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精益设备维护
一、精益维护
根据丰田公司长期精益的实践表明,应用精益生产与管理必须解决好的一个重要问题是设备及其系统的维护修理问题。
造成大野提出的7种浪费中第二种“等待”浪费的关键原因之一是设备的故障停机、故障查找与修理和停机换模调整。
为了消除这类浪费他们探索与开发了改进传统设备维护的全面生产维护TPM和10分钟换模法等,保证了丰田生产方式TPS的成功运行。
因此,设备维护修理的精益是学习与应用精益生产与管理的重要方面。
在今天的全球竞争环境下,商务的可持续性要求制造公司提供每一种能够保持先进性的理念、技术与管理。
今天的许多美国公司经常追求的是,把精益制造作为为赢得竞争优势的途径与工具。
类似地,许多公司着力于推动精益的维护修理和过程的稳定性与可靠性。
遗憾的是,只有少数公司从系统集成的观点出发,正在寻找与探索把精益制造和设备维护修理完美地结合起来的途径与方法。
2006年10月TimFinigan与JimHumphries对这种综合的途径与方法从世界500强公司和汽车、消费产品、粮食、化工、制药与能源工业实施精益制造的300多种不同维护作业与方法所获得的效果和对累计250多万小时/年的公司的设施运行与维护修理状况进行了深人地分析研究而得出的结果。
发现问题的最佳方法是以精益为中心,同时改进维护修理与可靠性。
简而言之,在受到中间库存WIP、原材料和最终货物存储的挑战时,必须使装备及其过程能够实现可靠性与过程稳定性。
借助于运用维护修理的精益工具,可以实现精益制造和维护修理的集成,以不断增强综合它们的效果,如图1示。
在图1的指导下,可以通过详细寻找该三角形模型的每个边分析问题和不断进行改进。
1.一种仿真的方法
(1)过程稳定性的仿真
许多公司还没有在可预报的不稳定生产过程、生产率或者可利用性的过程中获取实施精益制造或准时制JIT的经验与知识的实践,如这一过程可能是一列火车出了事故,因此,此时应该研究的问题是,出了什么问题?
和为什么会出现这种事故?
图1精益制造与维护修理的组合的资产业绩阶段变化的综合结果
在设备规划中未规定的时间出现高档机器停机时总是意味着,存在高水平的变异与不稳定性,反之亦真。
高的停机变异意味着该过程是不可预测的,或者是不稳定的。
这些问题将引发生产线的流动问题,进而引发造成浪费的工作循环,或者超量的中间库存WIP、长的等待时间和为处理峰值生产能力而要求更多营运费用与资产投资。
反过来,它也是真的。
通过改进过程的稳定性可以使生产任务的计划时间与实际生产流动的时间保持一致,从而实现中间库存量更小、运行时间更少和机器的利用率更高。
(2)挑战性的中间库存
对比改善停机时间的前后可以发现,生产线与生产的工作站与工作中心的物料供应和流通状况将获得较大的改善,如在改进停机时间前生产线的工作中心1的规划能力是20个单位/小时,但因停机的影响其装备的运行效率造成的损失是50±20%/每班,工作中心2的规划能力是15个单位/小时,因停机造成的运行效率损失是35±15%/每班;在能力规划不变的状况下实施停机时间的改进后,工作中心1的装备运行效率损失达到40±10%/每班,而工作中心2的损失达到25±5%/每班,明显地改进了生产线上这两个工作中心的运行效率,其结果是改进后的中间库存量比改进前明显降低、生产线的生产率明显提升。
因此,改进停机时间后可以提升产品生产的速度和降低交货期,因而使公司可以获取更多的顾客订单。
2.进行多种效应的综合集成学
如果能够减少投产的批量、中间存储量和降低从订单到生产的导入时间(lead-time)的话,也将可以赢得更多的顾客和新的订单,使企业获取更大的收益与利润。
同时,综合考虑、规划与改善生产线过程领域的创新,可以明显地降低企业的制造成本。
