在动力总成试验室设备管理上的探索和实践

2020-11-06崔红根殷海庭苏赵魏建斌王忠营

柴油机设计与制造 2020年3期

崔红根，殷海庭，苏赵，魏建斌，王忠营

（上海汽车集团股份有限公司技术中心／上海市汽车动力总成重点实验室，上海201804）

0 引言

随着国内乘用车自主研发的能力逐渐提高，动力总成自主研发能力也在不断提高，各大自主品牌乘用车企业对动力总成试验能力的需求大幅提升；同时，由于市场竞争激烈，各OEM为了抢占市场先机，不断压缩开发周期，两者均增加了对动力总成现有试验能力的效率提出压力和挑战。如何对现有设备进行科学管理、如何降低总设备保全时间占比、如何提高设备完好率，从而满足日益增长的动力总成开发认证试验需求，成为一个值得探索和实践的课题。

本文根据作者多年设备规划及保障经验，针对动力总成试验室设备，从如何管理从而降低总设备保全时间占比和提高设备完好率方面进行阐述，以便与业界同仁探讨。

1 管理现状分析

动力总成试验设备根据工作类别可以划分为台架试验设备、系统试验设备和零部件试验设备。台架试验设备一般包含发动机、变速箱及动力总成的功能和耐久试验的设备；系统试验设备包括针对总成的诸如进排气系统、冷却循环系统、润滑系统、配气机构、轮系、电控单元等性能开发和可靠性验证的试验台；零部件试验设备为针对总成的泵类、阀类、轴类、电机类等通用零部件进行开发验证的试验台。

前几年国内动力总成自主开发的工作重点还停留在整机开发，台架试验设备的理论利用率相对而言还比较高。但以上海地区行业水平为例，普遍水平也难以超过30%，相应的设备完好率也基本处在90%左右的水平，远低于国际上同行设备完好率的行业水平95%。系统试验设备和零部件试验设备的设备完好率则参差不齐，有高有低，主要与动力总成研发单位的开发方向密切相关。

生产维修理论起源于上世纪50年代的美国，由于大量自动化的生产线投入使用，一旦设备发生故障，将造成巨额停产损失，使得美国企业界不得不考虑实行生产维修，生产维修理论由此得以兴起。在生产维修理论中，设备维修除了坚持日常保养外，按照生命周期前后关系，还包含4种主要维修方式：维修预防、预防维修、改善维修和事后维修。

本文讨论的是，通过结合生产维修理论和校准与检验实验室认可准则，探索和研究符合国内动力总成试验室现状的设备管理方法，并在大中型动力总成试验室规模下进行实践，进而观察试验室设备故障率的改善情况，从而开拓动力总成试验室设备管理改善的方向和思路。

2 TPM和CNAS定义和历史

TPM （total productive maintenance）设备管理专业翻译为 “全员生产性维护”，解释为由全员参与的生产保全。20世纪50年代以前，在美国，工业现代化生产通过几十年的发展，已逐步取代了落后的手工生产，但自动化生产还不十分普遍，生产设备的保障普遍还处于一个事后维护的状态。自从福特汽车推出了流水线生产之后，生产企业对生产效率提升有了更高的要求，其中就有专门针对设备管理优化的理论——预防维护（preventive mainte⁃nance，PM）诞生。随着对设备管理的研究和实践，到60年代，设备管理理论已发展至新的阶段和高度——生产维护。生产维护是指为围绕生产而对设备进行保障，在更合适的时间进行设备保障工作，将其对生产的影响最小化。进入70年代，美国在设备管理理论的创新和实践上受益，引起了日本企业的注意，被其引进并发扬光大，结合美国后勤工程学和英国综合工程学的理论，逐渐形成了新的TPM 活动理论［1］。

TPM活动理论通过研究和不断实践演化，逐渐形成以设备为主题的十二大经营战略，即四大基础和八大支柱。四大基础为彻底的5S活动、重叠式小组活动、可视化管理、提案改善活动，八大支柱为自主保全、个别改善、产品与设备初期管理、计划保全、教育训练、质量保全、安全环境和事物效率。

CNAS是中国合格评定国家认可委员会英文全称China National Assessment System的缩写。CNAS是根据《中华人民共和国认证认可条例》规定，由国家认证认可监督管理委员会批准设立并授权的国家认可机构，统一负责对认证机构、实验室、检查机构等相关机构的认可工作。

