基于Witness的采煤机驱动轮加工过程仿真与传统分析方法的对比

路艳萍，张维林

(1.西安重工装备制造集团有限公司， 陕西 西安 710054；2.西安煤矿机械有限公司， 陕西 西安 710200)

0 引言

随着我国国民经济的飞速发展，对能源的需求不断增大，煤炭作为我们国家能源的主要组成部分，将长期占有主导地位。近年来，我国建成了许多煤炭能源基地，涌现出了一批高产高效煤矿。采煤机作为煤矿井下工作面一个重要的生产装备，承载着高产高效矿井的主要生产任务。驱动轮是采煤机牵引行走时的主要零部件，因为其受到较大的扭力和牵引力，其结构模块需要与刮板运输机上的销排啮合来驱动行走，又要抗拒较大的截割反力，所以易于产生故障，在井下环境难于更换，因此只能用组件形式来替换[1]。由于采煤机大小不同，驱动组件的种类也不同，而且制造工艺周期较长，所以经常引起停产，严重影响煤矿产量。多年来各煤机生产厂家都一直致力于驱动轮的攻关，既要提高可靠性又要设法提高生产效率，从而满足易损件驱动轮组的市场供应[2]。

1 驱动轮加工传统分析方法

1.1 驱动轮加工车间现有工艺布局

某煤机公司机加二分公司负责采煤机驱动轮的生产，机二分公司位于该公司工业园区M7厂房，共分为南北两跨，加工区建筑面积约10 000平方米，现有设备总数120台，人员170多人，主要承担采煤机、掘进机及其它煤矿设备中小件、内藏齿轮件加工，南跨为中小件加工工区、北跨为齿轮加工工区，机床布置顺序、零件加工顺序由东向西即由粗到精，分别是粗车床区-精车床区(插齿、滚齿区)-铣、钻区(磨齿区)，如图1所示。

图1 驱动轮加工区域布置

涉及到采煤机驱动轮的生产车间加工区域主要划分为车铣加工、磨齿加工、磨削加工、齿形加工、镗铣、数控车加工6个区域。

1.2 传统经验式分析方法

根据2016—2019年数据，某煤机公司采煤机驱动轮包括主机及配件年平均生产量维持在300台左右，采煤机行走箱中的驱动轮受力复杂、容易失效。近年来，公司为了能够保证客户对该易损配件的需求，不断调整生产流程，在现有的生产条件下提高加工效率，从而保障驱动轮配件的市场供应。

根据在该公司的调研，目前驱动轮的加工经过不断的调整，在以下2个加工工序方面仍然存在问题：

1.2.1 齿形加工效率偏低

根据公司齿轮工艺组反馈，齿轮齿形加工目前效率不一，尤其是线切割设备数量及滚齿机设备数量对大模数渐开线驱动轮齿形加工效率的影响较大。目前机二分公司共有大模数滚齿机2台(YK31200、YA31200)，线切割机床13台(CTWQ800Z等)，以2019年度为例，机二分公司共投产各类驱动轮300件，如果按渐开线齿轮加工时间表及机床数量测算：

1) 驱动轮线切割工序的总加工时间为1 852 500 min(30 875 h)，每年法定工作时间约为2 008 h(单台/单人)，故线切割13台机床在不考虑故障、检修、保养、其他零件加工等情况下，每年总工作时间为26 104 h，远低于驱动轮线切割加工所需要的工时(30 875 h)。

2) 驱动轮滚齿工序的总加工时间为558 000 min(9 300 h)，每年法定工作时间约为2 008 h(单台/单人)，故滚齿机2台机床在不考虑故障、检修、保养、其他零件加工等情况下每年总工作时间为4 016 h，远低于驱动轮滚齿加工所需要的工时(9 300 h)。

经过以上简单计算对比，可以看出线切割及滚齿设备产能明显约束了整个驱动轮的加工效率，通过提高线切割及滚齿设备数量可以缓解该问题。

1.2.2 驱动轮加工周转问题

目前机二分公司加工渐开线齿面驱动轮时的周转耗时较长影响了驱动轮加工效率，针对目前机二分公司驱动轮加工工艺路线及设备分布进行分析。

1) 渐开线齿面驱动轮加工工艺路线如下：

锻造-热(正火+高回)-车(粗车)-热(时效)-车(半精车)-线切割(粗加工齿形)-滚齿(半精加工齿形)-钳-热(齿面渗碳)-车(半精车)-热(整体淬火)-车(精车)-磨(精磨)-线切割(内花键加工)-磨(齿面精磨)-钳。

