混流生产线（精选7篇）
混流生产线 篇1
引言
随着汽车市场竞争的日益激烈,汽车企业不断变革的压力和动力与日俱增。如何提高生产效率以满足日益增长的市场需求显得尤为重要。对于A公司这种大型高端汽车品牌公司而言,生产线的生产能力很大程度上决定了公司是否能够满足市场需求。而在A公司的整个生产工艺中,涂装占据着比较重要的位置。与此同时,涂装车间的密封胶生产线( 以下简称PVC线) 是一条半自动化生产线,人工操作工位也相对较多。因此提高PVC线的生产效率对于整个涂装车间乃至于A公司都有着重要的意义。
企业通常采用生产线平衡率这一量化指标来评价一条生产线的平衡水平。自美国人Bryton B ( 1954)［1］首次提出平衡的概念后,生产线的平衡问题ALB ( Assembly Line Balancing) 便引起了广泛关注。
混流生产线平衡的研究主要包括三大类: 第一类是针对一些实际案例,利用IE的方法如动作研究、时间分析、ECRS等方法来提高生产线平衡率。 文献[2]~ 文献[5]针对不同的生产线,运用工作研究、时间研究等方法,提高了生产线的平衡水平。 高广章［6］运用达宝易软件,分析了提升某生产线的线平衡水平的对策; 第二类研究主要利用仿真软件建立生产线仿真模型,对不同布局方案的生产线进行仿真,选择其中较优的方案,以达到优化生产线的效果［7 － 9］。第三类研究主要集中在利用数学的方法来分析生产线平衡问题。这类研究的主要注重于优化求解算法以得到更好的线平衡问题解决。数学方法的研究经历了3个阶段,分别是精确求解方法、启发式算法和人工智能方法［10］。Salve- son M E( 1955)［11］用数学解析法描述装配线平衡问题,建立了ALB问题的线性规划模型,讨论了其最优解的求解过程。但数学解析法在求解大规模问题时,耗时巨大。近年来,利用启发式算法［12 － 14］和人工智能算法［15 － 16］来求解大规模混流装配线平衡问题已成为一种趋势。
对于汽车企业混流装配线的研究,往往集中在总装车间生产线,很少有文献对涂装车间的生产线平衡进行研究。而在混流装配线的研究中,往往以生产线平衡率作为评价指标。但是对于多种产品的混流装配线,生产一种产品时,各工位的作业时间可能不一样。但出于整体考虑,在每个班次内, 各工位工人的作业时间需要达到一种均衡。
通过对A公司涂装车间PVC生产线的实际调研和分析,结合企业生产产品的自身特点,以每小时产能和总作业时间均衡率作为评价指标,从人员操作和设备2个方面进行优化,来提高生产线的生产效率,最终起到了良好的改善效果。
1制定改善评价指标
文中的研究对象是一条成熟的混流生产线,由于工艺变动等原因,某些工位上的标准作业时间发生了变化,因此需要重新进行线平衡。对于这种具有多种车型的生产线,理想的效果是达到平准化生产。平准就是要求生产平稳地、均衡地进行。平准化不仅要达到产量上的均衡,而且还要保证品种、 工时和生产负荷的均衡。
为了衡量混流生产线的均衡程度,类似于生产线平衡率,采用总作业时间均衡率作为评价指标。 该指标反映的是生产线上每个操作工每班次的总作业时间均衡程度。操作工每个班次的工作时间包括作业时间和等待时间,其中作业时间是增值的时间,等待时间是非增值的时间。如果等待时间较短,那么整条生产线的效率就更高,总作业时间均衡率也就越高。
总作业时间均衡率计算公式如下:
式中: w—总作业时间均衡率;
j —工位数量,j = 1,…,n;
k—每个工位上的员工定额;
x—每班次生产E车型的数量;
y—每班次生产F车型的数量;
tEjk—第j个工位上第k个人操作E的标准时间;
tFjk—第j个工位上第k个人操作F的标准时间;
a—所有工位上的员工总和。
在制定评价指标之后,首先分析了PVC生产线的布局情况及各工位总作业时间均衡程度,并在此基础之上针对瓶颈工位等工位制订了一系列的改善措施,最后对比了改善之后各指标的变化情况。
2 PVC生产线现状
2. 1 PVC生产线布局
A公司涂装车间的PVC线是一条混流生产线,主要生产的产品有E和F。其运行方式为Stop and Go模式,即当车身运行到工作位置时,流水线停止,PVC线的工人开始进行涂胶等工作。车身停留一段时间后,移动到下一个工位。整条PVC线一共有17个工位。其中前段属于细密封( seam sealing ) ,共12个工位,第3个工位为机器人工位。 其他11个人工操作工位两侧分别配有1名操作工。细密封线主要对车身上部进行涂胶等工作。 后段属于底部密封( under body sealing) ,共4个人工工位及1个机器人间。其中第2个工位为机器人工位,其他人工工位分别备有2 ~ 3名操作工。
2. 2 PVC线各工位分析
作业时间是计算生产线平衡的基础,同时也是找出瓶颈工位的前提。文中主要以作业测定技术中的秒表法来进行工时测量,同时结合视频分析法。将各工位的时间分为作业时间和等待时间,而作业时间又分为停车作业时间、行进作业时间和作业过程中的走动时间。
针对PVC上生产的E和F车型,测定的17个工位上的数据结果如表1所示。
得到2个车型在各个工位上的标准时间之后, 需计算PVC线每班次的总作业均衡率。根据此时PVC线的节拍时间106s,得到PVC线的每小时产能为34台/h。每个班次的生产时间为9h,因此每班次的产能为306台。根据涂装车间两种车型的比例,可得到E的产能为100台,F产能为206台。
按照现有的PVC线产能计算以及PVC线每个工位各班次总作业时间,可以得知各工位上的作业时间非常不均衡,有的工位作业时间高达8个多小时,如去遮蔽右侧操作工( UBS-3-R) ; 有的却只有5个多小时,如修胶工位中间操作工( S1-1-L和S1-1-R) 。
根据总作业时间均衡率公式,得到现有PVC线的总作业时间均衡率w = 227. 7 /( 33 × 8) × 100% = 86. 3% 。 这意味着在生产过程中,有13. 7% 的时间由于各工位总工作时间不平衡而损失了。
3 PVC生产线改善过程及结果
3. 1成立改善小组,制定改善计划
为推动产能提升项目的顺利进行,在高级经理的带领下,组建了产能提升改善小组,主要涵盖生产、机器人、设备、工艺及质量等方面。
生产方面的生产方法工程师负责整个项目过程,提供优化方案,评估工艺风险,评估员工操作和设备节拍时间,并将收集的数据提供给相关人员;段长负责平衡人工操作节拍,并监控平衡节拍后的人工操作的工艺质量。机器人方面主要由PVC机器人操作工负责编写目标节拍程序和优化程序。 设备方面的维修工程师负责修改设备参数和评估修改后的风险; 规划工程师负责现场一些硬件改善。工艺负责确认优化PVC的工艺和新程序应用后的工艺。质量负责跟踪一些优化工艺,监控新工艺对质量的影响。
3. 2 PVC生产线的改善步骤
对于整条PVC线的效率改善而言,从每小时产能的角度考虑,需要降低瓶颈工位( 包括机器人工位) 的标准时间; 从总作业均衡率的角度考虑, 需要降低最高总作业时间。