CNAS是由原中国认证机构国家认可委员会和原中国实验室国家认可委员会合并而成的。CNAS通过评价和监督合格评定机构的管理和活动，确认其是否有能力开展相应的合格评定活动，并确认其合格评定活动的权威性，发挥认可约束作用。CNAS⁃CL01是CNAS对实验室的检测和校准能力进行认可的准则，等同采用 GB／T27025和 ISO／IEC17025规范标准。其中与设备相关的管理要求和技术要求，对动力总成研发试验室的设备管理有很大的借鉴意义。

3 动力总成试验设备管理的难点

通过对上海市汽车动力总成重点实验室的动力总成试验室设备进行分析发现，现有动力总成试验室设备具备以下基本特征：（1）设备种类多，包含了机械、液压、电气、控制系统等；（2）设备落差大，既有高精尖的进口设备，也有自主设计的国产非标设备；（3）零件一致性较差，很多都是多品牌多型号存在，导致设备故障之后恢复时间长；（4）供应商备件体系不完善，不同于生产型设备供应商；（5）随着自主开发项目的增多，对设备的完好率要求越来越高，向生产型设备靠拢；（6）管理者意识比较传统，一方面需要更高的完好率，一方面没有应急维修绿色通道；（7）试验室操作人员素质参差不齐，高精尖设备科学运行不受控；（8）维修保障团队技能难以满足，大部分人员为非设备专业转岗人士；（9）此设备管理领域缺乏专业化法律法规指导意见；（10）设备的最终功能九成以上均用于获取开发用测试数据。

由以上基本特征梳理可见，在目标定位方面，现有动力总成试验室设备既被要求具有工厂生产设备那样可靠和高效，又被要求有研究型试验室设备那样具备输出高质量数据的能力；但在维护支持方面，既不具备工厂TPM活动的理论基础和全员意识，也不具备研究型试验室的响应宽容机制。

众所周知，TPM能优化生产设备管理，进而提高生产效率。动力总成试验室设备从数据生产的角度讲，也是一种生产设备，大方向上可借鉴TPM，但同时应有其自身的特性。比如，生产设备质量控制更加关注工艺符合性，而动力总成试验室设备更加重视数据的可溯源性。因此，在应用TPM进行设备管理时应进行创新探索，并大胆利用GB／T27025⁃2008《检测和校准实验室能力的通用要求》或 ISO／IEC 17025： 2005 《General Requirements for the Competence of Testing and Calibration Laborato⁃ries》在计量设备管理方面的优势。

为此，重新定义了设备管理十二大经营战略，并建立了动力总成开发型试验室设备管理高质量保全（high quality maintenance，HQM）方法，包括维修预防、自主保全、专业保全、预防维修、教育训练、计量管理、安全管理和效率管理八大支柱，以及设备管理5S活动、可视化活动、合理化建议活动和循环改进活动四大基础活动，并对每项内容重新定义。

4 实践应用

为解决前面所述共性难点，根据重新定义的十二大经营战略，结合动力总成试验室的工作环境、人员结构、工作方式等实际情况进行3年实践和应用。

4.1 维修预防

维修预防在专业保全、预防维修、紧急维修等多种设备管理手段的经验积累的基础上，核心是以往设备运行过程中的故障总结，形成动力总成试验室特色的设备设计准则。重复性故障需考虑更新设计及制造工艺。由于功能要求和运动特性无法避免而需简化维修工作的，设计上充分考虑设备易修和备件易购。通过把潜在问题菜单化，如自诊断系统，自带的故障字典等，提高设备的可诊断性。设备需具有可维修性，如增加透明可视部分，减少拆卸组装难度，易损部分甚至采用 “弃件法”维修，以减少设备停机损失。导入无维修设计思想，即让设备各主要零部件的损耗周期同步，零件报废周期趋于设备的寿命周期。

