汽车发动机生产线作业设计与仿真

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1、上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 论文研究目标及拟解决关键问题 1.1 论文研究目标及拟解决关键问题 上海通用汽车有限公司烟台基地发动机车间位于基地的东部， 建筑面积 46000m 2。 目前生产 S200 1.41.6 升四缸发动机，分别为别克凯越，雪弗兰乐风、乐骋轿车配 套发动机，产能为 36 万台/年。 基于上海通用汽车有限公司的发展规划，市场还对涡轮增压发动机和 1.8L 的发 动机有很大的需求。因此，规划调整产品结构：在原有基础上，增加生产新一代中等 排量的直列四缸发动机，以下简称 FAM1 （Family 1）发动机，为上海通用生产

2、新一 代别克、雪弗兰轿车、商务车提供优良的配套发动机。 FAM 1 系列发动机由通用汽车公司动力总成分部设计，并且同时在通用汽车公司 欧洲公司制造的产品。发动机本体结构和管理系统具有当今国际先进技术水平，被广 泛应用于中级轿车和紧凑型轿车。 根据上海通用动力总成规划，FAM 1 发动机生产线建成后，实行三班制生产。 2008 年 1 月开始第 1 期建设，至 2013 年第 3 期完成，将实现生产产能每年 60 万台。 可新增加产值 58 亿多元。 该项目将进一步提高上海通用汽车有限公司的整体竞争力， 大幅提高烟台制造基地的配套能力水平。 新建的 FAM 1 发动机生产线将由缸体、缸盖、曲轴机

3、加工线以及缸盖分装、发 动机装配线组成。由于动力总成的原有厂房的场地限制，在新生产线布局上，面临诸 多限制因素。本论文的研究目标以及拟解决关键问题在于：通过对动力总成厂生产格 局以及各类限制因素的综合研究分析，根据精益生产原则，对新项目生产线以及物流 系统进行合理规划布局，同时在规划过程中，逐步优化工艺方案与设备选型，完善各 生产线的具体布置规划方案。并借助先进的方法和工具，在复杂制造系统规划中，通 过基于工业工程方法的基础作业研究和系统仿真分析， 有效地对系统设计和运作模式 进行全面、准确、快速的设计分析，进而不断优化系统规划，为新系统的成功实施奠 定坚实基础。 上海交通大学工程硕士学位论文

4、 第一章 绪论 2 1.2 论文研究意义 1.2 论文研究意义 在制造系统规划中，以往只片面地注重制造工艺的实现，使得设备能够加工出合 格的产品。 而缺乏基于精益理念， 对制造系统整体运作的效能规划， 以使其满足精益、 柔性、低成本的运作要求。 制造系统的效能规划对于项目日后的实施及运行有着至关重要的影响。在新项目 规划中，工业工程的研究目标是对制造系统的整体以及各组成部分进行设计规划、评 估和改进，以实现生产要素的合理配置、系统整体的优化运行，确保项目安全、经济、 高效地实现规划目标。 FAMI 发动机项目，包括发动机装配线、缸体机加工线、缸盖机加工线和曲轴机 加工线。作为上海通用的重大项目

5、，从规划到实施，我们需要确保项目的生产运作能 够精益高效，实现产能目标6。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内外制造业差距 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内外制造业差距 由于我国工业化进程起步较晚，与国际先进水平相比，我国的制造业和制造技术 还存在着阶段性差距，其主要表现在以下几个方面： 1. 制造工艺装备落后，成套能力不强。我国大多数企业目前还采用较落后的制 造工艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足 10%，数控机床、精密 设备不足 5%，配有国产数控系统的中档数控机床不超过 25%，高档数控机床的 90%以 上依赖进口；我国在大型成套装备技术方面严重落后，100