根据上述分析不难发现,F车型标准时间中较高的工位为SS机器人间、S1-5-L、UBS机器人间、 UBS-3-L、UBS-3-R、UBS-3-M。 E车型标准时间较高的工位有SS机器人间、S1-6-L、S1-6-R、S2-2-L、 S2-2-R、UBS-1-M、UBS机器人间、UBS-3-L、UBS-3- R、UBS-3-M、UBS-4-L、UBS-4-R。在各工位的总作业时间图中可得,UBS-3-R、UBS-3-L、UBS-3-M这几个工位总作业时间是排在前三位的。
根据工段实际状况,运用“5W1H”提问技术［17］、“5Why”和鱼骨图等方法,对各工位完成任务的目的、方法、人员、时间、地点及原因等方面进行提问,逐项进行分析,发现存在如下问题,并利用ECRS的方法进行了调整和改善。ECRS各改善项目如表2所示。
3. 2. 1 SS机器人间
SS机器人间标准时间为106s,是整条PVC线的瓶颈。针对机器人间改善,从7个方面展开,包括提高机器人间链速、调整机器人家位、消除机器人动作浪费、提高机器人运动速度、优化程序工艺、 降低ISRA系统延迟时间和将部分胶条分配给人工。
1) 机器人间改善前链速为25m / min。实验证明,38m / min是链速极限,超过该速度,车身会受到惯性影响刹车超限,导致ISRA定位报警。因此将链速提高到38 m/min。链速提高后,E车型的运行时间从24. 5s降低到15. 8s。F车型运行时间从24. 2s降低到15. 4s( 由于2种车型轴距不同,所以在相同距离内的运行时间也不同) 。
2) 机器人在涂胶时,家位的位置对于整个机器人间的节拍时间具有一定的影响。对此,调整了机器人的家位,使得机器人到达喷涂区域的时间降低。
3) 机器人程序中仍有很多不合理或不理想的动作,同时涂胶顺序导致机器人走重复路径。针对这种情况,调整了过渡运动点的位置,使机器人能够以更平滑更快捷的路线移动到下一条程序的起始点去,另外优化了涂胶顺序,避免不必要的重复路径。
4) PVC机器人在工作中分为涂胶过程运动点与程序过渡动作点。涂胶过程运动点的速度不能轻易修改,因为这可能造成质量缺陷。所以适当的提高了程序过渡动作点的运动速度,并且保持运动具有一定流畅性。
5) 程序工艺优化的提速效果不会直接体现在机器人的节拍降低上,但会有效降低人工工位的操作时间,最终达到提速的目的。程序工艺优化中最重要的工作就是改善涂胶效果,使焊缝能够被良好密封,这样会减少人工的刷胶操作。
6) ISRA视觉定位系统是保证机器人良好运行的重要部分。但ISRA定位拍照时系统内需要预设延迟拍照时间。但延迟时间设置过大会影响整体工作节拍,所以延迟时间需要根据输送系统状态做适当调整以满足提速需求。该延迟时间需要与输送系统各种数值像配合来达到最理想状态。
7) SS机器人间一共有4个机器人涂胶。其中R21和R22的对F的涂胶时间分别达到了78. 8s和75. 6s。将这2个机器人涂的防火墙两侧的胶条转交给细密封刷发动机舱涂防火墙工位,即S1-5-L和S1-5-R。这2条胶的人工涂胶时间均为1. 5s, 共3s。对于E车型,没有取消胶条,只是做了上述6个方面的优化。
经过上述处理之后,F各机器人涂胶时间及机器人间的循环时间变化如表3所示。E各机器人涂胶时间及机器人间的循环时间变化如表4所示。
3. 2. 2 S1-5-L发动机舱涂胶( Engine sealing) 和S1- 6流水槽涂胶( Launder sealing)
流水槽涂胶的2个工位操作不标准。在这2个人工涂胶工位上,存在不必要的动作和移动。因此,制定了相应的操作标准,规定了员工的行走路线以及涂胶动作,并进行了相应培训。通过标准化,将F在S1-5-L的操作时间降低了6s; 将E车型在S1-6-L和S1-6-R的操作时间分别降低了8s。
3. 2. 3 S2-2安装胶板( Pads Install)
在这个工位,左右两侧操作工在涂E车型时的标准时间分别达到了93s和94s。经过调查发现。操作工是在车门关闭的状态下操作的,但是关门状态下操作给他们带来了不便。经过研究后发现,在开门状态下操作能够降低4s的操作时间。另外,将一块胶板的工作交到上一个工序,即S2-1-L和S2-1-R,这使得S2-2左右两侧节省安胶板时间3s。因此规定在此工位开门操作,并将开门的动作交给上一个工位。这样只分别增加了S2-1-L和S2-1-R的开门时间各1s及安装胶板时间各3s。
3.2.4 UBS-1遮蔽(Masking)和UBS-3去遮蔽(Demasking)
车身经过底部涂胶机器人间之前需要对车身底部小孔进行遮蔽( UBS-1工位) ,之后需要将这些遮蔽去掉( UBS-3去遮蔽工位) 。遮蔽和去遮蔽占用了一定的操作时间。因此,提出了NO-MASK- ING方案。通过对底涂机器人的程序改进,使得机器人在经过部分小孔时不出胶,并且不会对质量造成影响; 因此在底涂前这些孔不需要遮蔽,底涂后也不需去遮蔽。NO-MASKING方案使得两种车型在UBS-1-M和UBS-3-M工位的操作时间分别减少8s。
另外,经研究发现,UBS-3去遮蔽左右两侧员工在取用物料时,需转身走到物料箱,用完后又需放回物料箱。因此,将物料箱固定在员工附近。在采取这个措施之后,分别减少2种车型在UBS-3-L和UBS-3-R的作业时间6s。
3. 2. 5 UBS底涂机器人间
UBS底涂机器人间共有4台机器人。类似于SS细密封机器人间的优化,UBS机器人间也从7个方面进行优化。其中,对于E车型,取消了机器人R21和R22的2条涂胶程序( E _ NAD _ P30 _ L1) ,将这部分涂胶工作交给UBS-1-L ( 上遮蔽左侧) 和UBS-1-R( 上遮蔽右侧) 2个工位完成。经验证,2条胶由人工进行涂胶时各需要4s。经过多方面的优化处理之后,E车型各机器人涂胶时间及机器人间的循环时间变化如表5所示。
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对于F车型,取消了机器人R11和R12的2条涂胶程序( F_NAD_11_10_L16) ,同样将这部分涂胶工作UBS-1-M( 上遮蔽中间) 工位。经验证, 人工涂该条胶需要4s。同时,取消机器人R21和R22的2条涂胶程序( F_NAD_11 _1 _L3 _L / R) ,将这部分涂胶工作较给UBS-1-L和UBS-1-R2个工位。经验证这2条胶由人工进行涂胶时各需3s。 经过多方面的优化处理之后,F车型各机器人涂胶时间及机器人间的循环时间变化如表6所示。
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3. 2. 6 UBS-4擦车工位
擦车工位左右两侧各1名员工。在擦拭车身的过程中,不合理的擦车顺序导致较长的移动距离。因此,制定标准化作业指导书,取消了一些不必要的擦拭位置,规范了擦车顺序。最终分别降低擦车时间各6s。
3. 3改善前后比较
经过上述从人员和设备两方面的改善之后,各工位的作业时间如表7所示。
