应用单元化生产思想建立船体车间的生产体系

应用单元化生产思想建立船体车间的生产体系 钟宏才 谭家华 （上海交通大学 船舶与海洋工程学院，上海 200030） 摘要：对按订单生产的造船行业，建立成 组生产单元， 实行中 间产品的专业化生产是提高造 船生产效率的有效途径。本文以国内某一实行“ 生产中心制”造船模式的造船企业为研究对象， 在其曲面生产中心内部，根据中心内生 产的中间产品族的特点及 设备的布置，建立分 阶段、 分类型的完整的中间产品专业化生产体系。本文 详细介绍 了建立专业化生产体系的过程，得 到了曲面生产中心成组生产单元的布置图。 关键词：单元化生产，车间布置，中间产品，造船 1 引言 组建成组生产单元，实行中间产品的专业化生产，是现代造船模式的显著特征。中间 产品的专业化生产是把相似的中间产品组成中间产品族，在一个专门的区域内进行生产。 这个一个专门的生产区域在船厂的位置是全厂生产流程优化的结果，生产区域内的设备布 置和作业人员的配置也根据该区域内生产的中间产品的工艺流程优化得来，这样一个区域 称为生产单元。由此可看出，中间产品的专业化生产可以大幅度地提高生产效率、缩短建 造周期。因为这样的生产方式一方面把相似的中间产品集中在一起生产，可以大大压缩生 产准备时间、工装调整时间等非生产时间，也增加了作业的平行度，缩短了总的建造时间； 另一方面在单元里只生产一个和多个中间产品族，这些中间产品拥有相似的工艺流程，这 样大大提高了作业人员的作业熟练程度，从而也缩短了单件中间产品的生产时间，同时提 高了产品质量、减少了返工时间。 日韩的先进造船企业普遍建立起了完善的中间产品专业化生产体系，各级中间产品都 实行专业化生产。虽然我国造船企业已经在某些领域实行了中间产品的专业化生产，如管 件族的生产和船体零件的成组加工，但是还没有建立起完整的中间产品专业化生产体系。 本章在前面对中间产品特征分析以及划分出了中间产品族的基础上，结合国内某实行“中 心制”造船模式的船厂的曲面生产中心的布置，组建成组生产单元，建立曲面分段生产的 专业化生产体系。 2 曲面生产中心专业化生产体系的建立 对于专业化生产体系的建立，本文分为两步进行。首先计算每个生产单元所需的面积， 其次根据曲面生产中心的布置确定出每个生产单元的位置，下面将从两方面分别描述。 2.1 曲面生产中心生产单元面积计算 由于分段的装配分为小组立、中组立和大组立三个阶段进行，而且根据分道生产的要 求，三个阶段的装配作业将在不同的生产区域内进行，另外根据船厂规划，曲面生产中心 也有三个装配区域，本文的生产单元的布置也分为三部分进行。 对小组立和大组立单元，将通过计算单元物量和场地利用系数来计算单元面积，计算 方法如下： 由 TkVA （1） 其中：V 为单元物量； T 为有效作业时间，每个月按 21 天计算，全年 2112252 天； k 为场地利用系数，单位：吨/100m 2 天，参照宁波三星船厂的小组立场地利用系数 ，而本文研究的国内某新型船厂，由于刚投入生产，小组立场地利天吨 20/3.m 用系数以 计算；大组立场地利用系数 k 采用如下取值方式：1单元、天吨 21/8. 3单元、4单元生产基本分段， ；2单元生产补充分段，天10/4.mtk 。天2/.tk 按照年产 105 万吨的生产指标（以年生产 6 条 17.5 万吨散货船计算） ，由分段结构图 统计出每个单元的月度物量，应用公式（1）计算单元面积，所得结果见 表 1 和 表 2。 表 1 小组立单元面积计算 单元名称 1单元 2单元 3单元 4单元 5单元 作业对象 平板族 肋板族、肘 板族 标准 T 材族 曲边 T 材族、 其他型材族 曲面板族、 其他 重量 （t） 204.15 736.65 136.1 428.7 159.6 单元面积 （m 2） 504 1948.8 360 1134 422 表 2 大组立单元面积计算 单元名称 大组 1单元 大组 2单元 大组 3单元 大组 4单元 作业对象 甲板及平台分段 舭部及顶边水 舱分段 机舱双层底分 段 艏艉立体分段 物量（重量 t） 1093 1219.5 160 261 单元面积 3614 2846 529 863 对于中组生产单元面积的计算，由于组件的重量难于统计，本文将根据组件的个数和 标准工期来进行校核，计算方法如下： 由 0ATV （2） 其中：V 为单元物量，这里为组件的个数； T 为生产批次，月度生产批次为 ， 为组件标准工期；021T 为一个组件所需的面积， ，胎架的宽度与组件平均宽度的乘积。0AblA 按照年产 105 万吨的生产指标（以年生产 6 条 17.5 万吨散货船计算） ，由分段结构图 统计出每个中组立单元生产的组件个数，再应用公式（2）计算单元面积，计算结果见 表 3。 