6、%的光纤制造装备、85%的 集成电路（IC）制造装备、80%的石化装备、70%的轿车工业装备都依赖进口。 2. 生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低。 我国平均劳动生产率为 0.263 万美元，而美国、日本和印度分别为 9.37 万美元、10.47 万美元和 0.34 万美 元；我国的能源综合利用率仅为 32%左右，比国外的先进水平低 10 多个百分点；我国 每万元国民生产总值的能耗比发达国家高 4 倍多，主要产品单位能耗比发达国家高 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 3 30%90%，工业排放的污染物超过发达国家 10 倍以上。 3. 产品创新能力较差、开发周期较长。我国制造

7、业的新产品贡献率仅占国内生 产总值的 5.9%（1997 年） ，而美国已经达到 52%左右（1995 年） ；我国大中型企业生 产的 2000 多种主导产品的平均生命周期为 10.5 年，是美国同类产品生命周期的 3.5 倍；我国有 80%以上的企业生产能力利用不足或严重不足，但同时每年还要进口数以 千亿美元计的国内短缺产品。 4. 企业管理粗放、协作能力较差、国际市场开拓能力弱 我国多数企业缺少 现代化管理的概念、方法和手段，众多的企业尚处于经验管理阶段，企业机构臃肿， 富余人员一般多达 30%40%。我国机械工业的专业化水平仅为 15%30%，而美国、 西欧诸国、日本企业的专业化水平已经

8、达到 75%95%，小而全、大而全的“庄园式企 业”缺乏快速响应市场需求的能力。经过 20 多年的努力，我国出口商品占世界市场 份额从 0.5%提高到目前的 3.5%，但是根据近三年的统计数据分析，高附加值和高技 术含量的出口商品仅占我国出口商品总量的 10%左右 1,19。 近几年来，中国的企业也掀起起了精益浪潮。很多企业都提出精益化的要求，并 由专门的部门如工业工程部等进行推动。5S，TPM，KANBAN，JIT 等精益工具也得到普 遍使用，有的取得了不小的改善效果。我国制造企业急需引入并深化现代 IE 技术， 贯彻精益生产理念，不断改进优化生产方式。 工业工程(Industrial En

9、gineering,简称 IE)，是综合运用数学、物理学和社会 科学方面的专门知识和技术，以及工程分析设计的原理和方法，对人员、物料、设备、 能源和信息所组成的集成系统进行规划、设计、评价和改善的学科。工业工程是精益 生产系统的基础工程技术，也是科学、客观、量化的管理技术。 上海通用汽车作为美国通用汽车的合资企业，近年来也不断从 GM（美国通用汽 车）引入先进的 IE 技术、方法和工具。 过去大多仅仅关注于工艺的实现，而对制造系统的效率和精益运作研究不足。 随着制造系统的日趋复杂，由于缺乏相关方法和工具，规划设计分析往往较为粗略， 无法进行最优的分析评估，进而可能导致投产后的效能无法满足要求，

10、或运作成本居 高不下；在定型的生产系统中，对于复杂的问题也不能有效地进行分析和改进。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 4 随着近年来，我们与 GM IE 部门的技术和实践应用交流的深入，IE 技术水平也 得以较大提高，在本土的新生产线规划和老项目优化实践中，应用得到不断深化和拓 展。借助先进的方法和工具，在复杂制造系统规划中，通过基于工业工程方法的基础 作业研究和系统仿真分析，有效地对系统设计和运作模式进行全面、准确、快速的设 计分析，进而不断优化系统规划，为新系统的成功实施奠定了坚实基础。 1.3.2 工作研究在国内外发展及应用 1.3.2 工作研究在国内外发展及应用 “工作研究

11、”是工业工程的核心内容，其包括“方法研究”和“时间研究” ，也 是本课题将要阐述的应用之一。 “工作研究”十九世纪末起源于美国，并在欧洲、日本等西方国家广泛应用和迅 速发展。 20 世纪它对各工业化国家的高速发展做出了重大贡献， 被公认是建立企业基 础标准、提高生产力的重要手段，在工业发展体系中起着举足轻重的作用。工作研究 在国外的发展与应用上已有上百年历史，自创立以来，在西方工业化国家就有着快速 的发展和广泛的应用。1976 年美国工业工程杂志与博通公司联合对 1500 家企业工业 工程应用情况的调查表明，89%的企业应用工作研究；英国应用工作研究的情况大体 与美国相似， 据 1979 年哈