根据此时PVC线的节拍时间90s,得到PVC线的每小时产能( Hourly output) = 3600 /90 = 40台。
每个班次的生产时间为9h,因此每班次的产能为360台。根据2种车型的比例,可得到E的产能为118台,F产能为242台。
因此,按照改善后PVC线产能计算,得到PVC线每个工位各班次总作业时间如图1所示。
根据总作业时间均衡率公式,得到现有PVC线的总作业时间均衡率w = 263. 6 ÷ ( 33 × 8. 6) × 100% = 92. 9% 。
经过改善之后,每小时产量和总作业时间均衡率变化如图2所示。
从图2可以看出,每小时产能提高了6台,总作业时间均衡率提高了6. 6个百分点。然而在整个改善过程中,公司没有增加1名工人,更重要的是,产品的质量没有因此发生变化。企业生产经营的主要目标就是通过高效率的生产管理方式,以最小的投入获取最大的收益,最大限度地减少企业生产所占用的资源,降低企业管理与运营成本,以获得最大的利润,提高企业产品的竞争力。通过上述改善,达到了这种良好的效果。
4结语
生产线常常因为一个或几个瓶颈工位影响了生产线整体生产能力。因此解决瓶颈工位,提高生产线生产能力是企业重点关注的问题。不仅如此, 各工位间的作业均衡程度会影响员工工作积极性, 从而影响生产线的生产能力。
针对A公司PVC线产能提升的诉求,从设备和人员两个方面进行分析,利用方法研究和时间研究等方法进行改善,使得整条PVC线产能提升到40台/ h,总作业时间均衡率提高到92. 9% 。对于涂装车间PVC生产线的效率提升采用的方法有效、实用,对于企业具有一定的借鉴参考意义。
浅析多品种混流生产组织 篇2
从2006年开始, 传动器车间由单一仅生产捷达轿车变速器扩大为生产捷达轿车手动变速器 (普通型、经济型、柴油型) 和速腾/迈腾轿车手动变速器两大系列, 7个品种。机加线也由以前只加工单品种零件扩大为7种零件, 同时还要对零件进行热处理加工及热后加工 (如图1) 。为此, 如何根据生产计划组织车间内部的多品种混流生产成为生产组织的难题。
目前车间齿轮类零件、轴类和同步器类零件属于共线生产, 且各自生产线又有不同的特点, 轴线搓齿工序换线时间较长, 齿轮线零件种类较多, 同步器线存在多种形式共线。因此, 如何确定共线设备的生产间隔期以及生产提前期成为非常重要的问题。
1 确定共线设备生产间隔期
轴线设备中生产捷达轿车手动变速器和速腾/迈腾轿车手动变速器只有搓齿、剃齿属于共线设备 (如图2) 。影响捷达轿车变速器产量的瓶颈不是共线设备, 所以如何确定共线关键设备换线频次成为主要问题。分析认为:剃齿工序加工节拍较快, 且换线时间较短, 不能构成生产瓶颈;搓齿工序虽然加工节拍比较快, 但换线进行设备调整需要一天时间。所以, 如何确定搓齿工序的生产间隔期成为轴线顺利完成生产任务的关键。
通过以量定期法和以期定量法相结合来研究换线频次。
批量和生产间隔期的关系为
式中, n为批量;R为生产间隔期;g为平均日产量。
以量定期法包括最小批量法和经济批量法。首先用最小批量法来确定批量的数量。
(1) 最小批量法
最小批量n最小为
式中, t准备为一批产品准备结束时间;α为调整时间损失系数;t单件为单件工时。
对于输入轴搓齿工序进行分析:单件加工时间45 s, 设备调整时间为22.5 h, α=0.1。所以, n最小=18 000件。
车间目前日产为720件/天。
间隔期R=25天, 所以生产间隔期为1个月。
(2) 经济批量法
以零件生产费用最低为原则确定批量的方法 (如图3) 。
经济批量n0为
式中, N为年产量;A为设备调整一次费用;C为单件年平均库存费用。
对于输入轴搓齿工序进行分析:单件年平均库存费用0.1元, 设备调整一次费用为360元。因此
车间目前日产为720件/天。
间隔期R=50天, 所以生产间隔期为2个月。
再用以期定量法分析生产批量, 如表1。
由式 (1) 分别计算批量
n半月=9 000件
n月=18 000件
n两月=36 000件
n季=54 000件
n半年=108 000件
根据以上两种方法的计算结果, 结合车间捷达轿车变速器与速腾/迈腾轿车变速器的混线生产实际情况:如果间隔期太短, 会造成设备频繁换线, 由此可能会造成设备加工精度的损失, 以及人员投入工时的浪费;如果间隔期太长, 又会造成现场有大量的在制品, 不仅占用大量的库存空间, 同时在制品放置时间太长还可能会出现生锈等质量问题。因此综合考虑分析, 对于像搓齿工序这样换线周期较长, 难度较大的设备, 每两月换线一次比较合理。
运用同样办法来分析同步器线和齿轮线。同步器线和齿轮线不存在需要一天时间换线的设备, 所以经过现场调研和数据分析可以得出以下结论:根据车间产量变化情况, 同步器线和齿轮线可以采用每月换线1～2次的方法组织生产, 这样可以有效降低在制品数量, 减少工人无谓的工作量。
2 确定共线设备生产提前期
生产提前期:指一批制品 (零件、毛坯或产品) 在各工艺阶段投入 (出产) 的时间比产品出产时间提前的天数, 可分为投入提前期和出产提前期。对于车间生产比较有指导意义的是投入提前期。正常情况下生产提前期的确定如图4。
(1) 产品在装配工段的出产提前期=0
(2) 产品在装配工段的投入提前期=装配工段的生产周期
(3) 产品在机加线的出产提前期=热处理工段投入提前期+保险期
(4) 产品在机加线的投入提前期=机加线出产提前期+机加线生产周期
分析车间的生产提前期:
D装出=0
D装投=D装出+T装=2天
D机出=D装投+T加-装=6天
D机投=D机出+T加+T热=12天
车间生产采用直接采购毛坯的生产方式, 故毛坯的制造周期不在考虑范围内。所以, 如果想提前调整生产计划, 需提前两周进行生产安排。
工段出产提前期=工段投入提前期+保险期+ (该工段车间生产间隔期-后工段生产间隔期)
因此对于共线设备的MQ250系列零件出产提前期应为
如果想调整MQ250系列变速器的生产计划, 需提前60天改变输入轴生产线生产计划。
3 结论
(1) 输入轴线的多品种混流生产间隔期为两个月。
(2) 欲调整速腾/迈腾轿车手动变速器的生产计划, 需提前60天改变输入轴生产线生产计划。
混流生产线 篇3
关键词：混流装配生产,产能管理
引言
混流生产系统是基于JIT等生产模式基础上发展起来的一种新型的生产模式。混流生产线的产品, 通常是一种基型, 之后配备多种变型[1,2]。
在混流企业生产计划过程中, 从产品家族细胞分解到需求分配、产能平衡, 是个复杂的过程, 涉及多种产品、多个工厂计划分配、产能注册等一系列问题, 存在多种变化因素, 面临再计划和反馈值优化的压力。尽管以上研究对生产计划中的产能问题进行了分析和建模, 但对于混流生产系统的这种复杂的产能分配过程, 需要进一步地深化研究。对混流系统的多工厂、多产品的特性需要进行针对性的分析和讨论。与此同时, 有必要对产能分配的建模分心进行研究, 协助生产企业进行产能方面的管理工作。基于此, 构建了混流生产多工厂产能系统模型, 讨论了在产能分配过程中的优化算法。