不幸的是,重视过程的中间存储量WIP的降低、进行良好地装备机器维护、改进过程与装备的可靠性和降低导人时间这个精益制造与管理的理念却很少引起了太多人们的关注。
因此,许多公司无法实现过程浪费消除、生产效率提升和生产成本降低的精益生产与管理,也就无法获得精益制造与管理的带来的好处和利益。
如果把可靠性的改进作为降低WIP的途径与同时探索改进导人时间的综合效应的话,生产过程的精益水平将获得更进一步的提升,整个企业的效益也将进一步获得提升。
这些效益包括:
(l)借助于减少停机时间与过程可变性的变异降低所需的WIP;
(2)利用精益优化库存水平;(3)探索更可靠与生产线和装配线能力不平衡的问题。
三者间关系如图2示。
图2利用优化库存和重构过程探索可靠性问题与不平衡问题
从改进生产线设备维护修理和可靠性的实践中发现了多种效应,使我们有可能将精益技术应用于改进设备系统的维护修理的比率。
像“精益哲理”能够使传统的制造发生革命性的变化那样,精益的哲学也将推动主动的、可预测的维护修理系统的开发、理解和运用。
反过来,精益技术与设备维护修理的相关关系可以帮助人们提炼出精益的方法学及其中的精华,如表1所示。
精益理念与世界级维护修理集成的核心是,推进精益方法学原理的发展,其焦点放在从维护修理功能中忽略浪费和提升过程可靠性的同时,还可以达到:
简化过程/流程、保证质量、提高生产效率、缩短交货期和降低成本与提升企业的收益与利润和实现人对过程的有效管理与控制。
作为一个由人驱动的功能与职能,维护修理过程和相似的制造过程可以通过“精益构建程序(leanbuildingblocks)"而得到改进。
更低层次和更基础的精益构建程序是直接指向推动可靠性、稳定性与物料一致性维护的实施过程。
相似的,在维护工作计划的规划与工作标准化和维护修理活动的资源排序中还有另一类的应用可能性。
因而,许多更高层次精益工具的应用可以具体化为最优化的过程维护功能与职能。
同时,在利用它们时,应该经常考虑:
这些工具是最适用的吗?
它们如何从可能性变成实际应用呢?
表1与维护修理相联系的精益哲学(Finigan等,2006)
方面
传统的制造
精益制造
精益维护修理
财务
成本=利润+价格
价格一成本=利润
产出一成本=利润
质量
探测
预防
预防
生产
推式方式与批量
拉式方式与一件流
拉式使能的方式
护理卜任多
对运行故障做出反应
主动式的全面生产维护TPM
主动式预防维护与TPM
雇员
个体与个人的工作
小组与单元的工作
交叉功能小组上作
可简化性
复杂,难以简化
连续改进Kaizen
增加拉式阶段性的变化
二、可维护性设计
保证产品或系统使用可维护性(Maintainability)的设计,是一个很重要的创新设计方面。
像可靠性设计一样,可维护性设计要考虑产品与系统功能与性能维护的方便性、可靠性、精度、安全性和经济性。
产品与系统的可维护性是可以定义、可测度和可控的,必须同产品与系统的其它设计要素并行考虑与实施。
从本质上讲,可维护性设计是对系统与产品维护能力与参数的设计。
1.可维护性的涵义
可维护性是产品与系统的一个固有设计特征的子集。
可维护性的涵义是,可以根据经常维修的要素、维护与修理的时间和成本达到的设计特征的子集。
2002年最新的APICS把它及其相关的概念定义为:
可维护性指的是,一类提供修理和高效能力的设备及其安装的特征。
可维护性也可定义为下列要素的组合:
-按照预先准备的资源与实施程序实现维护时,在给定的时间间隔内,它是一个以应该维护或修理的概率表达的产品与系统的特性。
-按照预先给定的实施程序运行产品或系统时,产品或系统的特征被表达为在给定时间周期内没有超过规定维护次数的概率。
-按照预先给定的实施程序运行产品或系统时,被它们的设计与配置特征表达为在每个设计规定的时间间隔内,产品或系统维护成本不超过规定费用的概率。