4.2 自主保全

对日常保全工作进行详细规定，并指定现场操作人员作为实施方的责任人。动力总成试验室操作人员一般属于技师编制。针对其主观能动性特点，在日常保全规定上制定了目视化点检卡、日常点检表和日常保养表。目视化点检卡用于清晰指导操作人员准确操作，日常点检表和日常保养表用于记录操作内容，表单每月1份。日常点检表详细规定了点检内容和点检标准，日常保养表详细规定了保养内容、保养方法和执行时间。点检内容主要描述点检对象的状态，包含点检对象、点检位置、点检动作等。点检标准主要为确定点检动作的衡量标准，比如，点检有无报警、有无泄漏、有无超过限值等状态的判定描述；对某些需要量化、或后续具备趋势分析的被点检对象，给出数值量化表格。执行时间主要确定点检周期。组织专业培训机构对全体操作人员进行TPM基础培训，培养自主保全意识；安排设备工程师与操作人员开展点检表和日常保养表工作内容的确认和现场培训，并根据实践效果多次更新，确保运行人员理解和方便作业。自主保全实践案例的点检卡布局、日常点检卡目视化、自主点检表框架示范和自主保养表框架示范如图1～4所示，点检卡部分内容举例见表1。

表1 点检卡部分内容举例示意

4.3 专业保全

针对设备的专业保障工作制定了专业点检和专业保养的表单，并规定设备专业保障人员作为作业的责任人。专业点检表和专业保养表具有指导作业、跟踪作业、保存记录的作用，并遵循专业保全基本原则（“八定”），即定人、定点、定量、定周期、定标准、定计划、定记录和定流程循环运作；同时，考虑了目视化和标准化要求。专业保全要求更全面、更深入，而且起到为自主保全查漏补缺的作用。专业保全实践案例如图5所示。

专业点检重点关注以下部位和项目：（1）部位如，设备的滑动、回转、传动部分，与原材料接触、受能源介质腐蚀部分，负荷承载部分，电气绝缘部分等；（2）项目如，回转部分的轴承、传动部分的齿轮或齿条的解体检查等。

同时，重点关注以下检查要素：（1）机械点检十大要素——压力、流量、温度、泄露、异声、振动、给油状况、磨损或腐蚀、变形或松弛和裂纹或折损；（2）电气点检十大要素——温度、湿度、绝缘、灰尘、异声、异味、连接松动、氧化、电压和电流。

4.4 预防维修

通过以往经验和理论分析，预测设备未来失效部件或位置，并采取针对性的维修方案和行动。预防维修工作一是基于对自主保全和专业保全的记录和分析，通过保全工作，预测设备劣化的趋势和规律，为设备进入功能丧失或性能劣化状态进行提前干预维修，二是基于应急维修工作的统计分析，确认设备薄弱部位，以此进行设备薄弱部位的再设计和再改造。

按照设备的浴盆曲线，设备在劣化故障期，存在着老化、磨损、硬化、变形、开裂、腐蚀、疲劳等各种失效状况，继续运行将造成较严重的故障后果。预防维修所牵涉的技术包括更换零件、替换功能件、更换连接方式（如焊接、更换连接材料等）、更换表面工艺（如表面喷涂、电刷镀、镶套、热处理改性等），更新安装工艺（如对中、平衡调整、精度恢复、调整参数等），以设备性能恢复性修复为主，允许小的设备改造或者再制造，可以不拘泥于原有设备的设计和结构。

通过总结经验，归纳各种类型设备的生命周期浴盆曲线，如温控类设备浴盆曲线实例和主控类设备浴盆曲线实例，见图6～7。针对劣化故障期内情况，制定预防维修方案，以降低设备故障率，从而延长设备有效寿命。

4.5 教育训练

所有工作的正确和高效开展，均必须依据教育训练［2］。教育训练定位3个技能目标方向：管理力、改善力和专业力，见图8；相应的技能等级评价为4级，分别为：不知道、知道一些、会做但不会教和会做也会教。

教育训练的总体方向是以各体系学习及实践为驱动，提高管理力和改善力，再由管理力和改善力的提升驱动专业力的提升。本文所述高质量保全（HQM）方法是根据现场情况，提炼TPM、RCM（以可靠性为中心的维护， reliability⁃centered⁃main⁃tenance）、 OHSAS18000 《Occupational Health and Safety Assessment Series（职业健康安全管理体系）》和CNAS体系中原则和方法，来编制和不断改善设备规划、设备保障、资产管理、计量管理和安全管理五大板块的制度和流程的。然后根据这些制度和流程，继续编制并不断完善点检表、保养表一类的工作模板，以及编制和不断完善所有设备规划、操作、维保工作指导书及计量类设备校准和期间核查工作指导书。