一、多工厂产能系统建模
1.1混流生产多工厂生产计划分配流程。由于混流装配系统自身的复杂性, 存在多产品、多工厂的性质。其生产计划分配过程一般分为三个阶段, 如图1所示, 第一阶段, 在指定的周期内, 由市场战略部门对订单进行预测和分析, 得出一定的订单预测数量;第二阶段, 市场预测到达总体规划部门, 对预测进行再分析, 完成对订单进行产品细胞分解和重组, 并转换为生产制造过程中的产品名称和数量, 这样, 总体需求预测表 (Demand Forecast List) 就已经初步形成;第三阶段, 就是总体规划部门会根据最新的工厂注册产能矩阵对总体需求预测数量进行工厂划分 (factory split) 。
1.2 多工厂产能分配模型。在确定能力平衡目标函数之前, 我们先定义关键参数的符号:
i=1, 2, ..., n产品种类名称;k=, 12, ..., K计划周期 (一般以周为单位) ;j=, 12, ..., m生产站点序列号;pi=产品权重 (根据订单的紧急程度给出) ;Dik=第k周i产品的订单需求。Rik=计划反馈需求值
公式 (1) 表示在多工厂制定生产计划的产能平衡过程中, 目标是最小化每个单工厂需求和反馈的“差值”, 最小化产能过剩和产能不足的情况。
二、产能平衡优化算法
由于混流生产系统产品的复杂性和多地域性, 在产能分析过程中主要存在以下几个问题: (1) 客户需求在不同阶段产品矩阵 (product mix) 会不同, 而相应不同时间段产能由于工厂内部的活动预期 (比如新产品占用机器计划, 工程样品测试时间等) 都会导致产能不均衡。 (2) 产能计算完毕存在某时间段产能剩余, 某时间段产能不足, 产能低于客户需求, 会造成订单丢失的风险。 (3) 反之, 在客户需求低于某一单一工厂产能的情况下, 可能导致工厂产能浪费, 也带来库存过剩的风险。
为解决以上问题, 我们提出以下两种产能平衡的办法, 讨论几种产能不足的情况下, 如何尽可能减小gap值:
(2) 额外手段平衡法: 提高机器的可利用率, 增加约束站点机器产能等管理模式。通过工厂内部部门间的协同, 提高自身性能从而达到提升产能的最终目的。常用的方式是将不能满足的需求数量同一化成所需的产能, 之后再对机器性能或其他方法进行同一化处理, 通过沟通最终实现额外产能的目标。
三、结论
基于混流生产系统的多产品、多工厂特点, 分析了生产计划分配过程中存在的产品、地域复杂性和多样性问题, 构建了多工厂产能平衡模型, 并提出了在产能平衡过程中的具体优化算法, 从而进行复杂生产计划模式下的产能平衡。
参考文献
[1]李修琳, 鲁建厦, 柴国钟, 等.基于混合遗传算法的混流混合车间协同调度问题[J].中国机械工程, 2012:23 (8) :935-940.
混流生产线 篇4
本文的思路是采用装配与加工协同优化的方法,以总成装配的投产来拉动、优化发动机5C件投产顺序和批量,算法的优劣通过eM-Plant软件构建的混流制造数字化车间模型评定。在车间实时制造数据采集方面设计了一套基于无线网络的传输方式的工位信息系统,拓展工厂已有的工业网络,加强计划层和执行层的双向联通。
1 生产调度系统设计
某轿车发动机厂由缸体线、缸盖线、框架线、曲轴线、连杆线、凸轮轴线和装配线等生产线组成,共有各类加工中心、数控专机200多台。生产线具有自动化程度高、柔性强、生产节拍快等特点。生产设备复杂而精密,除PLC之外还包含了大量的CNC和运动控制器。设计实用的生产调度系统可以提高设备的利用率和整个工厂的产能,因此有良好的工程实用价值。
1.1 整体流程设计
生产调度系统涉及到方方面面,一个好的调度算法应该有完整和全局的考虑。本文的模式是以总装拉动5C件的加工。主要流程是:日装配计划的生成→计划分批和协同优化排序→仿真验证→计划分解和下达→生产完成情况跟踪。如果有生产异常如设备故障、缺料等发生,还有可能要发生生产顺序的调整。在投产顺序下达的时候,要注意和物流部门的配合,要保证有足够的毛坯和外协件在正确的时间位于正确的地点。详细的流程设计如图1所示。
1.2 生产调度数学模型设计
1.2.1 优化分批设计
优化分批的做法:假定有日生产计划:产品A-30台,产品B-45台,产品C-60台,拟采用以下做法:通过计算确定各种产品最优批量;也可由调度员设定。比如最优批量:A-10,B-15,C-20;通过计算,确定优化的投产顺序。
可行的生产顺序:目前发动机厂采用的属于混流制造模式的第二种投产顺序。
顺序1:(A,10)(A,10)(A,10)→(B,15)(B,15)(B,15)→(C,20)(C,20)(C,20);
顺序2:(C,20)(B,15)(A,10)→(C,20)(B,15)(A,10)→(C,20)(B,15)(A,10)。
1.2.2 数学模型设计
从数学规划的角度讲,生产调度是一个组合排序的问题。从混流制造的角度来讲,其调度问题关键是要解决投产的顺序问题和实时制造信息在计划层和执行层的双向流动。本文采用线性规划的工具,以最小化总加工时间为目标,M表示设备的数量,T表示产品数目,Bm表示缓冲区代号;SP(t)m表示序号为p(t)的产品在代号为m的设备上的开始加工时间;AP(t)m表示序号为p(t)的产品在代号为m的设备上的加工时间。建立的调度模型如下:
1.3 优化与仿真检验
采用单目标优化算法(如单目标遗传算法)对整个生产系统进行协同优化,通过计算,产生一组优化的装配线和各加工线的生产序列以及各优化目标对应的目标值,供调度员选择。
在优化的基础上,通过使用UGS公司的数字化工厂软件eM-Plant8.1,建立轿车发动机厂混流制造模式下的车间数字化模型,如图2所示。把通过数学模型计算所得的投产顺序和分割的批量作为参数输入数字化模型,模拟车间实际的运作过程,可以得到各类产品的交货期、总完工时间、设备利用率等制造系统性能指标。如果发现产品的交货期晚于设定的交货期,可以反馈到数学模型,重新设定初始参数,如调整分割批量,以保证该产品按时交货。
1.4 计划执行与调整管理
1.4.1 计划的分解与下达
生产部将经过计算和仿真的装配序列通过现有网络下发装配线的上线工位,由车间主任根据排班情况将日装配计划分解到每个班次。生产部将各部件的投产序列通过现有网络下发到各加工车间,由车间主任根据排班情况将当日生产计划通过无线网络下发到每个班的各工位。各车间将班次生产计划通过有线网络发到物流科,作为5C件、毛坯件和其它零部件即时、准确配送的依据。
1.4.2 计划的调整
在生产过程中,可能会出现装配线或加工线的设备故障、所需的部件或毛坯短缺、以及有临时紧急订单插入或取消等异常,在这种情况下,可由调度员根据决定对已排好的生产计划进行调整。调整后的计划也要通过现有的有线网络和扩充的无线网络发送到相关装配或者加工工位。
1.4.3 跟踪与反馈
