基于仿真的汽车发动机再制造生产线缓冲区容量优化

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近年来 ，我 国汽车产销量持续增长 ，报废汽车数量也快速增加 ，带来了严重 的资源浪费 和环境污染问题.再制造以恢复耗损零部件性能、实现退役或报废产 品重新利用 为 目的，可 以有 效缓解 上述 问题1j.以汽车发动机核心零件为例，与 同型号新件制造相比，再制造可以节省 60 的能源 、节约 70的材 料，生产 成 本降低 50%，污染物 排放 量减 少8O 以上 ].因此 ，开展 汽车零部件再制造具有重要的意义。

与正向制造相 比，再制造系统面临多重不确定收稿 日期 ：2O13-03-03基金项目：国家自然科学基金资助项 目(70671022)；国家大学生创新训练计划资助项 目(1210286004)作者简介：徐 磊(1990-)，男，江苏苏州人，主要研究方向为生产系统工程与可靠性工程。

性 ，主要表现在Ⅲ3]：回收件的数量/u，-j-间和价格 、回收件质量及其可再制造性、再制造工艺路线、工序时间、再制造成本、再制造品的需求和售价等.上述特性严重影响着生产线 的平衡 ，也会给此类系统 的设计和运行带来挑战.通过在工序之间设置-定容量的缓冲区，可以有效缓解生产线不平衡现象 ，提高系统性能4].文献[5]研究了缓冲区的容量优化分配问题 ，以满足系统可用度和费用最少为 目标 ，采用拉格朗IE]乘子法和启发式算法获得缓冲区的优化配置.文献[6]以缓冲区被充满 的概率最小为 目标 ，建立了状态数学模型 ，采用递进算法确定缓冲区容量。

文献[-73采用人工神经网络和模拟退火算法优化 了装配系统的缓冲区.文献[8]以提 高系统性能为 目的，采 用排 队网络 模 型，比较 了缓 冲区容 量 配置方案。

多数研究工作建立在以缓冲区总容量为确定值的假设基础上.但是，在工程实际中，缓冲区总容量往往并不确定 ，缓冲区容量过嗅导致缓 冲”作用不充分，引起工序堵塞或等待；而容量过大又会延长工件的流动时间，降低生产效率.因此 ，我们需要根据成本等因素进行合理的规划和设计.本文以汽车发动机零部件再制造 系统为研究对象 ，研究缓 冲区容量的设置问题.针对 系统 中存在 的不确定 因素 ，采用正交试验设计方法完成缓冲区的配置设计 ；采用仿真技术研究不确定性 因素对 系统平衡率 的影响 ，获得缓冲区的最佳配置。

2 汽车发动机再制造的工艺流程本文研究汽车发动机核心零部件的再制造 ，重点考虑 3种 不确 定性 因素 ：① 回收件 的 到达率 ；《成组技术与生产现代化》2013年第 3O卷第 2期② 可再制造率；③ 加工时间.发动机再制造是以报废或退役发动机为基础，通过拆解、清洗 、检测 、再制造 、整机测试等工序，生产出符合性能要求的新发动机 .发动机再制造工艺流程如图 1所示。

退役发动机 - 加工前准备 - 再制造加工再制造发动机测试包装件- .芏] 合格件 r-.生装配l--------J检测图 1 汽车发动 机再 制造 的工艺流程图发动机主要 由缸体、缸盖 、连杆以及 曲轴等零件组成.曲轴是其 中的核心零件.本文 以曲轴零件的再制造过程为研究对象.曲轴再制造工艺流程如图2所示.查阅相关资料后，我们设定曲轴平均到达率为 320个/周，每道工序的再制造率及平均加工时间如表 1所示。

回收件到达A) - 消除内应力(B)- 磨床加工《c)--叫曲轴探伤ID)检测IH).---1清洗(G)1.--1抛光(F) ---1热处理E)图 2 汽车发动机 曲轴 的再制造工 艺流 程表 1 曲轴的可再制造率及平均加工时 间3 正交试验设计正交试验设计是研究多 因素多水平的-种设计方法.它根据正交性挑选出有代表性的对象进行试验.这些对象具备均匀分散 ，齐整可 比”等特点 ，是- 种高效率 、快速 、经济的实验设计方法口 。

本文主要考虑 回收件到达率 、消除内应力时间、磨床加工时间、曲轴探伤时间、热处理时间、抛光时间、清洗时间和检测时间等不确定因素 ，因素水平分别为基准 的-20 、-1O 、0、10 、20O，如表 2所示.我们在考虑上述因素的变动后研究各工序 间在制品数量(即瓶颈工序)的变化.本文使用正交试验表来安排仿真试验 ，以便 以最少 的试验次数全面研究各 种 因素对 瓶颈工序 的影响.正交试 验如 表 3所示。

表 2 各工序加 工时间设 置表4 酬造生产线仿真建模 罢奎 薯曲轴再制造生产线属于串行生产线.我们假定 进人加工失败 区”.基于 ProModel软件建立 的仿相邻加工设备间均设置缓冲区，回收件到达处的容 真模型 n 如图 3所示。

