发动机气门生产效率分析与改善研究工业工程专业.docx
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发动机气门生产效率分析与改善研究工业工程专业
1绪论
1．1研究背景与意义
1.1.1研究背景
汽车产业已日益成长为我国国民经济支柱产业之一，其重要程度、消费需求的增加使得汽车生产规模逐步扩大。
汽车整车生产商为追求精益生产，自制的零部件数量越来越少，更多依赖于专门生产制造零部件的企业。
零部件作为汽车产业链最前端[1]，是整个汽车工业的关键环节。
汽车生产规模的扩大、二手车市场的发展、独立的售后保障等都推动我国汽车零部件的发展，为零部件制造企业带来机遇[2]。
然而，对于整个汽车行业总产值而言，我国汽车零部件行业产值较小，其比重相较于国际平均水平，仍处于较低状态。
整车生产商为提高企业产品的竞争力和市场占有率，对零部件供应商的生产能力要求越来越高，消费者面对汽车行业日益激烈的竞争，对汽车价格越来越敏感。
因此，如何有效改善零部件的生产效率，降低成本以增加单位产品利润，提高企业核心竞争力以满足市场、整车企业、消费者越来越苛刻的要求，是汽车零部件生产企业面临的巨大挑战。
随着我国汽车零部件产业的迅猛发展，其领域不断发展壮大，越来越多企业为改善生产线、改进产品质量、提高生产效率，为企业带来长足发展而应用工业工程[3]。
工业工程的产生和发展来自于人们对更优质、更高效的生活和工作的追求。
以泰勒、吉尔布雷斯等为代表，首次在生产与管理中应用工业工程，采取科学管理的方法。
泰勒在《科学管理原理》中，对科学管理进行了系统的介绍，诸如其原理、内容、方法，以及作业人员的选择和培训等，全面阐述企业的科学管理[4]。
吉尔布雷斯夫妇通过对泰勒研究的改进，提出动素的概念，将人的操作动作归纳为17个动作要素，进行动作研究，对于提高工效具有重要意义。
工业工程起源于国外，在美国、日本的发展尤其突出。
20世纪初，美国宾夕法尼亚州立大学成立了首个工业与制造工程系，工业工程步入高等教育行业自此开始。
福特汽车应用工业工程科学管理方法，实行工厂专业化、作业专业化、操作标准化及系统同步化等作业方法，使得装配汽车的时间大大缩短。
日本引入美国的管理方法与技术，并进行吸收与改进，开创了丰田精益生产[5]、准时制、看板管理等实践。
如今，信息技术的融入使得工业工程的发展更加快速，基本涵盖各个领域，诸如物流业、制造业、科技业等社会化生产活动，致力于整合企业内外部资源，改善工作质量，提高工作效率[6]。
在我国，工业工程的发展历程较短。
起初，我国大部分企业技术不发达，设备不先进，管理不科学，对于工业工程方法的应用没有深入的认识，没有意识到操作标准化、作业专业化等方法的实施所带来的生产效率提高及经济效益增长。
90年代初，国际间激烈的市场竞争让大多数企业迫切想要提高自身核心竞争力，这就要依靠生产效率的提高和管理制度的改善，工业工程的重要性得到认可，并广泛应用开来。
目前，工业工程的发展与更多现代化技术相结合，在我国的不同领域均取得较为显著的成果，诸如制造业、农业、信息技术等，得到快速发展[7]。
工业工程在国内的研究虽更多是在技术和方法上，但我国经济发展迅速，对工业工程的研究也逐步走向成熟。
李先正[8]学者指出，虽然部分大规模企业已经开始综合运用现代工业工程的技术解决问题，但我国大多数企业更适用于经典IE，在进行技术方法的改进及科学管理的开展时，要以经典IE为基础。
在紧紧跟随国际IE发展的同时，结合我国国情，综合考虑国内企业状况，创建"总体规划、分步实施、有限目标、效益驱动"的企业管理模式[9]，推动工业工程在国内的发展，为促进我国企业优质发展、经济更快发展做出贡献。
JW公司作为汽车零部件制造企业，主营业务是汽车发动机的气门设计、生产与销售。