在装配线和各条加工线的下线处实时采集下线产品和部件的型号、数量时间及班次信息,跟踪各产品和部件的完工数量,计算计划的完成率。同时将这些信息以及物流科各种产品、部件和毛坯的出库数量及时间信息反馈到库存管理模块中,以便实时更新库存量。
2 工位信息传输系统设计
某轿车发动机厂目前已经实施了生产监控系统,建立了覆盖全厂的工业网络,并能对装配线和加工线的加工设备进行监控。然而,该系统目前采集和管理的数据主要面向设备管理和产品质量管理,包括设备的状态、设备在某时间段内加工的零件数量(合格数量、不合格数量、总数)等,并进行相应的分析,但系统不能按批次和种类对其加工的零件进行统计,不能提供、不能反馈现场操作信息,需要对该系统功能进行扩展。为了避免对现有网络的影响,我们采用无线网络作为信息传输的方式。
2.1 系统设计
工位信息系统的主要功能:(1)发布和显示信息,例如将派工单、产品切换指令等传输到指定工位;(2)将工位确认或请求动作,如加工完毕和切换完毕、设备故障、缺料等信息上传到生产调度系统;(3)毛坯上线计数管理;(4)成品下线计数管理。
工位信息系统的硬件组成:(1)网关计算机与无线基站。具体实现为一个无线收发器和一套运行在线端基站的后台软件,软件的作用是协议转换与无线网络管理与维护。(2)工位终端。放置在指定工位的智能信息接收/显示装置,可通过无线电与网关通讯;(3)上线计数器。安装在机加线上线工位的工位终端,用于输入毛坯信息,通过无线通讯上传;(4)下线计数器。安装在机加线下线工位的工位终端,用于输入成品信息,通过无线通讯上传。
在该系统中,多台工位终端通过无线网络与各自对应的无线网关计算机通讯,进而接入企业以太网,如图3所示。不同的加工线可以分别采用不同的无线频道。也可以采用同一个无线频道(此时只需要1个无线基站)。
2.2 工位终端功能设计
(1)信息显示。采用320*240点阵液晶屏;
(2)按键。采用PVC薄膜键,对上/下线计数终端,布置以下16个键:0~9,确认,取消,4方向键等;对于普通工位终端,则仅布置2~4个按键用于确认与报警;
(3)无线通讯数据交换。通过433MHz无线频段实现数据交换;
2.3 工位终端基本结构设计
工位终端采用基于ARM及433MHz无线通讯技术实现。根据功能需求,工位终端由以下几部分组成:(1)中央控制器:选用ARM系列处理器作为设备控制核心。(2)操作界面:包括320*240点阵LCD显示屏、按键与蜂鸣器;(3)433MHz无线收发器:实现工业现场的无线通讯;(4)电源模块。负责工位终端的供电。基本结构如图4所示。
2.4 系统性能设计
(1)433无线通讯:通讯速率≤20Kbps,通讯距离≤1000m;(2)数据存储:断电不丢失,10年有效;(3)系统功耗:<10W;(4)额定电流:AC220V/0.04A或24V/0.4A;
3 总结
通过对现有混流制造模式的分析,针对车间制造实时信息采集能力缺乏和生产调度工具实用性有限的问题,采用装配与加工协同优化的框架,以总成装配的投产来拉动、优化发动机5C件投产顺序和批量,算法的优劣通过eM-Plant软件构建的混流制造数字化车间模型评定。设计了一套基于无线网络传输、比较实用的工位信息系统,拓展了工厂已有的工业网络,加强了计划层和执行层的双向联通。应用结果表明,本文设计的生产调度系统有比较好的工程效果。
参考文献
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[3]谢楠,李爱平,尤建新.支持混流生产的可重组逻辑控制器设计方法[J].计算机集成制造系统,2008,14(5):842-848.
混流生产线 篇5
在混流生产线中, 无等待 (no-wait) 自动化制造系统指工件在一个工作站完成加工后, 必须立即搬运到下一个工作站[1]。文献[2]研究了具有任意工作站数目的无等待自动化系统, 并为该系统提出了一种多项式的调度算法。并行机是指在加工时间特别长的瓶颈工作站上设置的多个同时加工工件的工作机器。文献[3-6]研究的都是工作站中加工工件无等待问题, 文献[7]则研究了有等待的问题, 文献[3-7]在研究求解问题时均采用了数学建模求解的方法。文献[1]研究了工作站存在并行机的调度问题, 采用的也是数学建模求解的方法。文献[8]研究了工作站中有缓冲区的问题, 并将遗传算法与调度规则相结合采用数学建模的方法求解了该问题。上述研究都存在着局限性, 即没有在混流生产线条件下将“多工作站”、“同一工作站中有不同效率并行机”、“各工作站之间有缓冲区”、“允许工件有等待”四个因素放在一起展开研究;另外, 现有文献对问题的求解方法基本都是采用数学建模的方法, 数学建模求解对简单的问题比较容易, 而对上述四个因素并存的情况会十分困难。
在生产实际中, 很多企业在多工作站混流生产线的各个工作站之间设立缓冲区, 其目的是缩短生产中某个或某几个工作站的闲置时间, 同时还可以规避因某个工作站出现偶发问题导致的整个生产线停工的问题。企业实际生产中普遍存在某些工作站甚至是全部的工作站中有并行机的现象, 甚至并行机的规格型号与效率并不相同, 因此研究混流生产线具有多工作站、工作站间有缓冲区、某些工作站内具有不同效率的并行机、允许工件有等待这样的典型排产优化问题具有重要意义。本文在上述背景及各缓冲区规模确定条件下提出一种新型逻辑智能推理方法应用于求解排序长度的排产优化问题, 规避建模求解问题的复杂性。
1 问题模型
设有H个工件, 某个工件标记为Hi, 其中i=1, 2, …, I;生产线共有S个工作站, Sj表示第j个工作站, j=1, 2, …, J;至少有一个工作站有并行机, 用mSj表示工作站Sj所具有的并行机数量, 即mSj≥1。各工件必须以相同的顺序依次通过流水生产线的全部工作站;任何两个相邻工作站之间设有一个容量合理的缓冲区, 缓冲区的工件按照先进先出的原则依次排队;每个工件在一个工作站中只能被一个设备加工;当工件在某个工作站设备上完成加工, 而该工作站的紧后缓冲区中没有空闲的位置存放时, 则该工件只能在原设备上等待, 直到紧后缓冲区中有空闲的地方或下一个工作站至少有一个空闲的设备为止。本文的排产目标是确定一个排产方案, 包括确定投入顺序、每个工件在每个工作站中所使用的加工设备、各工件在每个工作站的开始加工时间及结束时间, 使得优化目标值最优。
其他问题约束条件是: (1) 各工作站的同一台设备同一时刻最多只能加工一个工件; (2) 同一个工件在同一时刻只能被一台设备加工; (3) 所有的工件一旦被设备加工则加工不能中断, 直至加工完成为止; (4) 每一个工件之间具有相同的加工优先等级; (5) 全部工件在0时刻均可以被加工; (6) 对于任意一个工作站而言, 各工件对应各并行机的效率参数是已知的, 即任意一个工件在生产线上的任何一台设备上的加工时间是确定已知的; (7) 各缓冲区容量是固定的。
2 评价指标