表 3 中组立单元面积计算 单元名称 中组 1单元 中组 2单元 中组 3单元 中组 4单元 作业对象 舱壁 舷侧 小甲板 其他 物量（个数） 16 16 5 2 - 3 - 单元面积 672 1097 428 84 2.2 曲面生产中心生产单元位置确定 在各生产单元的面积确定后，还需要把各生产单元在曲面生产中心的位置固定下来， 这是生产单元布置问题。生产单元布置需要遵循以下几点原则 1： 1) 总体优化原则：最佳的单元布置应当有最好的综合效果，即使设备、人员、各项 生产活动能有机的配合、协调一致，力求每个生产单元或每条流水线以至整个车 间的物流顺畅、生产负荷均衡； 2) 最短运行距离原则：单元布置应使中间产品在生产单元之间的移动距离最短，减 少运输成本； 3) 充分利用立体空间原则：既要考虑有效地利用地面生产场地，又要尽可能的充分 利用生产区域内的空间； 4) 适应性原则：使单元生产工艺具有较大的柔性，能适应产品更新换代的需要。 本文研究的单元布置是在原有的车间基础上进行的，除了遵循上述原则外还需要充分 考虑原有车间的布局和大的设备如起吊、搬运设备等的布置。 某船厂的曲面生产中心承担该厂所有曲面分段的生产和船体零件的成形加工。曲面生 产中心分为四个生产区域。其中 36 米跨为成形加工区，主要用于船体零件的成形加工；42 米跨和 45 米跨的南半跨为小组立作业区，用于中心内生产的曲面分段的部件的生产；42 米跨的北半跨为中组立作业区，用于中心内生产的曲面分段的组件的生产；45 米跨的北半 跨和 48 米跨为大组立作业区，用于曲面分段的大组立作业。本文研究集中于组立阶段的生 产单元布置，因此本文将分别在小组立、中组立和大组立作业区中布置三个阶段的生产单 元。 2.2.1 单元布置数学描述 设有 个小组立生产单元， 个中组立生产单元， 个大组立生产单元，根据各生1n2n3n 产单元生产的中间产品的特点、生产单元之间的偏序关系以及车间设备的布置，可以确定 小组立生产单元有 个布置方案，中组立生产单元有 个布置方案，大组立生产单元有1m2m 个布置方案，因此，整个曲面生产中心共有 个布置方案。这些布置3 31M 方案以最小运行距离为评判标准，结合方案选取时的考虑因素，充分体现了前述的单元布 置原则。 对小组单元、中组单元、大组单元进行顺序编号， ，其中Ni, ，定义单元之间物流矩阵 W：321nN 00212112 NNw 其中， 表示生产单元 与生产单元 之间的中间产品搬运量。又定义单元之间距离ijwij 矩阵 L： 00212112 NNlllL 其中 表示生产单元 与生产单元 之间的距离，显然有 。因此，可以定义生ijlij jiijl 产单元之间的运行距离，成为物流矩 S。 Niijijlw1 （3） 对 M 个方案分别计算物流矩 S，S 最小的方案即为最优方案。 2.2.2 曲面生产中心生产单元布置 首先，根据曲面生产中心布置图和 2.1 节计算出的单元面积需求，求出每个单元所占 的宽度，如表 8 所示。 表 8 生产单元面积 及宽度 Tab. 8 manufacturing cells area and width 名 称 小组 1单元 小组 2单元 小组 4单元 小组 5单元 面积 (m2) 504 1948.8 1134 422 小组生产单元 宽度(m) 42/28 162.4/108.3 94.5/63 35.2/23.4 名 称 中组 1单元 中组 2单元 中组 3单元 中组 4单元 面积 (m2) 672 1097 428 84 中组生产单元 宽度(m) 37.3 60.9 23.8 4.7 名 称 大组 1单元 大组 2单元 大组 3单元 大组 4单元 面积 (m2) 3614 2846 529 863 大组生产单元 宽度(m) 180.7 142.3 20.1 43.2 说明：由于某船厂已建有 T 排流水线，因此 3生产单元不在曲面生产中心布置；小 组生产单元的宽度有两个值，分别对应的是布置在 42 米跨和 45 米跨的北半跨时计算出的 宽度。 其次，根据曲面生产中心原有的生产区域部件和设备的布置确定生产单元布置方案。 对小组立生产单元，从表 6 中可以看出，小组 2单元若布置在 12 米跨，则单元宽度 需 162.4 米，这将超过小组生产场地的 156 米的宽度，因此小组 2单元只能布置在 18 米 跨内。另外小组 2单元和小组 4单元不能同时布置在一个跨内，因为两个相加将超过跨 的长度。根据以上原则，可以得出 8 中小组单元布置方案，参见图 1。其中阴影部分为堆 场。 - 5 - 1#425#15 2#451451#1(a)(a3)(b)(b3) 图 1 小组生产单元布置方案 对中组生产单元，由于中组 3单元生产的是小甲板分段，小甲板分段生产出来后直 接被运出去进行涂装，而不留在曲面生产中心进行大组立，因此，中组 3单元应被布置 在生产场地的端部离出口最近的位置。其余中组单元可以任意布置，由此，中组生产单元 的布置共有 种方案。613C 对大组生产单元，大组生产单元的布置与 单元类型有关，也和车间的场地和设备的布置 有关。因此，综合大组生产单元的面积大小和 曲面生产中心布置，确定了一种合理的生产单 元布置方案，见图 2。 综上所述，曲面生产中心单元布置方案共有 M86148 种。 2.2.3 物流矩计算 下面以一号方案为例，说明物流矩的计算方法。首先对小组立、中组立和大组立单元 按顺序编号，共有 12 个单元，即小组 1单元的编号为 1，大组 4单元的编号为 12。 根据 17.5 万吨散货船的船型特点，以及划分出的中间产品族的特征，可以确定物流矩 阵为： 000 .1006.2945300 2.4.8750.9.691.27.893.405564. W 矩阵中 表示单元 i 搬运到单元 j 的中间产品的重量，单位为吨。ijw 单元之间的距离采取如下的计算方式： 为连接单元 i 与单元 j 的中心点的折线长度，ijl 2# 图 2 大 组生产单元布置方案 如图 3 所示。 特殊地，对大组 1、2单元的距离计算，由于这两个单元分散在两个场地上，为计 算的方便，设定 A、B 点作为大组 1和 2单元的距离计算点。见图 4。i#jAB 图 3 单元距离计算示意图 图 4 大组 1和 2单元的距离计算点 因此，可得 1 号方案的距离矩阵如下，L 为角对称矩阵，这里只列出上三角： 05.3419827.0.6.32613057.1.0654791.829268308.44.256735.69.0409.278.90L 根据式（3）计算物流矩 吨米。其余的方案按同样的方法计算，计算结果638291S 见表 9。 表 9 物流矩计算表（部分） 单 元 位 置序号 S1 S2 S3 S4 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 物流矩 吨米 1 1 4 5 2 1 2 4 3 2 3 1 4 638829 2 1 4 5 2 1 4 2 3 2 3 1 4 630073 3 1 4 5 2 2 1 4 3 2 3 1 4 677875 12 4 1 2 5 4 2 1 3 2 3 1 4 537434 13 1 4 2 5 1 2 4 3 2 3 1 4 562175 14 1 4 2 5 1 4 2 3 2 3 1 4 554112 23 4 1 5 2 4 1 2 3 2 3 1 4 641922 24 4 1 5 2 4 2 1 3 2 3 1 4 614087 25 4 5 2 1 1 2 4 3 2 3 1 4 652625 34 5 4 1 2 2 4 1 3 2 3 1 4 701335 35 5 4 1 2 4 1 2 3 2 3 1 4 654008 36 5 4 1 2 4 2 1 3 2 3 1 4 683174 46 5 4 2 1 2 4 1 3 2 3 1 4 654368 - 7 - 47 5 4 2 1 4 1 2 3 2 3 1 4 604998 48 5 4 2 1 4 2 1 3 2 3 1 4 634164 在表中 min S537434 吨米，因此对应的 12 号方案为最优方案，12 号方案的生产单 元布置图如图 5 所示。 3 结语 曲面生产中心是某船厂生产曲面分段的车间，在该船厂实行的“中心制”造船模式下， 曲面生产中心是一个封闭的生产实体。生产曲面分段所需的部件、组件等中间产品都在中 心内部完成。本文按照中间产品专业化生产的要求，在曲面生产中心组建成组生产单元， 在中心内部实行中间产品的专业化生产。在一定意义上，一个生产单元就是一个生产中心， 它专门生产某一类型的中间产品。众多的生产单元共同组成曲面生产中心这样一个大的曲 面分段生产单元，从而形成层次分明的中间产品专业化生产体系 通过建立中间产品专业化生产体系，造船生产中的中间产品在生产单元内实行专业化 的生产，与传统生产方式相比能大幅度地提高造船效率，我国造船企业应尽快建立和完善 中间产品的专业化生产体系。 参考文献 1 吴天俊. 造船生产自动化. 北京：国防工业出版社, 1991 年 20tX1m三 辊 弯 扳 机材 料 加 工 后 处 理 区 (48) 方 格 网 ,负荷 吨 /平 方 米分 段 翻 身 及零 部 件 堆 场30X24m门x方