公司规模在气门生产加工行业内处于中游，经过多年的发展，积累了一定量的固定客户群体，并且，随着近些年来汽车和发动机等工程机械行业的繁荣发展，气门的市场需求越来越大，其订单规模迅速扩大。
JW公司延时交货、供不应求的情况时常出现，对公司的信誉产生不利影响，公司利益严重受损。
对于汽车发动机气门这类产品来说，只有快速的满足客户的需求才能牢牢的把握住客户。
因而，为顺应激烈的竞争，占据市场，及时准确地响应客户需求，JW公司迫切需要应用工业工程，以解决现状，优化生产线，提高效率，提升竞争力。
1.1.2研究意义
工业工程方法在企业生产中发挥着举足轻重的作用，流程程序分析、人机作业分析、时间研究、动作研究等工业工程方法[10]在优化企业生产线、改进作业、提高效率等方面应用广泛。
用科学的方法，有效整合、优化人、物、时间等企业内、外部资源，改善企业生产状况，提升其市场综合竞争能力。
通过对JW公司生产效率进行分析与研究，一方面，应用工业工程的方法，切实改进JW公司延迟交货、供不应求的生产现状。
提高生产线的生产能力，增加产品日产量，提高企业生产效率，满足市场对零部件日益增长的需求，推动我国汽车零部件行业的发展。
另一方面，通过JW公司这一案例，以小见大，旨在将工业工程方法推广开来，应用到更多的制造业，为企业带来良好的效益，促进我国经济发展。
1．2研究目标与内容
1.2.1研究目标
通过对JW公司机加工生产车间采取工业工程方法进行分析和研究，找出影响发动机气门生产效率的瓶颈环节，针对关键要素应用工业工程优化的思想，为机加工车间的生产提出合理、可行的解决方案。
从而，改善生产效率，优化生产，满足市场需求，提高JW公司的综合效益及核心竞争力，推动该公司乃至汽车零部件行业的发展。
1.2.2研究内容
本文以工业工程相关理论和方法、技术为基础，结合JW公司的实际情况，对气门机加工车间生产线的生产效率进行分析与改善研究，论文内容主要分为五个章节：
第一部分:
绪论。
阐述研究背景与意义，介绍工业工程在国内外的发展与应用，指出本课题的研究目标，研究内容，研究方法，绘制技术路线图。
第二部分:
理论方法与文献综述。
概述本文所用理论，介绍使用的相关技术与方法，为下文的应用提供理论支持。
介绍工业工程在制造业的应用，总结其在生产系统改善方面的研究，阐述与生产线优化相关的实例。
第三部分：
JW公司气门生产现状及问题分析。
对该公司进行调查研究，收集数据和资料，了解企业概况。
介绍机加工车间气门的生产现状，依据工艺流程，绘制流程程序图。
对气门工艺流程进行秒表时间研究，结合生产线上不同工序的设备数量，计算不同工序气门生产的平均时间，绘制生产线作业元素时间分布图，找出三种不同型号产品的瓶颈工序。
并从人机料法环五个方面对影响生产效率的因素逐一分析，确定生产线生产效率低的各方面原因，为解决瓶颈问题，优化瓶颈工序，改善生产线提供思路。
第四部分:
优化方案设计与评价。
首先，针对瓶颈工序——电镦，应用人机作业分析，绘制人机作业图，得到作业人员和机器设备的工作负荷，通过五四分析法，对现行作业提出改善方案，并对比改善前后的效果，进行总结、评价。
其次，对杆身检验工序的作业方法展开流程程序分析，通过五四分析法，对操作流程进行提问和优化，改善现行作业方法，简化工序作业，改进操作流程，减少时间的浪费。
接着，对人机料法环五方面中，除机器设备、作业方法以外的因素提出改善建议。
最后，对比改善前后的变化，达到提高生产线生产效率的目的。
第五部分：
结论。
总结本文最终的研究成果，并撰写研究的不足之处。
1．3研究方法与技术路线
1.3.1研究方法
本文为提高JW公司气门生产线生产效率，主要采取以下研究方法：
（1）文献综述法
通过查阅、研读工业工程方法应用于优化生产线，提高生产效率方面的书籍和文献，了解该研究领域的学术观点、研究成果和水平，指导本课题的开展。
（2）调查研究法