预防维护(Preventivemainteinance)指为预防停机事故而进行的活动,包括调整、替换与基本的清洁活动,其目的在于维护与保证生产质量和满足订单要求的排序顺序。
此外,它还要求更细致地对待设备与系统的维护使其有更长的继续(工作)时间和更少的问题发生。
图3产品与系统寿命期的可维护性要求
2、寿命期中的可维护性
在产品与系统的寿命期内可维护性的要求如图3示。
从图可知,在概念设计阶段要求设计者定义的概念,并确定产品或系统维护的要素组元。
在产品或系统的具体设计阶段和详细设计阶段要求完成可维护性的预测,在设计评审时要求完成与可维护性相关文件的编写和审定,并规定产品或系统寿命期中相关的可维护性功能与要求。
在可维护性的规划中要求完成可维护性规定功能的辨识、排序、试验的组织与实施有保证产品或系统设计与开发、生产和使用各个阶段的可维护性。
3、产品或系统设计中的可维护性设计
产品与系统可维护性设计是从概念设计阶段就开始的,如图5-5中的1模块.所示。
利用可维护性分析把概念设计中确定的可维护性概念的要求分配到产品或系统的各个组成部分或组元。
具体设计与详细设计阶段的任务是保证这些要求的实现,见图5-2中的2与3模块。
在原型开发时应该按照可维护性文件对产品或系统的可维护性进行评价,其评价结果将反映到产品生产或系统实施阶段所达到的实际可维护性。
(l)可维护性设计的要求
开发一种产品或一个系统最根本的目的是响应顾客的需求,或者需求的变化,并实现TCS。
它体现在产品与系统的功能要求(含可维护性的要求)、顾客的价值和用户所满意度上。
其中所包含的信息有以下四方面:
定义产品或系统性能要素,拟制任务梗概与使用条件、系统运行的要求等;定义产品或系统寿命期的相关信息,如产品的库存要求与使用的预计寿命期等;定义运行的后勤支撑,确定预期维护水平、修理职责、各级维护功能与保障要求等;定义产品或系统运行与维修期望的环境温度、湿度、振动频率与振幅的要求,以及产品存储、运输与装卸等要求。
一旦给定上述信息与数据,确定设计应该考虑与保证的可维护性。
但在任何情况下都必须保证系统维护功能的实施。
(2)可维护性的分析
所谓可维护性分析指的是一个分解、综合、优化与确定可维护性要求的反覆迭代过程,也是对产品或系统进行系统分析的重要组成部分。
这一分析包括以下6步:
第一步定义问题。
它包括:
澄清与说明目标、定义相关项目与约束和问题的范围。
第二步辨识可行方案。
对多个可行方案进行经济性与综合性能的分析、比较、估计。
第三步选择评价准则。
评价准则的选择取决于所研究问题的状况与分析的等级和问题的复杂程度,系统级的评价准则参数主要包括:
性能、成本效益运作效率与后勤的效率。
第四步建模。
按问题本质、输出、输人与参数间的关系,评价和建立运行模型。
第五步生成输人数据。
确定输入数据,即时搜集相关信息与数据和规范数据结构。
第六步利用模型进行分析或仿真。
进行灵敏度分析,根据分析的结果设计活动。
(3)可维护性的预测
它包括对可维护性的估计、对不同设计阶段过程特性的预测和把预测的结果与可维护性设计规定的要求比对等活动,其目的是评价设计结果的分散范围。
从广义角度看,可维护性的预测包括对进行维修的时间周期、次数与成本的预先估计,以指导维护与修理的评价和对设计的改进,它可以由设计师或分析师完成。
(4)可维护性的审查
可维护性的审查是产品或系统设计过程固有的项目,它是根据可维护性设计的要求对系统及其组元的特性评价。
通过可维护性审查才能够转入下一阶段的设计过程。
对不能满足预订要求、未通过审查的设计方案应该进行修正,以保证完全满足可维护性设计的要求。
三、全面生产维护
全面生产维护(TPM,totalproductionmain-tanance)最早是由丰田公司的中岛津一在1988年提出、1989年开始实施的一种新型生产维护体系和生产设备维护与修理技术及其管理方法。