在这里选取“排序长度”作为优化指标。排序长度又可称为最大流经时间或制造周期, 它是生产实际中经常被关注的指标, 它是评价排产方案优劣的最根本的指标之一, 特别能说明生产线效率的高低。为了问题说明与表述的简单, 我们在这里定义任意一个投入顺序最后一个工件最后一道工序完成的时间为OSJ, HI, 则优化目标为M=minOSJ, HI。
3 逻辑智能推理方法
3.1.1推理方法
(1) 随机生成一个生产线投入序列, 将序列的前S1m个工件同时安排在第一个工作站的设备中;如果第一个工作站中的并行机效率不同, 则按工件序列顺序逐个将工件优先安排在效率较高的设备上, 即工件序列中排列在前的工件优先选择效率较高的设备。初始加工时间设定为“0”时刻。
(2) 在上述基础上对第一个工作站进行安排。如果第一个工作站的某个设备首先完成了工件的加工, 则将完成的工件转移到第二个工作站, 并将该工件安排在第二个工作站中效率最高的设备上;第一个工作站空闲出的设备被安排加工剩余待投入序列中的当前第一个工件;第一个工作站中第二个加工完成工件空出的设备再被安排加工剩余待投入序列中的当前第一个工件;第一个工作站中第二个完成工件优先被安排在第二个工作站中目前处于空闲状态、且效率处于当前第一高的设备上加工, 如果第二个工作站只有一台设备没有并行机或第二个工作站目前没有空闲设备则将该工件放入缓冲区中空闲位置的最前端;依此类推, 第一个工作站中所新出现的每一个空闲设备都被安排加工剩余待投入序列中的当前处于第一个的工件。
(3) 对第二个工作站或对其后任意工作站Sj进行安排。如果本工作站有空闲设备, 则将紧前缓冲区中的排序为最前面的工件安排在效率最高的空闲设备上加工, 同时该缓冲区中剩余的待加工工件位置前移;依此类推, 直到将本工作站的所有加工设备排满为止。如果紧前缓冲区没有工件则只能等待前一个工作站在未来最近期完工的工件, 此时本工作站产生了空闲设备。
(4) 如果工作站Sj中有完工的工件, 而其紧后缓冲区没有空闲位置且Sj+1工作站中的设备均处于加工中, 则Sj工作站中的处于停止加工但又不能将工件卸下的设备处于堵塞状态;如果前面工作站有并行机且同时有2个或多个工件同时完成加工, 则遵循以下规则:缓冲区排列在先的工件优先选择下一个工作站的加工设备。
(5) 当所有工件通过最后一个工作站完成了全部的加工任务后, 最后一个完工的工件的结束时间即为排序长度。
(6) 在流水线的一个排产循环完成后, 所有的工作站复位, 回到第一个排产循环的初始状态。
3.1.2时间记录器的构建
显然按上文的逻辑关系, 由于对具体某一个随机产生的投入序列来说, 投入序列是确定的, 加之设备使用规则也是确定的, 且对于任意一个工作站而言, 其内部的各并行机的效率排序及任意一个工件在生产线上的任何一台设备上的加工时间是已知的, 所以可以推论出, 只要按上文的规则开发编制一个合适的程序软件就可以将所有工件的加工过程进行仿真计算, 并记录下每个工件在任意一个工作站中的某个设备上的开始时间和结束时间, 任意投入序列方案的排序长度可以求出。
3.2遗传算法
显然如何在有缓冲区及不同效率并行机混流生产线中确定排产投入顺序的问题同样也是排产优化问题。当多个不同规格的工件依次投入到生产线上进行加工时, 需要给各个工件排定一个加工投入的顺序, 当然这样的排产顺序方案很多, 我们要确定采用哪个排产方案以使某个指标最优。对于任意一个排产方案可以通过上述的逻辑智能推理方法来计算出该方案的排序长度, 可以采用遗传算法进行排产方案的全局搜索, 对于遗传算法搜索出的全部排产方案进行逻辑智能推理计算比较就可以求出最优的排产方案。需要说明的是, 其编码规则推荐使用矢量编码方式, 即将各个工件以实数编码, 如有I个工件, 分别为其标记为1, 2, …, I即可, 则种群染色体个体即某排产投入顺序的形式可为 (3, 7, 1, 4, 5, 2, 9, 10, 6, 8) , 此时I=10。此处要注意标记工件身份的编码与排产序列中的第几个工件的序列号的区别, 前者代表某个工件, 后者代表工件在某个染色体个体中的序列号。推荐的遗传算法参数的选择如下:交换率Pc=0.4, 变异率Pm=0.04, 初始种群数量为10~30, 最大迭代次数为100~300;选择采用轮盘赌法, 排序长度作为适应值函数。遗传算法参数的选择确定可以根据问题的实际规模试算调整, 本文只提供解决问题的思路。
4 仿真算例
为了便于测试, 本文只选择3个工件及3个工作站, 且每个工作站有2台并行机设备的情况 (表1) , 工作站间设缓冲区, 缓冲区容量均为1。测试模型的简化并不影响测试的意义。
遗传算法共搜索到6种排产方案, 仿真计算结果如表2~表8所示。
由仿真结果可见, 上述问题模型的最优排产序列为1→2→3, 1→3→2, 3→1→2, 3→2→1, 此时排序长度为19。
注:括号内为开始时间, 括号外为结束时间。
5 结语
本文所推荐的一种逻辑智能推理方法可以求解任意一个混流生产线的排产方案的排序长度值, 而该方法与遗传算法的全局搜索特性相结合就可以求解有多个工作站、有缓冲区及不同效率并行机、允许工件等待的混流生产线的排产优化问题, 仿真测试结果证明了该方法有效可行。
摘要：针对有多个工作站、同一工作站中有不同效率并行机、各工作站之间有缓冲区、允许工件有等待条件下的混流生产线排产优化问题, 提出了一种逻辑智能推理方法与遗传算法相结合的问题求解思路, 解决了针对该典型问题求解排序长度时存在的数学建模及计算较为复杂的问题。
关键词：并行机,缓冲区,混流生产线,逻辑智能推理方法,遗传算法
参考文献
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混流式水轮机水力振动 篇6
1 湖南欧阳海水电站试验
1.1 欧阳海水电站基本参数
1.2 机组稳定性试验
1#机组稳定性试验, 试验水头42 m。从空载到最大出力15 MW, 每隔1 MW一个试验工况点。水轮机蜗壳进口、顶盖、尾水管锥管等处水压脉动结果见图1。试验结果表明:在1～4 MW之间存在强烈水压脉动区, 在3 MW附近水压脉动达最大值, 超过其他运行工况水压脉动值的5倍;水压脉动频率为4.45 Hz, 为转速频率的1.424倍;3个部位水压脉动特征为:同振幅、同相位、同频率, 见图2。
1.3 机组水力振动分析
欧阳海电站机组水压脉动主要体现在低负荷3 MW附近机组产生水力共振, 其他类型水力振动所占比重较小。采取的措施为:机组避开振动区运行。
2 黄河万家寨水电站试验
2.1 万家寨水电站基本参数
2.1.1 1#、2#、3#、4#水轮机
2.1.2 5#、6#水轮机
2.2 机组稳定性试验