通过各种渠道，调研JW公司的生产现状，搜集现场数据及资料，掌握气门加工工艺，各工序生产作业现状，机器设备状况。
并对资料进行分析、综合、归纳。
（3）对比分析法。
将本课题针对气门生产线瓶颈工序和瓶颈问题进行的优化，以图表的形式表现改善前后的差异，便于对比，且简洁、清晰的展现论文的改善效果。
1.3.2技术路线
针对JW发动机气门公司生产效率低的问题，对机加工车间气门生产线应用流程程序分析、五四分析、人机作业等工业工程相关方法和工具展开研究。
技术路线如下图1-1：
图1-1技术路线图
2理论方法与文献综述
2．1相关理论
2.1.1生产线优化
生产线优化是指通过改善瓶颈工序、改造机器设备、改进生产线布置、平衡工序间工作量等方式，解决负荷不均，操作复杂，流程冗长等问题，优化生产线作业，提高生产能力，增加企业经济效益。
2.1.2生产效率
生产效率是指在投入量固定的前提下，实际产出与最大产出的比，可以有效反映企业的成本和利润。
生产效率的提高与工业工程理念密不可分，借助科学管理，寻求经济、合理、高效的改善方案，整合企业资源，增加实际产出，提高生产效率。
2．2分析方法
2.2.1流程程序分析
流程程序分析是对公司生产、制造的产品或部件的整个加工制造过程进行观察和记录，进行分析和改进的方法[11]。
流程程序分析辅以程序流程图展现。
基于实际情况，绘制程序流程图，运用五四分析改进工艺流程，针对部分可改善流程展开研究，以提高效率。
其常用符号如下表2-1所示:
表2-1程序流程图常用符号
符号
名称
含义
加工
表示操作，是工艺过程的主要步骤
检查
对物品进行质量、数量的检验
搬运
物料、设备、人员的移动
等待
生产过程中的时间耽搁
储存
成品、半成品的保存
2.2.2五四分析
五四分析法中的“五”是指"5W1H"提问技术，是对制造过程中的每项活动进行提问和回答，寻找存在改善空间的作业单元。
“四”是指"ECRS"四大原则，通过对部分工序的调整，简化操作，对现行作业进行改善。
（1）“5W1H”提问技术
"5W1H"提问技术从目的等方面，对活动或操作围绕六个维度进行提问，分析目前的生产情况，对于较为模糊的问题，展开更深入的提问，连续多次，直到找出问题所在。
根据企业状况及生产情况，对问题进行合理答复，寻找该项活动是否存在可以改进的地方，探讨优化的可能性，找到问题的解决办法。
（2）“ECRS”原则
在"5W1H"提问技术的基础上，确定问题的重点，寻找流程改善的可能点，运用"ECRS"原则，研究改善方案，构思新的流程，寻找新的方法，提高作业效率。
如下表2-2所示：
表2-2“ECRS”原则
原则
目的
举例
E
（Eliminate）
取
消
经过提问，对不必要环节予以取消。
减少工序数量或操作次数。
取消部分工序、操作和动作等。
C
（Combine）
合
并
对于必要环节，寻找合并的可能，降低相似操作之间由于运输等所消耗的时间。
将多个工序合并为一个，相似作业合并为一个操作。
R
（Rearrange）
重
排
调整必要环节的先后顺序，寻求最佳流程。
变更加工、检验的顺序。
S
（Simplify）
简
化
考虑工序以省时、省力的方法、设备来完成，减轻作业负担，降低费用。
改进或升级设备，提高技术水平。
2.2.3人机作业分析
人机作业分析是研究作业人员与机器设备之间工作关系的技术之一，通过现场观察，记录人机作业情况，反映人机关系，以充分调整人和机器的作业，提高相应环节的工作效率[12]。
通常为一名作业人员操作一台或多台机器。
通过升级机器设备或者简化操作等方式，对现有作业情况进行改善，以充分利用机器与工人的空闲时间，平衡人机负荷，提高效率。
人机作业分析通过人机作业图展现。
人机作业图反映一个操作周期内，工人与机器设备各自的作业范围和内容，以及相互之间的配合和联系，通过观察和记录，测定人机作业时间，将机器设备与作业人员的操作顺序及操作时间反映在人机作业图中。