其基本特征是,在全员参与的基础上实施“小组自主+生产维护PM",它已经成为一项取得知识产权的技术。
TPM成功实施的核心是:
革新生产维护的理念,改进自主与管理,开展有组织的自主TPM活动;消除或者减少一切影响设备效率的“停机与影响性能与功能”损失,实现减少停机时间、提高产品质量、降低成本和缩短交货期;通过不断的改进,提高设备的综合效率OEE;实现TCS的工作目标,达到企业的总目的TSS。
2002年APICS将TPM定义为,一种预维护与提升柔性、减少物料搬运与装卸和促进连续流的不断适应、修正和“精化”设备结果的总和。
它的实施团队由面向操作者的设备维护,利用包括所有维护活动在内的全部合格的员工组成。
它是对传统设备维护与修理技术、方法和管理的革新和创造。
它包括以下3个方面的内涵:
-生产设备的维护与修理需要所有员工全面参与,设备维护小组包括了维修人员、生产线主管、制造工程师、质量专家和设备的操作者。
-必须通过消除6种浪费来保证达到高的生产率。
这6种浪费是:
设备故障、生产线的调整、停机等待、减慢机器设备的运行速度、废次品与返工。
-这种维修技术与方法强调的是全寿命的维护和修理设备。
它要求操作者定期维护设备、同时实施不断地改进,如操作者应该定期清洗与更换过滤器、加足润滑剂和定期检查设备的运行与维护状况等。
日美企业的应用实践证明,推广运用TPM可以获得以下好处与利益:
提高生产率、产出量、产品质量、设备运行的可靠性与安全性;缩短生产的运行时间周期,降低产品成本、库存和投资;坚持数年,可大见成效。
1.全面生产维护的概念
TPM是以建立对设备全寿命期进行维护修理的系统、全员参与、建立小组自主维护和以所涉及的相关部门为基础支撑起来的设备综合效率最高的维修模式。
在这种维修模式中经常涉及以下的基本概念:
(l)设备的使用。
它包括使用的方针与措施两部分。
使用方针的内涵包括:
科学而合理地使用设备;防止生产线上的设备闲置,以提高设备的利用率;进行科学地维护保养,延长设备的寿命期,以达到保证生产过程运行的可靠性与稳定性、提升产品的质量及其一致性、缩短运行时间周期和达到最大的设备综合效率。
保证正确使用设备的措施包括:
事先进行科学地预测和规划;进行可维护性的设计,在产品与过程设计时考虑设备的合理使用和维护修理;将设备的操作与管理和维护集成统一起来;充分发挥员工的作用,实现全员参与,并利用人工智能的现场全过程检测与预报技术;进行全系统与前寿命的管理抑制设备故障率的增高和延缓设备的寿命期;利用计算、监控与网络技术、新型控制系统和新的管理思想与方法,不断改进设备的维护与修理。
(2)掌握设备的磨损规律。
(3)掌握设备故障率变化的规律,如图4示。
图中的初期故障期又称设备的“跑合期”,它是由于设备的设计、制造、装配调整和初期的操作运行等因素引起的早期磨损造成的。
图中间的故障偶发期的故障主要是不当的操作与维护、变异等因素引起的。
此时的关键是正确地管理。
它也是TPM主要运用的时期。
磨损故障期是由于维护不当、维护不到位或者不进行维护而造成的设备提前老化和故障频发期。
TPM的工作目标之一是,避免不当故障阶段的提前到来。
如果它提前到来就只能提前进行大修、中小修或者只能停机、退役报废。
2.全面生产维护的基本特征
图4设备故障率的变化规律
实践证明,进行TPM维修的基本特征:
是全效益的,以经济效率和利润为目标,主要指以经济而有效的方式利用人力、物力、时间与财务资源;是全系统的,要求实现全系统的设备管理和生产管理;是全员参与的,利用激励机制建立全员参与设备维护和共同对设备的综合效率负责的、以交叉功能小组开展自主管理与活动的;是全寿命的,考虑全寿命、全系统与全面经济性的设备维修规划与计划、维修实施和维修管理。
3.TPM与生产维护和预防维护的关系
操作人员的自主维护是TPM与生产维修和预防维修根本性的区别之处。