技能提升通过以下几大步骤来实施：（1）进行现状调查并进行技能能级评估；（2）制订教育训练目标和方案；（3）制订以3～5年为一轮的教育训练体系；（4）组织理论和实践的训练实施；（5）按计划跟踪并进行年度评估；（6）本轮总结和下一轮规划。

4.6 安全管理

安全管理是设备正常管理工作的前提，在动力总成试验室的安全管理中考虑以下板块：（1）安全体系运行；（2）本质安全；（3）系统安全；（4）现场安全，如图9所示。

安全体系运行方面，参考OHSAS18000体系执行过程中的参照体系要求，制订年度区域体系运行计划，通过体系运行进行跟踪管控和不断完善。本质安全方面，通过对设备安全事故的总结梳理，整理设备本质安全设计标准，包含危险模式和安全化设计要素；并在新设备规划建设过程中，对采购前、安装前和验收前3阶段进行安全风险评估。

危险模式主要包括：（1）挤压；（2）卷入；（3）切（断）伤；（4）被钩住；（5）撞击；（6）坠落；（7）滚落；（8）跌倒；（9）破裂爆裂；（10）烧伤烫伤；（11）触电；（12）有害物爆炸；（13）声音刺耳；（14）负荷超载；（15）火灾；（16）错误动作；（17）错误操作。

安全设计要素主要包括：（1）间隔；（2）栅栏、围栏；（3）盖子、防护罩；（4）站立场所、扶手；（5）提示、警报；（6）强度确认；（7）停止、上锁；（8）过压防止；（9）隔热、隔温；（10）局部照明；（11）局部排气；（12）电源、气体断绝；（13）静电排除；（14）隔音隔温；（15）连锁装置控制；（16）紧急停止。

动力总成试验室设备较为常见的本质安全主要是触电、火灾、错误动作等，所以诸如电源和气体断绝、静电及接地、限值报警及互锁、紧急停机等都是常见本质安全设计要素。系统安全方面，动力总成试验室包含发动机测试环境，具有高速运转及汽、柴油存量，其建筑防火等级至少是丙级，为消防系统配备了自动预警和灭火功能。同时，在设备操作、维保、计量等作业指导文件中，均体现和枚举了安全风险识别及应对措施。而且，现场安全风险源均纳入自主保全和专业保全的点检范围，使风险源处于日常监测和有效控制之内。此外，新型作业及预防维修作业均在实施前制订了作业方案，并在作业方案中进行了安全风险识别和应急措施制定。

4.7 计量管理

动力总成试验室的设备不仅要具备测试能力，而且要考虑其计量的可追溯，这是动力总成试验室设备有别于工厂生产设备的重点要求之一。针对此特征，采用基于CNAS体系管理要求的措施来保证测试数据的质量［3］。由此，建立了以下程序控制体系：（1）监视和测量设备的管理程序；（2）量值溯源程序；（3）期间核查控制程序；（4）工作标准器具和标准物质管理程序；（5）监视和测量设备的验收管理程序；（6）监视和测量设备的分类管理程序；（7）监视和测量设备检定和校准周期确认管理程序；（8）监视和测量设备的使用、维护、贮存、搬运、封存、启封、维修、降级、报废、遗失、撤销等管理程序；（9）监视和测量设备的计量标识管理程序；（9）监视和测量设备的技术记录管理程序；（10）测量不确定度评定程序；（11）动力总成外包台架试验服务供应商管理程序；（12）动力总成计量能力管理清单程序。

考虑到不同于检测与校准试验室的要求，动力总成试验室主要开展年度校准、期间核查、试验室比对等工作，既保证了数据质量，又能高效和低成本。动力总成试验室用于发动机和变速箱试验开发，动力总成的动力性、燃油经济性、排放是三大主要测试开发指标。针对这3块的测试指标，严格实行测量链溯源和不确定度评定。其它监控参数，鉴于数量较大，且对开发指标开发只起辅助作用，故只做测量链溯源，并利用校准和期间核查对其进行管理。

4.8 效率管理

针对动力总成试验室运行效率，采用设备完好率这个指标，进行设备状态因素对试验室整体效率影响的评估和管理。设备故障率为紧急维修时间除以设备运行排班时间。设备完好率表征的是，在设备运行排班时间内，设备完好状态（非设备故障状态）的时间占比。从试验室运行效率来看，很显然，设备完好率越高越好，是提高试验室运行效率的关键因素之一。设备完好率直接取决于预防保全的实际开展水平、维修人员技能水平、备件库存管理水平等。动力总成试验室运行效率提升路径如图10所示。