2) 目前机二分公司加工区域划分及顺序为：

热处理区-中型车床区-热处理区-中型车床区-线切割区-滚齿区-热处理区-中型车床区-热处理区-中型车床区-磨床区-线切割区-磨齿区。

通过驱动轮加工所需区域及顺序来看，目前驱动轮加工周转问题主要有3点：

1) 线切割区域设置较远，零件周转过程中跨车间周转，周转时间无法保证；

2) 磨床区与中型车床区转运必须通过电动周转平板车；

3) 热处理工序较多造成多次跨车间周转，周转过程中存在停滞现象发生。

2 Witness的仿真解决方案与模拟运行

2.1 解决方案

针对该公司驱动轮加工的现状以及存在的问题，考虑到研究对象的离散性，有别于传统经验分析、简单计算等分析方法，提出采用计算机仿真技术，借助现代离散事件动态系统仿真语言Witness(其中包括Witness提供的元素、规则和函数等)，并依据驱动齿轮的加工工艺，建立了基于Witness的齿轮加工过程的物流系统的仿真模型[3]。

2.2 驱动轮生产过程的仿真建模

在对煤机公司驱动轮加工现状分析的基础之上，以该公司目前驱动轮生产工序及实际情况为基础，利用Witness软件进行该实际加工过程的仿真建模、仿真分析[4]，达到数字化模拟生产流程的作用和目的。

2.2.1 齿轮加工描述

加工驱动齿轮使用了7组机器：车床组、线切割组、滚齿机组、磨床组、磨齿组、钳工组、热处理组。在其他车间粗加工过的驱动齿轮半成品即粗加工后的驱动齿轮零部件可以作为加工原料。按照要求原料要完成7 道工序并且都要在指定的机器组上处理，最后按照顺序进行事先规定好的工艺流程，加工时间如表1。

表1 驱动齿轮的加工时间

2.2.2 模型元素定义

现实的生产或物流系统总是由一系列相互关联的部分组成[5]。比如制造系统中的原材料、机器设备、仓库、运输工具、人员、加工路线或运输路线等。Witness软件使用与现实系统相同的事物组成相应的模型，通过运行一定的时间来模拟系统的行为。模型中的每个部件被称之为“元素(Element)”，本模型主要有4种离散型元素：机器元素、缓冲区元素、劳动者元素和零部件元素，见表2。

表2 实体元素

2.2.3 模型的运行与输出分析

设置仿真模型的机器类型都为单处理机，为了简化验证数据，以第一次线切割前为阶段，进行分段验证，经计算知在37 h时，车床组完成它的第一个工件，因此可以设仿真时钟为37，运行模型，然后观察是否仿真时钟点在37时，车床组完成它的第一个工件。

当系统具有随机性时，就需要对实验做多次运行。因为随机输入导致随机输出。在选择仿真运行长度时，考虑启动时间、资源失效可能间隔时间、处理时间等因素。通常的做法是在运行模型前设定系统的“预热期”，本模型以一个月30 d，一天不间断的工作8 h为仿真时间运行，仿真时间就为14 400 min，对应14 400个仿真时间单位 (30×8×60=14 400 min)。

本论文的分析中主要用到均值，确定了对系统模型进行输出数据分析的方法后，还需要用来分析的数据，就要运行模型，得到数据报表。用同一个伪随机数流：1，运行系统3次，运行时间为1 440个仿真时间单位后得到3组的统计值，其中零部件 棒料(Bang liao)的3组统计值如表3所示。

表3 单次运行的毛料统计

再釆用上面提到的动态仿真的输出数据分析中采用的独立重复运行法进行计算，这样就得到了毛料的样本均值、样本方差和标准差如表4所示。

表4 运行3次的棒料统计

同理，分析机器组、缓冲区、劳动者的均值统计信息，此处不再赘述。

根据计算及图表分析可知，零部件的平均制品库存为20.33，平均逗留时间为157.52 h，零部件的平均逗留时间占到总运行时间的37%。机器的开动率最高为滚齿机组，达到71.26%，最低的是热处理设备，仅有0.88%，打标磨床组、滚齿组的开动率很低，不到10%；机床中只有车床组阻塞率不为零，并且数值很大，为86.3%左右，这主要是零部件的被动进入系统方式，以及车床组设备多、加工时间短、故障率低的缘故；不管从动态图上看到，还是计算分析得到，缓冲区b2和b3中的零部件都很多，b2现在就达到18个，平均12个，零部件在b2中的逗留时间为102 h。可见零部件的逗留时间几乎都用在b2中，原因是线切割组考虑了安装调整的时间，它的调整时间占到了20.77%,而等待工人来安装调整的时间占到24.84%。从空闲率上看，线切割组和滚齿组是影响系统的瓶颈。负荷工作状态处于一般负荷，仿真产出量为43。

3 结论

本文主要研究了驱动齿轮生产过程的传统经验分析方法和应用Witness的模拟运行仿真。通过对两种分析方法的实践，发现传统经验式分析方法在寻找定性问题时候能起到作用，而应用Witness仿真在问题定量方面有不可替代的作用，并且通过对仿真的输出分析，把加工过程的繁琐工序简化为一个生产车间的制造过程，能够模拟生产过程并得出精确的仿真结论。