设备维修的实践证明使TPM成功的关键是具体落实和实施维修功能,而不是只进行纯理论的讨论。
4.实现TPM能够获得的好处
实现TPM可以为企业带来:
提高产品质量、压缩生产运行时间周期和不断减少浪费与提升系统运行水平,可以有效地支持精益生产的工作标准化与均衡化、压缩设备故障率、提升生产系统运行稳定性与可靠性、降低生产成本和实现快速交货,建立更容易、更高质量、更低成本和更快的精益目标。
一个成功示例是摩托罗拉公司在90年代提出的质量与运行时间目标,它们是:
每两年压缩产品质量缺陷数10倍,每五年压缩运行时间周期10倍。
5.实现设备零故障的主要措施
在TPM技术中提出了以下实现零故障的措施:
维持设备正常运行的必要条件,如定期维护保养、操作标准化、保证设备正常运行条件(如精密机床运行要求的恒温与恒濕环境);制定和严格遵守设备操作规程;进行预防维护与修理、及时进行设备故障的维修,消除或者控制设备劣化;进行可制造与装配的产品设计尽早消除产品中的设计缺陷;进行可维护性设计;进行人机界面的设计和流程的标准化;通过培训和考核提高操作与维修的技能与知识水平;消除不创造更快价值的冗余操作与工序作业;创新与连续改进的理念、理论与方法。
6.如何延长设备的寿命期
延长设备的寿命期可以节约设备运行与维修费用,节省投资和保证产品的质量及其一致性。
一般而言,延长设备固有的寿命期可以采用以下的措施:
(l)消除或控制设备的劣化;
(2)排除强制性的劣化,将其转变成自然的劣化过程,以延长设备寿命期;(3)改进设备原来设计结构与操作中的弱点,延长自然劣化过程。
7.减少产品潜在(慢性)缺陷的方法
减少产品慢性缺陷的方法通常有以下4种方法:
(l)使变化的因素固定化,并找出其产生的因素,采取改进的措施加以改进;
(2)对产生废次品和生产出合格品的条件进行比较分析,提出避免废次品出现的措施;(3)重新审查产生产品质量问题的因素,并加以确认,以便决策和改进;(4)进行主要零件与其质量特性的调查。
为此应该做:
测定主要零部件、工夹具与模具精度间关系,掌握零部件形状对产品质量的影响;调查设备的主要零部件、模具或者工夹具的精度与形状的相关性和对Cp与Cpk的影响;研究如何保证设备及其主要零部件、模具和工具的最佳工作状态,并保持最佳状态。
案例:
90年代摩托罗拉公司提供的PQCDSM指标体系为:
(1)P的改进指标:
提升劳动生产率140%,增加附加价值147%,提高设备的时间开动率17%,减少设备故障率98%,相对于从1000次/月改进为小于20次/月。
(2)Q的改进指标:
降低废次品70%,减少更快抱怨率50%。
(3)C的改进指标:
降低人力成本30%,降低维修成本15%,减少能耗30%。
(4)D的改进指标:
减少库存50%,增加库存周转期200%保证每月周转6次。
(5)S的改进指标:
实现零故障,实现零污染排放。
(6)M的改进指标:
是平均每个人的提案数从36.8件增加到每人平均83.6件,即提升230%;增加小组研讨会次数200%,相对于每月召开4次小组研讨会。
8.如何实现TPM
(l)提高单台设备的效率
为此,首先在公司内部选出示范的设备,成立由生产技术人员、设备维修人员与操作者组成的交叉功能的TPM小组试行,以范例带动全局。
其次,调查6大损失的现况、选取开展TPM活动的突破口、制定改进计划和实施改进与效果测评。
通常:
-示范设备应该选择生产线的瓶颈设备;
-TPM小组成员应该包括管理人员、工艺技术人员、维修人员和操作者;
-采集与搜集该设备的故障损失、换模或者换工具及其调整的损失、设备空运转与暂停损失、减速损失和减产损失的数据与资料;
-实施选取突破口:
选取问题多的;选取有可能改进的;选取在3个月内可以完成改进的。
实施可利用的分析方法与工具是PM法、OEE测量与评价、柏拉图与因果图等;
-所制定的改善计划应该是可以实现自主维护和预防维护的可行计划;