12、里斯对英国 401 家企业的调查， 其中有 84%的企业应用工作 研究，占应用工业工程各项技术的首位；1981 年，路特(Reuter)对企业工业工程应用 情况的调查表明，美国 90%以上的企业应用工作研究，其中 94.1%的企业应用方法研 究，96.3%的企业应用作业测定，企业的生产率提高 51%；日本、前联邦德国、法国、 澳大利亚等发达国家以及我国的台湾和香港地区也将工作研究作为工业工程首选技 术，其为企业提高生产率达 50%以上。 上世纪 60 年代以后，西方发达国家开始将计算机技术应用到工作研究领域，出 现了一些进行流程分析、动作研究和时间标准制定与管理的计算机软件系统。软件技 术、网

13、络技术和多媒体技术的进一步发展，使得工作研究技术已从最初的现场手工记 录工作过程发展到可以借助数码相机或摄像机等设备辅助纪录，一些研究机构还利用 3D 人体模型或机器人来进行动作轨迹的研究。 工作研究软件更是层出不穷， 而且功能 越来越强大，操作界面也日益人性化。有的系统还配有便携手持终端采样系统，为亲 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 5 临现场的研究人员提供了很大的方便，同时也提高了采样数据的准确性和高效性。 工作研究在我国的应用可以追溯到八十年代中期。从 1985 年开始，机电行业 部分企业推行了工作研究。根据 10 个企业，12 条生产线试点统计，企业一次投入 76 万元，每

14、年净增收入 2815 万元，劳动生产率提高 16%-18%，投入效益比为 133。例 如，北京机床电器公司运用工作研究，改造三条生产线，产量翻番，年新增产值 1165 万元，新增利税 349 万元；成都红光电子管厂推行 MOD 法，改进 20 个工序，仅投入 9930 元就使年增产值 840 万元，净增利税和节约材料费达 363.56 万元，投入效益比 为 1366；大连无线电十三厂应用工作研究，改进收录机装配线，效率从 42.7%提高 到 83.78%， 日产量翻一番， 由 102 台提高到 204 台； 上海金陵无线电厂应用工作研究， 改造生产线，投入 0.36 万元，获经济效益 81 万

15、元；广东科龙电器股份有限公司，推 行工作研究，一台容声电冰箱的生产节拍从 48 秒减少到 36 秒，全员劳动生产率达到 43 万元 8,17。 然而，工作研究在我国的应用尚不能和西方工业化国家同日而语。目前我国大部 分工作研究的实施，基本上还处于手工的和凭经验估计的状态，由人工进行测绘、记 录、分析、评价和改进。这样形成的基础数据，其准确性、及时性、规范性和可靠性 一般都比较差，很难为各种管理决策提供可靠的支持。在我国，工作研究的发展和应 用主要存在以下几方面的问题： 1) 标准化意识薄弱，工作研究不成体系。我国一直沿用前苏联的工业体系，人 们对效率、标准化的意识比较薄弱。相当数量的企业存在：

16、作业方法缺乏科学性、系 统性、标准化，主要凭经验和个人意愿行事；作业方法的改进一般来源于工人自发进 行的个人行为；仍然采用粗略的经验估算方法制定时间定额，时间定额标准很不统一 等。这些状况导致企业基础数据的实用性和准确性差，无法起到为企业上层提供可靠 的决策支持作用。 2) 工作研究技术处于手工状态，限制了工作研究的普及。随着科学技术的进步， 生产的不断发展和计算机技术在工业工程领域内的应用，必然要求提高方法研究和定 额工作的效率和质量，但由于工作研究技术长期以来依赖于人的技能程度，作业方法 设计一直由工作研究人员凭借其工作研究知识和生产实践经验，设计各种作业流程并 计算其相应工时定额。工作研究人员在设计作业方法和制定工时定额过程中，需要进 上海交通大学工程硕士学位论文