1#机组稳定性试验, 试验水头63 m。从空载到最大出力200 MW。水轮机尾水管进人门处、涡壳进口、顶盖水压脉动结果 (见图3) 。试验结果表明:20～80 MW为水力共振强烈水压脉动区;在40 MW附近水压脉动达最大值, 超过稳定运行工况水压脉动值的6倍, 水压脉动主频率为2.23 Hz, 为转速频率的1.335倍 (见图4) ;同样的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现, 引起机组强烈振动。80～140 MW为尾水管低频涡带造成的水压脉动区, 水压脉动频率为0.5 Hz, 为转速频率的0.3倍, 尾水管低频涡带水压脉动值最大为4 m, 基本不影响水轮机稳定运行 (见图5) 。140 MW以上出力为水轮机稳定运行区。尾水管中高频水压脉动成分所占比重较大, 是叶道涡、卡门涡、转轮与导叶及其互相干涉等形成的结果。
万家寨6#机组稳定性试验, 试验水头63 m。
从空载到最大出力200 MW。水轮机尾水管进人门处、涡壳进口、顶盖水压脉动结果 (见图6) 。试验结果表明:20～60 MW为水力共振强烈水压脉动区;在45 MW附近水压脉动达最大值, 超过稳定运行工况水压脉动值的8倍, 水压脉动主频率为1.67 Hz, 与转速频率一致 (见图7) ;同样的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现, 引起机组强烈振动。60～120 MW为尾水管低频涡带造成的水压脉动区, 水压脉动频率为0.5 Hz, 为转速频率的0.3倍, 尾水管低频涡带水压脉动值最大为2.2 m, 基本不影响水轮机稳定运行。120 MW以上出力为水轮机稳定运行区。尾水管中高频水压脉动成分所占比重较小。
3 黄河小浪底水电站试验
3.1 小浪底水电站基本参数
3.1.1 水轮机参数
3.1.2 发电机参数
3.2 机组稳定性试验
小浪底1#机组稳定性试验, 试验水头109 m。从空载到最大出力300 MW。水轮机尾水管进人门处、涡壳进口、顶盖水压脉动结果 (见图8) 。试验结果表明:40～100 MW为水力共振强烈水压脉动区;在60 MW附近水压脉动达最大值, 超过稳定运行工况水压脉动值的4倍, 水压脉动主频率为2.17 Hz, 为转速频率的1.2倍 (见图9) ;同样特征的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现, 引起机组强烈振动。在120 MW附近比较窄的出力范围, 产生剧烈的低频水压脉动, 机组振动感最强, 水压脉动主频率为0.47 Hz, 为转速频率的0.27倍;同样特征的水压力脉动在涡壳进口、水轮机顶盖等处同时出现。140～220 MW为尾水管低频涡带水压脉动区, 水压脉动频率为0.7 Hz, 为转速频率的0.4倍, 尾水管低频涡带水压脉动值最大为3 m, 基本不影响水轮机稳定运行。220 MW以上出力为水轮机稳定运行区。尾水管中高频水压脉动成分所占比重比较大, 是叶道涡、卡门涡、转轮与导叶及其互相干涉等形成的结果。
4 混流式水轮机水力振动产生的原因及其 破坏性分析
综合上述电站混流式水轮机水力振动分析, 在额定出力的20%～30%范围内出现过水系统整体水力共振, 频率为转频的1～1.4倍。混流式水轮机在偏离最优工况区运行时, 在叶片出口存在旋转水流形成的涡带, 在尾水管中引起低频压力脉动, 其频率为水轮机转速频率的1/3～1/5。而在水轮机尾水管中形成的涡带有3种:第1种为实心涡带, 在接近运行最优工况区产生;第2种为较为稳定的空腔涡带, 在尾水管中旋转摆动;第3种为变化的空腔涡带, 此种涡带有时会有数个交替产生, 时有时无。后2种涡带在水轮机模型试验中很容易观察到, 在远离最优运行区产生。第3种涡带为水轮机低负荷强烈水压脉动产生的根源, 随着水轮机尾水管空腔涡带的产生与消失, 及其形状、大小的变化, 必然会引起整个过水系统流量的交替变化, 同时造成水压力变化, 类似于在过水系统上安装了阀门, 这类振动出现在整个过水系统, 对水轮发电机组和引水系统有巨大的破坏性, 电站应严格禁止在此区域运行。
小浪底电站在额定出力的40%, 出现低频水力振动带, 为尾水管中强烈涡带振动的典型代表, 其振动值可传至涡壳进口, 此类振动对机组破坏性最大。
万家寨1#～4#机、小浪底机组尾水管水压脉动具有较强的高频成分, 转轮内部叶道涡, 叶片出水边的卡门涡较强, 对转轮本身会造成破坏, 如加速叶片裂纹的形成等。
混流式水轮机在额定出力的40%～70%为尾水管低频涡带振动, 频率为转频的0.3～0.4倍, 有些基本不影响水轮机稳定运行, 水压脉动双幅值小于6 m, 如小浪底、万家寨电站;有电站振动比较强烈, 水压脉动双幅值超过8 m, 如李家峡电站 (篇幅所限, 未进行论述) 。
5 水轮机水压脉动的处理方法
5.1 水轮机选型设计
对于调峰电站, 改变原来效率优先的选型设计理念, 水轮机最优效率向高水头偏移, 在模型试验曲线上, 选择叶片进口脱流线贯穿全部运行水头, 适当牺牲水轮机效率指标, 万家寨电站5#、6#机最高运行水头线通过水轮最高效率点, 叶片进口脱流线贯穿了全部运行水头, 其稳定运行区明显比该电站1#～4#机宽。
5.2 水轮机及电站设计制造
加强水轮机及电站结构动力学研究, 避免产生结构共振。对影响水轮发电机组稳定运行的振源 (激励) 和机械结构的模态 (响应) 进行更深入的研究。
5.3 运行管理
进行水轮发电机组运行稳定性试验研究, 加深对水轮机低负荷强烈水压脉动的认识, 实测水轮机振动区, 在机组运转特性曲线上, 限定运行区域 (禁止运行区、过渡运行区、稳定运行区) , 合理地调度机组, 避开机组强烈振动区运行。
5.4 合理选择水轮机安装高程
大型水轮发电机组主轴中心补气是减轻机组振动的有效措施, 然而, 有的电站由于水轮机安装高程较低, 或由于开挖不足造成下游水位抬高, 致使尾水管补气困难。如万家寨水轮机主轴中心补气试验结果表明:主轴中心呼吸式的补气方式, 对减轻机组振动没有明显作用。大量试验研究证明:在振动区只要有水轮机额定出力流量的1.5%～2.5%的补气量, 且能够补到涡带空腔区, 才可以有效抑制水压脉动。然而机组安装高程、水轮机空蚀、尾水管空腔涡带的形成、自然补气、水轮机效率等诸多因素互相关联和制约。为此, 正确认识和解决混流式水轮机强烈水压脉动带来的机组振动问题尚需进行大量的试验研究工作。
5.5 叶片出水边修型
混流生产线 篇7
关键词：混流式机组,安装,调试,处理
1 工程概况
锦潭水电站位于英德市西北部, 由混凝土双曲拱坝、坝顶溢洪道、放空底孔、进水口、引水隧洞、厂房和变电站组成。电站装3台单机容量为9 MW的混流式立轴机组, 年发电量7 769万k W·h。机组间距9 m, 安装高程为118.2 m, 蜗壳层高程115.6 m, 水轮机层高程119.9 m, 发电机层高程126 m, 主机间高度23.8 m。
2 主要设备安装情况
2.1 座环安装
座环是机组重要的支承部件和安装基准件, 必须复测座环水平, 复查时在座环上均匀划分8个或16个测点, 用水平梁加框形水平仪检查顶平面的水平情况。
2.2 机组预装调中心
