù)內(nèi)完成組裝；車體部件從車體分解臺(tái)位拆卸，完成清洗后運(yùn)送至車體組裝臺(tái)位進(jìn)行安裝。

2.2 清洗設(shè)備

根據(jù)動(dòng)車組大部件清洗市場(chǎng)所有的設(shè)備清洗情況，主流清洗設(shè)備的相關(guān)要素如表1 中所示。

表1 清洗設(shè)備關(guān)鍵要素

表2 清洗對(duì)象要素表

表3 來件時(shí)序節(jié)拍表

3 仿真研究

3.1 仿真平臺(tái)選取

產(chǎn)線工藝的可視化仿真是指通過抽象模型來模擬實(shí)際的生產(chǎn)線運(yùn)行，幫助我們了解真實(shí)的生產(chǎn)過程，并對(duì)其進(jìn)行分析與優(yōu)化，然后實(shí)施設(shè)計(jì)和規(guī)劃的活動(dòng)。

經(jīng)對(duì)比市場(chǎng)工藝仿真軟件，Plant Simulation 在工藝節(jié)拍，邏輯設(shè)置上，更具有靈活性，可以從工位時(shí)間、啟動(dòng)方式、故障方式等多個(gè)角度去控制與工位相關(guān)的要素，還可以通過編程，賦予對(duì)象屬性和行為，且能通過多種方式為用戶提供了數(shù)據(jù)分析的功能，還集成了遺傳算法、試驗(yàn)分析器等數(shù)據(jù)分析功能。本次仿真擬采用Plant Simulation。

3.2 車間級(jí)仿真目標(biāo)

時(shí)間要求：根據(jù)動(dòng)車段實(shí)際工作時(shí)間，需設(shè)置班次日歷（每日工作時(shí)間按上午8：00 ～下午18：00，中午12：00 ～下午14：00 為休息時(shí)間。周一至周六為工作時(shí)間考慮），仿真時(shí)間以1 年計(jì)算。

仿真目標(biāo)：滿足該動(dòng)車段動(dòng)車組車組檢修產(chǎn)能配套的清洗作業(yè)。

3.3 仿真要素確定

要完成清洗中心的仿真，首先，需確定清洗中心的清洗對(duì)象、來件節(jié)拍、清洗中心初步布局等，以初步估算清洗中心的設(shè)備配置情況。

（1）清洗對(duì)象。

（2）來件時(shí)序。

4 仿真實(shí)例

某動(dòng)車段解體組裝檢修庫(kù)自東至西依次布置部件組裝、部件檢修區(qū)、部件解體區(qū)、部件檢修區(qū)。車體檢修及油漆庫(kù)自東向西依次布置。本次清洗中心需解決動(dòng)車組高級(jí)修拆裝的車體部件、轉(zhuǎn)向架部件的清洗工作。清洗方案和路徑如圖1 中所示。

圖1 清洗中心走行徑路方案示意圖

4.1 仿真模型

首先，根據(jù)已經(jīng)調(diào)研的資料和工藝流程，我們對(duì)建模的思路進(jìn)行了分析：（1）分析實(shí)際工藝情況，決定需要哪些功能模塊；（2）關(guān)鍵工位流轉(zhuǎn)的邏輯。

然后，結(jié)合既有工藝、功能和現(xiàn)場(chǎng)溝通調(diào)研的結(jié)果，提出方案布局圖，采集仿真區(qū)域的正射影像圖。

調(diào)整好各模塊布局后，獲得的基于實(shí)景的仿真圖像，模型搭建完成后，在仿真運(yùn)行前，還需要進(jìn)行以下操作：①班次日歷的設(shè)置。通過對(duì)班次日歷控制工人的實(shí)際工作時(shí)間；②設(shè)置清洗工人。軟件通過工人池實(shí)現(xiàn)工人的調(diào)度，每個(gè)工人可以有自己獨(dú)特的技能，也可以是多功能型工人，從而滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求；③仿真初始化參數(shù)設(shè)置。在仿真初始階段，將圖表、裙底板輸入窗口、轉(zhuǎn)向架緩存出口等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，以滿足仿真的基本數(shù)據(jù)要求。