4.9 四大基础活动

通过设备管理5S活动、可视化管理活动、合理化建议活动和循环改进活动四大基础活动，来强化八大支柱战略的推进和优化。设备管理5S活动和可视化管理活动是提高效率的手段，循环改进活动和合理化建议活动是巩固优势、发现弱势、不断改善和提高的手段。设备管理5S活动包含了设备定置定位、设备清洁、及时报废等设备工作。可视化管理活动在自主保全、专业保全、作业指导书、安全计量培训等方面进行推广。合理化建议活动可持续改善设备管理水平，是维修预防和预防维修的长期实践形式。循环改进活动，例如PDCA循环是将质量管理分为4个阶段进行循环运作，即计划（plan）、实施（do）、检查（check）、处理（ac⁃tion）。以效率管理、安全管理和计量管理作为计划环节，以自主保全和专业保全作为实施环节，以设备FMFA和指导文件等作为检查环节，以维修预防、预防保全和教育训练作为处理环节。在循环改进活动中，把各项工作按制订计划、实施计划和检查实施效果3个步骤进行，然后将成功的做法纳入标准，出现的问题留待下一循环去解决。

四大基础活动，为动力总成试验室的设备管理制度中的八大支柱战略提供了实践方法和改进策略，为整个体系应用和发展打下基础。

5 实践效果

为了更好地评估全新试验室设备管理模式应用带来的收益，对各类统计数据进行如下定义：

预防保全时间为专业保全时间＋预防维修时间；总设备保全时间为预防保全时间＋紧急维修时间；紧急维修占比（设备故障率）为紧急维修时间／运行排班时间；设备完好率为1⁃紧急维修占比（设备故障率）；预防保全占比为预防保全时间／运行排班时间；总设备保全时间占比为总设备保全时间／运行排班时间。

新创立的动力总成开发型试验室设备管理高质量保全（HQM）方法，从2016年开始实践，实践区域包含2批次台架设备和零部件试验室设备。其中第1批台架设备从2013年开始正式使用，第2批台架设备从2016年开始正式使用。零部件试验室设备基本都是非标设备，运转时间也不稳定，不适合进行趋势分析和评价，被剔除。第2批台架设备正式投入时间与实践新的设备管理经营战略同步，但从设备生命周期的浴盆曲线看，此阶段属于台架设备故障相对稳定的阶段，也不适合进行分析和评价，同样被剔除；最终选取第1批总成试验室台架设备，作为分析和评价新设备管理经营战略下设备故障趋势变化的样本。同时，考虑到需与新设备管理办法实践前情况进行对比，梳理了2015～2018年的历史数据，相关统计数据如表1。表1中台架设备代号定义如下：（1）DEB为发动机耐久台架设备；（2）PEB为发动机性能台架设备；（3）NVH为发动机NVH（噪声与振动）台架设备；（4）PTB为动力总成（发动机＋变速箱）台架设备；（5）TRB为变速箱台架设备。

在分析数据过程中发现，DEB01和DEB02预防性维修时间在2018年有明显异常偏高（见表2）。通过内部确认，2018年，对这2个台架的设备进行了功能升级整体评估。为提高整体评估有效性，对这2个台架设备也进行了剔除，最终样本数据如表3所示。

对最终台架设备样本进行累计汇总，获得预防保全占比和紧急维修占比对走势（见图11）、总设备保全时间占比趋势（见图12）和设备完好率趋势（见图13）。通过分析2016年数据组成发现，其中，由于设备故障问题的惯性，紧急维修占比仍然保持温和上升状态，从3．1%上升至3．3%，但新设备管理经营战略实践要求更多的预防性维修工作投入，使得预防性维修占比从1．1%快速上升至2．3%。在新的设备管理经营战略实践的第1年（2016年），总设备保全时间占比相比实践前，从4．2%上升至5．6%，而新的设备管理经营战略开始实践的第2年和第3年，紧急维修占比（设备故障率）从3．3%下降至1．0%，总设备保全时间占比从5．6%下降至2．6%，两者均获得大幅下降。总体来看，设备完好率从2015的96．9%的水平提升至2018年的99%，效果显著。