定子、转子做耐压试验, 定子圆度复测, 定子机座与基础板, 下机架与基础板配钻销钉, 空气冷却器、油冷却器耐压试验, 为安装作准备。机组预装调中心, 底环是安装在座环上的, 所以底环的中心就是机组的中心, 用钢琴线悬挂出底环中心, 即用内径千分尺加耳机检查测量, 保证四周半径的最大偏差不大于设计间隙的±10%, 之后调整顶盖、下机架, 定子、上机架与底环同心, 调整下机架、定子中心的同时要调整其水平度及高程, 应该符合设计要求。调整后进行加固, 移交给土建浇混凝土, 保养期后进行复测。吊走上机架、定子、下机架、顶盖。
2.3 主轴与转轮安装
在安装间把转轮与底环、顶盖配测间隙, 若间隙不符合设计要求, 则应先处理以后再正式安装转动部分, 若配测间隙符合设计要求, 则主轴与转轮连接起来, 用0.05 mm塞尺检查不得插入, 之后整体吊装,
2.4 导水机构安装
插装导叶, 装顶盖、套筒、导叶臂、盖板、控制环、连杆等部件, 要使活动导叶关闭严密而且转动灵活。全关时测量导叶端面间隙和立面间隙, 掌握导叶的倾斜情况。如果导叶大、小头的端面间隙不相等, 则表示导叶轴线在圆周方向是倾斜的, 顶盖应该在圆周方向适当移动, 由于顶盖需要移动的量往往很小, 实际操作时必须谨慎, 用百分表监视顶盖实际移动情况。以上测得的导叶端面总间隙, 应在图纸规定的范围内, 其最小值不得小于设计间隙的70%。通过压盖上的调节螺钉调整导叶端面间隙合格后打紧分半键, 复查导叶端面间隙。把控制环移动至全关位置并固定, 在导叶全关时用钢丝绳绕导叶一圈用葫芦拉紧, 调整安装连杆。导叶全开检查导叶开度应符合要求。
2.5 转子吊装
分别吊装下机架、定子, 用销钉复位。转子吊装过程中由4人用竹片插在气隙中, 防止定、转子碰撞, 并平稳落在事先放在下机架上的千斤顶上。转子吊装就位后, 安装上机架、推力轴承, 转子粗调中心、水平。
2.6 盘车及轴承安装
发电机单独盘车, 单盘符合要求后联轴总盘, 总盘符合要求后精调转动部分水平、推力瓦受力、转动部分精调中心, 安装上导、下导、水导轴承。水导轴承为筒式导轴承, 透平油是依靠转动油盆产生的动压力, 从进油管流入, 沿轴瓦表面的斜油沟上升, 在轴瓦与主轴之间形成油膜。透平油将在转动油盆和固定油箱之间不断循环, 保证轴承正常工作。水导轴承在安装前必须与主轴进行预装配, 测量间隙, 符合要求后再进行安装, 安装调整间隙时必须根据设计要求和轴线的实际情况来确定。
2.7 主轴密封安装
水轮机主轴密封, 包括工作密封和检修密封, 工作密封为U形活塞式密封, 安装前应用塞尺检查活塞与抗磨环之间的接触面情况, 若不符合要求应研磨活塞, 使活塞与抗磨环接触良好, 0.05 mm检查不得通过。活塞与密封座上的2条橡皮条接触良好没有间隙, 活塞应灵活, 主轴密封安装后通入压力清洁水, 检查主轴密封漏水情况。
2.8 机组附件安装
接力器、油压装置、通风系统等附件安装。
3 安装调试的主要问题及处理方法
3.1 安装过程问题处理
(1) 1#机组导水机构顶盖、底环在厂里与座环预装好钻好销钉后整体发货, 在现场预装检查时发现顶盖、底环不同心达0.86 mm, 而转轮室的设计总间隙只有0.54~1.30 mm, 需对相应部位进行打磨处理。
(2) 2#、3#机组转轮与底环间隙经预装总间隙只有0.20~0.40 mm, 而设计总间隙为0.54~1.30 mm, 需把底环返厂配车加工。
(3) 3台机组的伸缩节M56螺柱有60个被筋板挡到无法安装, 需把螺柱两端分别车短25 mm。
3.2 调试过程问题处理
(1) 主轴密封漏水问题:1) 原因分析。按照厂家图纸设计, 活塞宽度为39.7~39.8 mm, 活塞体槽宽度为41 mm, 即活塞与活塞体间隙为1.2~1.3 mm, 密封槽深度为4.5~4.6 mm, 密封圈的直径为准5 mm, 即活塞与密封圈之间还有总间隙为0.35 mm, 经计算, 通过这一间隙的漏水面积为565 mm2 (内圈漏水面积3.14×410×0.175=225 mm2, 外圈漏水面积3.14×490×0.175=269 mm2, 225+269=494 mm2) 。现场通过检测抗磨环的平面度及锥度, 发现1#抗磨环的锥度达0.08 mm, 波浪度达0.10 mm, 2#抗磨环的锥度达0.16 mm, 波浪度达0.10 mm, 其漏水面积1#、2#机分别为124 mm2、180 mm2, 活塞与活塞体、活塞下端面与抗磨环的总漏水面积分别达618 mm2、674 mm2, 而技术供水管的截面积是123 mm2 (3.14× (12.5/2) 2=123 mm2) , 漏水面积分别是技术供水面积的5倍、5.5倍。可见差动活塞内无法建立水压而失去密封作用, 是造成严重漏水的原因, 属设备缺陷。2) 处理方法。增大主轴密封供水, 把原来DN25的减压稳压阀换为DN50的减压稳压阀, 增大主轴密封供水压力, 调整为比机组顶盖压力稍大, 即0.45~0.65 MPa之间 (原设计主轴密封供水压力只有0.15 MPa) 。活塞上的4个准14 mm的润滑水孔全部取消, 以免造成泄压 (当顶转子后活塞离开抗磨环约5~10 mm后) , 润滑水由导向销的间隙处取得。处理抗磨环的平面度, 研磨活塞与抗磨环的接触面。活塞与活塞体密封圈的配合公差调整为负公差-0.05~-0.10 mm。在活塞体对称方向增加一个供水孔, 使工作密封有2个对称的供水孔, 一是增大了供水量, 二是使活塞动作灵活、可靠。3) 处理结果。经处理后主轴密封工作正常。 (2) 剪断销剪断问题:在机组开关机及运行过程中, 剪断销经常剪断。在连杆螺栓受力均匀的情况下, 还是有剪断销剪断, 建议厂家校核剪断销受剪断面积是否符合设计要求。后经适当加大剪断销受剪断面后不再剪断。 (3) 机组动平衡问题:经与监理、厂家对3台机组转速在60%、100%时实测上机架垂直和径向振动值均小于0.005 mm, 按照国标GB/T8564—2003第15.3.1.e的规定, 上机架振动值应不大于0.04 mm, 大于0.04 mm时才应做动平衡试验。机组转速增大时, 振动值无明显变化, 说明动平衡是良好的。 (4) 上导轴承外甩油问题:在试机的过程中, 3台机组上导轴承均有不同程度的甩油现象, 3#机组最为严重, 甩油时是断续带有压力的, 开始怀疑端盖迷宫环处甩油, 拆开端盖重新压羊毛毡, 并在端盖处加设2个呼吸器, 呼吸器在内侧还加装2个弯头以破坏环流甩油, 经过处理后可以基本满足开机要求, 但运行久了端盖上还是积满了油。再次拆开端盖再加装2个呼吸器, 经试机没有效果, 检查端盖迷宫环处并没有油, 这时怀疑是推力头的4个通气孔处甩油, 经过做试验, 证明油是从推力头处的通气孔处甩出, 堵掉推力头的4个通气孔, 再次开机甩油问题解决了。 (5) 3#机组推力头在运行过程中半边较热问题:待检查端盖羊毛毡与推力头之间间隙是否均匀, 经多次检查未查明原因, 但机组运行参数正常, 有待进一步探讨。 (6) 3台机组的转子引线固定卡环太单薄问题:卡环厚度最薄的只有0.5 mm左右, 2#机组启动时有2个卡环断开引线甩出。最后, 3台机组都更换引线卡环。
4 结语