4.2 仿真運(yùn)行過程

本次仿真所用的動(dòng)車組采用源產(chǎn)生，可以通過設(shè)置動(dòng)車組入段均勻間隔來設(shè)置動(dòng)車組的產(chǎn)生，當(dāng)有具體的訂單計(jì)劃后，可以采用表格定義時(shí)間序列，控制仿真模型中每列車進(jìn)入的時(shí)間。通過模型設(shè)置的程序控制算法，列車進(jìn)入后按照既定的程序完成拆裝后送至下一工位，完成拆卸的部件，且清洗中心前置緩存區(qū)還有緩存工位時(shí)，通過轉(zhuǎn)運(yùn)中心的控制，由AGV 小車將部件運(yùn)送至清洗中心緩存區(qū)，緩存區(qū)滿后，暫停轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)零部件由拆卸工位運(yùn)送到清洗中心時(shí)，先存放在前置清洗緩存區(qū)內(nèi)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的零部件清洗機(jī)空閑后，由天車運(yùn)送至后置的緩存區(qū)，在后置緩存區(qū)等待AGV。

4.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)某動(dòng)車段工作量預(yù)測(cè)，近期三/四級(jí)修檢修任務(wù)分別為150/77 列，來車間隔約每22h；遠(yuǎn)期為188/97 列，來車間隔約為17h。首先，通過設(shè)置各類部件清洗設(shè)備數(shù)量均為1，找到工藝瓶頸，確定試驗(yàn)分析器的分析參數(shù)，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 清洗中心設(shè)備占用率情況

在一年的仿真時(shí)段內(nèi)，約完成了90 組動(dòng)車組部件的清洗，與每年完成285 組車的任務(wù)量相差較遠(yuǎn)。鑒于構(gòu)架清洗、輪對(duì)清洗耗時(shí)較長(zhǎng)，且在仿真結(jié)果數(shù)據(jù)中，工作狀態(tài)占用比例較大，構(gòu)架清洗設(shè)備、輪對(duì)清洗設(shè)備為關(guān)鍵設(shè)備，而零部件、裙板、邊梁等清洗設(shè)備工作狀態(tài)占比相對(duì)較低，可推定非產(chǎn)能瓶頸，因此，維持其數(shù)量為1 臺(tái)。分別1、2、3 臺(tái)構(gòu)架清洗機(jī)，1、2、3 臺(tái)輪對(duì)清洗機(jī)進(jìn)行9 組實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測(cè)算在上述布局下，清洗中心在研究年度需配備的清洗設(shè)備如表4 中所示。

表4 各研究年度設(shè)備配置數(shù)量表

5 研究結(jié)論與展望

5.1 研究結(jié)論

本文根據(jù)某動(dòng)車段的調(diào)研情況，充分考慮了動(dòng)車組部件拆解時(shí)序，拆解用時(shí)，運(yùn)輸路徑，運(yùn)輸工具具體參數(shù)，部件清洗時(shí)間，工作時(shí)間等要素，運(yùn)用了工藝仿真的全新工藝設(shè)計(jì)手段，對(duì)工藝流程進(jìn)行了數(shù)字化、可視化處理，將工藝設(shè)計(jì)中的眾多要素都通過工藝流程的邏輯控制，納入模型的邏輯控制中，驗(yàn)證了部件清洗布局、部件轉(zhuǎn)運(yùn)路徑的可行性，并提供了設(shè)計(jì)中需要研究年度清洗設(shè)備設(shè)置數(shù)量的建議，為后續(xù)同類項(xiàng)目的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備配置提供了參考。

5.2 展望

由于對(duì)機(jī)輛設(shè)施研究的范圍廣，工藝流程的調(diào)研不夠徹底，需在后續(xù)設(shè)計(jì)任務(wù)中，結(jié)合工藝設(shè)計(jì)深廣度的擴(kuò)充，更詳盡地調(diào)研機(jī)輛檢修設(shè)施的工藝，為革新工藝手段儲(chǔ)備一手技術(shù)資料。