2.2.4秒表时间研究法
秒表时间研究是对选定的操作者进行作业测定，通过观察和记录，对其工作进行时间研究，在企业中应用广泛。
在一段时间内，对被测者进行作业执行的持续观测和研究。
其步骤如下：
（1）收集充分的资料。
（2）作业分解。
（3）确定观测次数。
（4）测时。
（5）剔除异常值。
（6）计算正常时间。
（7）确定宽放时间。
（8）确定标准时间。
2．3文献综述
工业工程方法已成为企业改善生产现状的最重要手段之一。
通过研读文献，概述工业工程在制造业的应用，总结其在生产系统改善方面的三个主要方向，并对与本文主题相契合的生产线优化方向着重介绍，阐述相关研究实例。
2.3.1发展概述
潘平雕[13]强调科技是第一生产力，工业工程在制造业的科学运用，可以为我国制造业带来巨大的经济效益。
工业工程技术通过对作业人员、机器设备、物料信息等进行合理的安排和管理，能够有效改善生产，提高效率，更好的推动制造业的发展。
工业工程在改善生产系统和优化生产线方面，发展较为成熟，广泛用于现场管理，生产线优化，以及结合仿真软件等信息技术展开系统优化[14]。
现场管理方面，通过规划物品摆放、安排设备维护、处理剩余物料等问题，管理作业现场，改善环境，保障生产有序进行。
生产线优化方面，针对产品工艺流程，工序内容，工位顺序等问题，使用工业工程方法分析，找出改善可能点，寻求解决办法，优化生产线，提高效率。
在系统优化方面，根据生产线的实际生产展开仿真建模，运用工业工程技术，改善瓶颈后模拟系统运行，分析仿真数据，选择最佳生产方案。
三个方面均以优化生产为核心，改善瓶颈问题，缩短加工、生产周期，减少等待和搬运，降低作业人员负荷，提高生产效率和单位产品利润，为企业带来经济效益。
2.3.2生产线优化概述
赵慧凯[15]指出，工业工程技术在生产线优化方面主要应用于两个领域。
其一，流水线生产方面。
表现在对产品的生产、加工过程进行分析，运用相关方法优化生产过程，完善瓶颈工序，改进生产线流程。
其二，平衡生产线方面。
通过开展作业测定，对作业内容和操作顺序进行调整，控制生产节拍，优化人员配置，改善生产系统。
两个领域的最终目的都是改进生产结构，提高生产线的生产效率。
（1）流水线生产
贺超[16]通过对WM公司制造现场的调查和研究，运用工业工程的理论与方法，以工作研究为主导，对WM公司的产品进行产能分析、供需分析，对瓶颈工序展开流程程序分析，改善现有生产现状，快速满足客户需求。
蒋诗奎[17]针对Z公司物流工序生产效率低的问题，对物流工序展开流程分析进行改善，将二十个工序步骤精简为十六个步骤，缩短作业时间，同时结合人机作业分析，对放料的冶具进行改善，设计出新的模具，提升作业效率。
刘彬[18]运用5W1H提问技术等方法，对发动机装配生产线进行优化，针对非增值过程和瓶颈问题，开展时间研究，分析人机操作，最终消除瓶颈，减少等待，降低负荷，提高人与设备的配合，提高生产效率。
李海刚[19]在深入了解M公司CB04曲轴生产线现状的数据和资料后，开展人机分析，绘制每个工序的人机作业分析图，分析瓶颈工序存在的问题，通过优化合并工序，达到改善流程、提高效率的目的。
鲁建厦[20]等人运用动作分析、流程程序分析等方法，对公司生产线的生产流程进行研究，找出瓶颈工序，通过流程优化，改善不经济、不合理的操作。
（2）平衡生产线
申家恺[21]以H公司整装生产线为研究对象，通过作业测定方法，对高于生产节拍和低于生产节拍的工序进行ECRS改善，消除瓶颈问题，平均作业时间，提高整装生产流水线的工作效率。
王红[22]对减速器制造业的装配线应用作业测定等方法，改善流程中的不经济作业，平衡生产线作业，优化人员、设备配置，一方面调整作业内容，提高生产线生产能力，另一方面降低作业强度，提高员工积极性，对企业产生积极意义。