Group Technology& Production Modernization Vo1.30，No.2，2013表 3 8因素 5水平 的正交试验表《成组技术与生产现代化》2013年第 30卷第 2期图 3 曲轴再制造生产线仿真模型在仿真建模时，我们作如下设定：① 所有设备均完全可靠，不考虑发生故障情况；② 各设备的加工时间相互独立；③ 若设备上游的缓冲区没有工件 ，则该设备处于空闲状态，直到上游缓冲区非 空；若工件当前工序完成后 ，下游缓冲区已满，则该工件将停滞于该工序 ，直 到下游缓 冲区非满为止 ；④ 忽略工件在工序之间的移动距离和时间；⑤ 将在制品数量最多的缓 冲区的下-道工序定义为瓶颈工序；⑥ 不符合再制造要求的零件进入加工失败区，且假设加工失败区容量无限大 ；⑦ 按两班制 (16 h/d)安排生产 ，仿真时间为 30 d。

5 仿真试验及 其结果分析根据上述数据，将 6个缓冲区的容量设置为无Group Technology & Production Modernization Vo1.30，No.2，20 1 3 · l3 ·限大 ，在不考虑不确定性 的前提下建立仿 真模 型。

运行仿真程序 ，可得到产量为 139个 ，曲轴到达处”最大在制品数为 287、缓 冲区 1处为 271、缓冲区 3处为 260、缓冲区 2、4、5、6处均为 1，各工序的性能指标如表 4所示。

表 4 各 工序 的性 能指标工序 加工 空闲 等待 堵塞00.1180.010.6189.7O96.5697.46由以上数据可 知：消除 内应 力 (B)、磨床加 工(C)、热处理(E)的空闲率很低 、产量较少 ，且工序前缓冲区的在制品堆积严重 ，是系统的瓶颈工序.由表 4还可知：虽然生产过程 中尚没有堵塞现象 ，但工序负荷很不均衡。

为解决上述问题 ，我们调整了设备数量和配置 ：分别在 B、C、E这 3个工序处配置 2台、2台、7台并行设备，并且合并清洗(G)和检测(H)两个工序.合并后的加工时间为 U(10，4)N(8，1).此外 ，我们取消了缓冲区 6.优化后的产量为 484，缓冲区 1、2、3、4、5的最大在制品数分别为 54、2、10、3、1.各工序的性能指标如表 5所示.调整后 ，系统的各项指标都得到了明显改善。

表 5 改进 后的工序 性能指标工序 加工 空闲 等待 堵塞47.2733.7O66.583O.2556.8180.40我们 以优化后的模型为基础 ，考虑不确定因素 ，按表 3的正交试验表做 50次试验，获得了各缓冲区的 WIP(在制品数量)、系统产量及各工位的性能指标.各缓冲区的 WIP 分布 和系统产量 分布如 图 4～ 图 9所示。

0 5 l0 15 2O 25 30 35 40 45 50试验方案号图 4 缓冲 区 1的 wJP分布～ /。

0 5 10 l 5 20 25 30 35 40 45 50试验 方 案号图 5 缓冲 区 2的 WJP分布斤矗蠢fV fl止 -.- I - ～f -V 、 -Y -10 5 10 l5 2O 25 3O 35 4O 45 5O试验方案号图 6 缓冲 区 3的 WIP分布由图 4～图 8可知 ：缓冲 区 1、3的在制 品数量《成组技术与生产现代化》2013年第 3O卷第 2期O 5 O 5 0 5 O 5 O " 2 m 7 5 2i 每旧 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞B C D E F G H m 8 6 4 2 0r琴∞ 铊 ∞站 ∞HB C D E F G . . - /j删 枷 55OSooiL 4150螺峨 枷 3SO3oo0 5 10 1 5 20 25 30 35 40 45 50试验方案母图 7 缓冲 区 4的 wIP 分布0 5 l0 l5 2O 25 3O 35 40 45 5O试验方案号图 8 缓冲区 5的 ⅣJP分布 。

- 厶、O S 1O lS 2O 2S 30 35 40 4S 50试 验方案号图 9 系统产量分布较大且有较大波动；缓 冲区 2、4的在制品数量在较小的范围内波动 ；缓冲区 5的在制品数量始终为 1。

综合表 3和图 9可知 ：在制品产量主要与回收件 的到达率有关；随着到达率增高，产量上升明显；到达率相 同时，产量受其他不确定因素影响，在较小的范围内波动.受不确定 因素影响 ，某些试验 中磨床加工(C)和热处理(E)的利用率超过 90 ，加工能力略显不 足。

综上所述 ，考虑到成本及系统运行 的流畅性等因素 ，取消缓冲区 2和 5，将缓冲区 1的容量设置为150，缓 冲区 3的容量设置为 10，缓冲区 4的容量设置为 4，并在磨床加工 (C)和热处理 (E)两个工序处各配置 1台设备 ，以防止不确定因素导致 的有些 时段利用率过高。

6 结束语针对汽车发动机零部件再制造过程中的不确定性 ，本文重点研究 回收件到达率 、可再制造率以及加工时间不确定等因素对系统产能的影响；采用正交试验设计方法设计仿真试验 ，以生产线平衡率及生产线缓冲区最小容量配置为优化目标，通过仿真分析影响系统性能 的因素 ，得 到缓冲 区的优化 配置。

研究结果表明，不确定性 因素对再制造系统产能有重要影响，通过合理配置缓 冲区可以有效地改善系统性能。