高速铁路预制构件生产线应用及平衡分析

张赫，郎祎 （中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

近些年，我国高速铁路发展取得了举世瞩目的成就，成为体现国家发展的闪亮名片，但是铁路构件预制施工生产中，其因构件种类多、数量大，导致预制生产过程中质量波动大。人工辅助及叉车转运，产生工序衔接不流畅，构件易损易坏，生产效率较低，施工组织粗放。在高速铁路建设标准不断提高，现代化生产技术不断创新下，构件预制由传统分散生产升级为集中工厂化预制，生产线的投入大幅降低了劳动成本，提高构件质量，降低了资源消耗，减少了对环境的干扰，满足了绿色发展的要求。但是自动化生产线应用需解决生产线布局合理、生产节拍确定、生产线平衡分析及改善，才能使其高效的运转，更好的发挥生产能力。为解决以上问题，结合自动化生产线技术，将构件预制各工序在生产线作业上，通过生产线平衡分析和改善，解决生产线上各工序平衡作业，实现自动化作业，保证了构件质量，提高了生产效率。

2 预制构件自动化生产线技术应用

2.1 预制工艺流程优化

结合生产线各个工位功能，将其工序设置在固定工位上，满足施工作业要求，利用自动化生产线技术进行流转作业，到提高生产效率、保证施工质量、节约成本投入。优化后工艺流程为混凝土自动运输→自动布料、振捣→生产线转运→蒸汽养护→脱模→模具清理→安装钢筋笼、预埋件→合模→流转至下一循环。简化混凝土浇筑过程，由操作员完成作业，减少劳务投入。养护室与生产线整合后，将混凝土构件养护纳入生产线管理，大大提高养护效率，提升构件质量。将构件脱模、清理、安装钢筋笼预埋件、合模工序安排在操作台上，方便统筹布局，提升作业效率。

2.2 生产线布置结构优化

生产线由输送辊道架的标准节段，加装倾斜式振动台、双层码垛机、布料机、养护室、子母车、摆渡车等自动控制设备，由电气液压和自动控制系统配合。完成混凝土浇筑、振捣、码垛、养护，构件拆跺、拆模，模具打磨、喷脱模剂、合模和转运等工序自动化流转、标准化及专业化作业。采用PLC可编程及变频控制技术，使自动化生产线满足各种工况作业，提高工序衔接效率；采用串联加多向组合形式布局，生产线可根据不同场地及要求进行改变，生产节拍和速率也可根据生产工期进行调整，灵活多变的结构形式，达成提质增效的目的。

3 生产线平衡分析及改善方法

理想自动化生产线是前、后作业工序紧密相连、均衡的一系列作业，并保持一定生产速率。随着合理的工艺流程朝完成方向作业，整个生产线工序接近同步作业。根据在自动化生产线施工工位转运情况，通过模型演算生产过程并不断改善，使其生产线各项工序和生产能力匹配，消除工序间不平衡损失以及生产过剩，最终达到生产线平衡的生产状态。

3.1 生产平衡的目的和意义

生产线平衡是生产线配置的首要问题，使自动化生产线的各个具体施工工序作业时间的差别非常小，几乎达到各工序的作业时间相同，进而实现生产线平衡。也就是说对生产的全部工序进行平均化，使各作业时间以尽可能相近的技术手段与方法来作业。

生产平衡的目的在于缩短生产一个构件预制及转运时间，降低生产投入成本；提高生产线的工作效率；减少工序间生产准备工作，减少施工生产的周期；改善生产线的平衡，提高作业工序稳定性和预制构件的质量；对改善后的工序流程进行实践，增加各工序之间衔接和对接效率。

3.2 生产平衡分析各项影响因素

3.2.1 生产节拍

生产线节拍是指连续生产相同的两个产品之间的间隔时间，即指完成一个产品所需的平均时间。生产节拍是一种目标时间，是随需求量和需求期的变化而变化的，它决定了生产线的生产能力、生产速度和效率。

3.2.2 瓶颈时间

瓶颈时间是一个生产过程中最慢的工序时间，它不仅限制了整个生产线的生产速度，还影响了整体生产能力和效率。它是整个生产过程中制约生产速度的各个因素。如人员配备不足，设备发生故障，传输系统不通畅等问题，都有可能成为瓶颈。