韩鑫鑫[23]通过对B企业组装线生产效率的研究，采用作业测定法、生产线平衡法等工业工程技术与工具，对现有产品组装生产线进行改善，优化瓶颈工位，缩短生产周期。
罗洪武[24]通过作业测定和方法研究相结合，研究员工作业时间和操作方式，探究企业内工业工程的应用，强调开展内部管理，找到效率最高的操作方式，科学优化生产系统。
葛安华[25]对电饭煲装配线各工序的作业时间进行研究，找到影响生产平衡的瓶颈工序，运用ECRS原则进行优化、改进，合理安排不同工序的作业人员，科学配置人员，平衡作业内容，简化操作，降低负荷。
3JW公司气门生产现状及问题分析
3．1企业概况
JW公司是国内一家生产发动机气门产品的制造企业，主营业务是汽车发动机气门的设计、生产与销售。
气门属于发动机配气的部件，在做功循环中，负责发动机内外部气体的交换，表现在传入新鲜的空气，排出燃烧的废气。
对于汽车而言，发动机至关重要，如果称其充当着心脏的作用，那么，气门则扮演着心脏瓣膜的角色，气门的质量好坏对于发动机的性能优劣影响重大，关乎着汽车尾气是否可以正常排放。
JW公司拥有数十年的发展历史，公司规模在气门生产加工行业处于中等水平，加工工艺较为成熟，形成了一套特有的加工生产体系。
近年来，科技发展迅速，汽车规模逐渐壮大，整车制造商为追求精益生产，逐步将零部件生产外包给专门的生产商，减少自制量，因此，零部件生产制造商面对巨大的发展机遇。
顺应时代潮流下的JW公司获得了大量的订单，并且拥有一定的固定客户，与国内部分大型汽车制造业建立了长期合作关系，公司的产品在国内市场的占有率处于稳步上升状态，发展前景可观。
图3-1为JW公司生产的发动机气门产品展示图：
图3-1气门产品展示图
3．2生产现状
JW公司生产的发动机气门产品工艺复杂，需要经过热处理、锻造、加工、检验等阶段，不同阶段在专门的加工制造车间进行。
在公司的实际生产过程中，不同型号的产品在加工阶段耗费时间最长，其生产流程最复杂、工序最多、所需的生产时间远远大于其他阶段。
因此，加工阶段的生产效率决定了整个生产线的生产效率。
加工阶段在机加工车间进行，在加工毛坯品之前，公司一般会提前准备毛坯件，为加工阶段的加工和生产提供原材料。
目前，公司的机加工车间共建设有气门生产线二十余条，负责生产公司销售的不同型号的产品。
现行状态下，JW公司机加工车间的气门生产线有如下特点：
（1）生产品种多样：
公司订单增多的同时，客户对于产品的需求也不再局限于单一的型号。
JW公司主要生产进气门、排气门两类产品，A1、A2、A3三种型号，加工工艺相似。
（2）生产过程复杂：
气门需向发动机内部传入新鲜空气，排出燃烧后的废气并对气缸起到密封作用，因此其加工工艺复杂，加工工序较多，且不同型号的产品在不同工序所需时间存在差异。
另外，车间生产线的布置使得不同工序之间存在搬运情况，整体生产较为复杂。
（3）生产计划多变：
JW公司除年订单以及固定客户的部分订单外，每月均会接收新的零散订单进来，因此，月需求的不确定，导致公司没有明确具体的生产计划。
对于气门这类产品来说，只有迅速的满足客户的需求，才能牢牢的把握住客户。
本文重点以JW公司机加工车间的生产线为例进行研究，旨在优化生产线，改善生产现状。
其生产线工序主要包括磨杆→车削→钻孔→磁粉探伤→中空充钠→摩擦对焊→退火→切断→粗磨杆部外圆→粗磨端面→车端面→精磨杆端面→杆端淬回火→X射线探伤→磨锁夹槽→精磨杆部外圆等工艺流程。
如图3-2所示：
图3-2气门加工工艺程序流程图
3．3问题分析
3.3.1问题描述
随着公司订单的增多，公司现行状态下的生产线生产能力不足，无法快速、及时的满足客户的订单需求，经常导致生产混乱，交货不及时，作业人员加班情况严重。
连续的加班、加点，不仅无法保证作业人员正常的休息和健康状况，而且，对于作业人员的积极性有很大的影响，产品质量无法保证，生产效率低。
