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应用单元化生产思想建立船体车间的生产体系摘要：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 （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/100m2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、3单元、4单元生产基本分段，；2单元生产补充分段，。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）204.15736.65136.1428.7159.6单元面积（m2）5041948.83601134422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）10931219.5160261单元面积36142846529863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 （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；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。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）161652单元面积6721097428842.2 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参考文献吴天俊. 造船生产自动化. 北京：国防工业出版社, 1991年：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，定义单元之间物流矩阵W：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矩阵L：其中表示生产单元与生产单元之间的距离，显然有。因此，可以定义生产单元之间的运行距离，成为物流矩S。 （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小组生产单元名 称小组1单元小组2单元小组4单元小组5单元面积(m2)5041948.81134422宽度(m)42/28162.4/108.394.5/6335.2/23.4中组生产单元名 称中组1单元中组2单元中组3单元中组4单元面积(m2)672109742884宽度(m)37.360.923.84.7大组生产单元名 称大组1单元大组2单元大组3单元大组4单元面积(m2)36142846529863宽度(m)180.7142.320.143.2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。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。图2 大组生产单元布置方案对大组生产单元，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：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。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，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。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：根据式（3）计算物流矩吨米。其余的方案按同样的方法计算，计算结果见表9。表9 物流矩计算表（部分）序号单 元 位 置物流矩吨米S1S2S3S4A1A2A3A4B1B2B3B4114521243231463882921452142323146300733145221432314677875124125421323145374341314251243231456217514142514232314554112234152412323146419222441524213231461408725452112432314652625345412241323147013353554124123231465400836541242132314683174465421241323146543684754214123231460499848542142132314634164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。图 5曲面生产中心生产单元布置图