3.3 生产线平衡的方法

生产线平衡问题是将所有工序作业，以使各个工序作业在节拍（即相邻两工序通过生产线尾端的间隔时间）内都处于繁忙状态，完成最多的操作量，从而使闲置时间最少。生产线平衡的核心就是——克服瓶颈。

图2 瓶颈时间示意图

在流线生产作业中，制约产能的是瓶颈工作，瓶颈出现使前工序产品无法流下去，后工序无产品可做，就会造成短暂的停止，从而降低产能。一条生产线上可能存在多个瓶颈，且是永远存在的。只有尽可能地使各工序处于最接近均衡的状态，达到产能和生产力的最大化。

①生产线平衡率计算：t各工序工时之和÷（S瓶颈工序工时×R工序总数）×100%

②生产线平衡有很多改善方法，如5W1H提问技术方法、ECRS法则、工时测量法、程序分析和改善法、损失分析法、作业条件改善法。以ECRS法则为例进行说明：

①E（取消）：首先考虑工序中有无可取消的。该工序可以取消而又不影响质量和进度，是最有效的改善。②C（合并）：将两个或两个以上的工序变成一个。合并后可有效地消除重复现象，能取得较大的效果。当工序之间出现忙闲不均时，就需要对这些工序进行调整和合并。例如，混凝土布料和振动工序在一个工位上同时作业，即可合并一同作业。③R（重排）：经过取消、合并后，可重组也称为替换。就是通过改变工作程序，使工作的先后顺序重新组合，以达到改善工作的目的。④S（简化）：经过取消、合并、重排后的必要工作，再对该项工作进一步深入分析研究，使方法尽量地简化，以缩短作业时间，提高工作效率。

在实际的工作中要重复性的利用ECRS，不断优化-实践-分析-优化，来达到更高的生产效率。

4 生产线实例分析

4.1 生产线体布局与人员配置图

采用输送辊道架标准节，配上工位及设备，电气液压系统和自动控制系统组成生产线。根据作业内容分为布料振捣工位①双层码垛工位②独立养护室③拆跺工位④拆模打磨和喷脱模剂工位⑤合模工位⑥及转运工位⑦，将各工序顺序排列出来，制作工艺流程图（如图3）。

图3 生产线布置图及工序流转示意图

4.2 具体各个工位的时间分析测量

对各个工序作业时间分别测量，共计测量三次，绘制图表（如图4），对其进行工序作业进行编制、汇总、平均，进行各个工序时间分析，绘制图表（如图5）。

图4 不同工位时间完成分析图

4.3 根据时间分析图表制定生产线平衡图表

分析后重新绘制生产线平衡分析图表（如图5），各个工位调整后时间为布料振捣4分钟、双层码垛3分钟、独立养护室不占用生产线运转时间、拆跺3分钟、拆模打磨和喷脱模剂5分钟、合模2分钟、转运4分钟。

图5 分析后生产线平衡分析图

4.4 计算生产线平衡效率后进行分析改善

进行生产线平衡效率的计算：t各工序工时之和÷（S瓶颈工序工时×R工序总数）×100%

平衡率为60%说明生产线平衡损失，有40%的空闲时间，最空闲的是合模作业工序，故此生产线平衡要从生产时间较长和最短的工序进行入手。

采取ECRS方法分析，对时间长的工序分解，把部分作业分配到时间短的工序中去，养护室独立运转，不占用生产线作业时间。缩短作业时间，在养护室和生产线间增加自动转运设备。增加自动布料机、自动码垛机，提高运转速度。增加专业作业人员，提高技能水平。增加清理、喷脱模剂、合模工位的作业人员，提高生产效率。对时间短的工序进行整合或合并，将喷脱模剂工序与合模工序结合，增加最短作业工序的时间，提高生产线平衡率。

5 结语

自动化生产线技术是数字控制、工业机器和电子计算机等成组技术的应用，灵活性大，可实现多产品批量自动生产。通过前期设计，模拟工作流程，通过现代工业工程技术与数理统计，运筹学及系统工程等相支撑，模拟生产中可能出现的工况，对工序作业的逻辑关系进行分析、改善、调整，并择优选用合理的参数，实时调整。高速铁路预制构件生产平衡应用，解决构件生产过程中质量波动大、工序衔接不流畅、易损易坏、生产效率较低、投入成本大、施工组织粗放等突出问题，实现了施工工艺提升，从而降低了劳动成本，提高了生产效率，保证了构件生产质量。