此外，经常加班、加点使得机器连续运转，无法按照公司规定，定期维护、检查设备和刀具，增加停工机率，现场事故频发。
为解决JW公司供不应求、延时交货的问题，急切需要提高机加工车间气门生产线的生产效率，帮助公司改变现状，提高生产能力，提升市场竞争力。
故，通过对JW发动机气门公司机加工车间的生产线进行调查，采用秒表时间研究方法，收集数据，对气门生产的工艺流程进行分析，旨在找到影响生产效率的瓶颈问题。
3.3.2秒表时间研究
在进行秒表时间研究采集数据时，选择操作水平中等的工人为调研对象，对JW企业三种不同型号产品的工艺流程按工序划分操作单元，进行时间观测，测时采取归零法。
根据公司实际情况，确定方案如下：
共进行为期五天的观测。
其中，每天进行两次观测，每次观测20次，对数据按照三倍标准差法进行处理，剔除不在范围内的数值，并将观测结果取平均值，最终得到，每工序五天共有10个平均数。
为保证研究的准确性，对10个平均数再平均，得出五天最终的平均观测结果，即为该工序实际操作时间。
利用秒表时间研究法，对作业单元进行n次观测，测得的数据为：
X1、X2、X3,···Xn，则其平均值为：
，标准差为：
，按照三倍标准差法剔除异常值，则数据范围为
。
以A1产品为例，将收集到的数据整理如下表3-1：
表3-1A1产品作业时间观测表
工序号
工序名称
A1产品5天观测所得平均数（单位：
秒/s）
平均值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
下料
5.6
5.2
5.4
5.4
5.3
4.3
5.1
5
4.8
5
5.1
2
倒角清洗
4
4.8
4.6
6.3
4.4
5.6
5.9
5
4.9
5.6
5.1
3
电镦
22.88
23.11
23.19
22.78
23.1
22.95
23.16
22.91
22.96
23.2
23
4
压成型
3.6
3.67
3.6
3.58
3.6
3.67
3.71
3.77
3.55
3.85
3.7
5
淬回火
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
4.5
6
抛丸
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
7
分选
4.85
4.76
4.52
4.59
4.95
5.07
4.83
5.1
4.78
4.77
4.8
8
磨杆端面
8.57
8.56
8.56
8.44
8.47
8.56
8.53
8.46
8.38
8.55
8.5
9
磨杆外圆
10.55
10.49
10.66
10.41
10.41
10.42
10.6
10.64
10.5
10.62
10.5
10
车盘外圆、端面
8.56
8.47
8.54
8.28
8.52
8.49
8.39
8.48
8.67
8.46
8.5
11
钻孔
28.2
27.96
28.05
28.05
27.98
28.04
28.03
27.83
27.92
28.18
28
12
磁粉探伤
4.71
4.82
4.88
4.61
4.89
4.9
4.81
4.73
4.84
4.85
4.8
13
充钠
10.11
10.66
9.95
10.53
10.46
10.16
10.83
10.18
10.56
10.52
10.4
14
摩擦对焊
10.42
10.32
10.61
10.57
10.88
10.52
10.61
10.28
10.43
10.06
10.5
15
退火
5.06
5.09
5.19
5.02
5.13
5.01
5.14
5
4.95
5.06
5.1
16
切断
5.28
5.14
5.97
升级会员 