-实施应该是有组织与按计划进行的,实施中与实施后应该进行效果的监视、测量与效果判定,并发现问题和提出进一步改善的措施。
(2)扩展操作人员的职责范围
为有效地实施TPM必须执行以人为中心的管理,因此它就要求扩大各类作业人员的职责。
这种扩大包括:
由操作者完成清扫工作地与清洁设备的职责,授权操作者合理地组织与安排工具,在经过培训合格后授权由操作者维护保养自己操作的设备,授权操作者合理安排工作地,建立考核与奖惩办法,并严格执行精益管理的逐级汇报制度。
(3)实施自主维护的7步法是:
-初期清扫,
-寻找设备的问题与根源,
-制定清扫环境与清洁设备和润滑保养设备的标准,
-对设备进行彻底地检查与测量,
-授权自主检查,
-按5S管理的要求进行整顿和整理,
-完全实现自主维护与保养。
(4)计划维护
所谓计划维护保养指的是,进行必要的修理或者停工修理。
它由预防维护和预知修理来确定的,其目的是将设备的停机时间降低到最低的程度。
实施计划维护的关键是:
-通过有效地润滑与保养、预防维修检查计划和停工大修的安排,延长设备的寿命;
-将设备的突发停机及其影响程度降低到最少;
-保存维修与维护保养的纪录和设备性能的测量数据和设备维护保养和修理的档案;
-将设备的维护费用控制在合理的范围内。
预知维修是在对设备故障预测的基础上,抢在故障发生前进行修理或者更换零部件的减少与管理方法。
对于大型精密设备经常要依靠维修网络提供预测和维修指导。
(5)提升设备操作与维护技术的培训水平
各国的实践证明,实现全盘自动化生产是不经济和不必要的,局部的无人化是可能的。
TPM不主张全盘自动化的维护与修理,其基本活动是全员参与、自主维护、预防维修、计划维修、系统化而有重点的维修。
因此,必须培训设备管理人员、技术人员、维修人员与操作者学习与运用新的知识与技术。
这种培训应该不断按需要提升水平,不能中止。
培训操作者的4级水平是:
1级,能够正确地清扫与清洁设备和正确操作设备;2级,能够正确地检查和润滑保养设备;3级,能够判断设备运行的正常与异常状况;4级,能够正确地实施定期检查和改进。
维修人员的4级水平是:
1级,了解设备的基本功能与结构;2级,了解是的基本工作原理与正常工作的要点,并能够分析故障出现的原因;3级,具有维修设备要求的材料、零部件的基本知识,掌握PM分析方法,能够找出问题和改进不安全的部位;4级,能够进行设备故障的改进和能够进行改善设备各个机构的设计。
维修工程师的4个水平级是:
1级,能够理解设备的结构,能够进行设计和绘图;2级,掌握技术要点、材料、驱动、控制将设备运行的知识;3级,能够评价设备状况、技术状况与设计方案,能够进行故障模式与影响分析FMEA,能够掌握维修计划管理的人员、进度和日程;4级,可以引进,开发和管理设备及其相关的技术。
(6)改进设备的设计,使之易于维护为了使设备便于使用和维修应该采用可制造与装配的设计DPMA、可维护性设计和人因学设计技术与方法进行设备的全面设计,以保证:
消除原有设备设计、制造与使用的缺陷,提升设备使用、维护与修理的成本,延长设备的寿命期;在新设计设备设计时,能够利用可制造性与可装配性的历史经验与数据,并能够利用设备维修与改善和工效学的反馈信息,消除设备的故障与潜在缺陷,延长其使用的寿命期。
(7)新设备购置与设计的管理方法
在管理新购置或者利用新设计的设备中应该把握好以下三方面:
-购置新设备前必须从维修工程师、维修人员、生产技术人员和操作者处取得相关的确切数据与资料;
-所购置或新设计的设备应该避免老设备存在的问题,反映改进技术与性能数据;
-经过验证,确保希望的性能与生产效率和维护效率要求。
9.实施TPM效果的评估
(l)生产活动中的输入与输出关系提
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