采棉机采棉头维护、维修和大修/运行支持系统解决方案[JP]

赵家伟++张立新++胡蓉++刘哲

摘要：为了合理应用维护、维修和大修/运行（MRO）支持系统来支持采棉机采棉头装配与运行、维护（简称运维）等活动，阐述实施采棉机采棉头的MRO支持解决方案的必要性，研究采棉机采棉头运维过程中具有代表性的相关业务需求，提出1种采棉机采棉头的 MRO支持系统解决方案，讨论适用于采棉机采棉头产品全生命周期的数据模型、采棉头装配质量控制、故障维修业务管理流程等相关问题。通过该解决方案的提出，提高了采棉机采棉头装配与维修信息化程度，提升了采棉机采棉头售后维修服务质量，表明采棉机采棉头的MRO支持系统解决方案在采棉头装配质量控制方面有良好的实用性，对于提高采棉机采棉头的工作水平有良好的帮助。

关键词：采棉机；采棉头；维护、维修和大修/运行（MRO）；装配质量控制；维修服务；支持系统；工作效率

中图分类号： TP319；S225.91+1文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）03-0187-05

收稿日期：2015-12-31

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2015BAF32B02）；八师石河子市工业科技攻关计划（编号：2014GY01）。

作者简介：赵家伟（1995—），男，安徽砀山人，硕士研究生，研究方向为智能检测技术与装置。E-mail：342611231@qq.com。

棉花是我国的重要战略物资，并且是新疆地区的主要经济作物和新疆农民的主要经济来源，棉花生产的机械化是未来的发展趋势。目前，犁地、整地、播种、施药等环节已经实现机械化，但是棉花的采摘环节仍然需要人工参与[1]。目前新疆采棉机主要依赖进口，其中主要是美国迪尔和凯斯生产的水平摘锭采棉机。国外的采棉机结构复杂、价格较高、维修成本高，一旦在采棉期出现了故障，高额的维修费用与较长的维修期用对农户带来的损失是巨大的。因此，有必要降低采棉机的故障发生率，当故障发生时，准确定位故障发生位置，明确故障类型，了解机器故障维修史，对降低维修次数、缩短维修时间有十分重要的作用。

作为采棉机核心部件之一，采棉机的采棉头承担着将棉花从植株分离采摘下来的重要任务。一旦采棉头发生故障，将直接导致整个采棉机的工作停止。采棉机采棉头能否稳定地工作对采棉机能否正常工作的影响巨大。因此，降低采棉头的故障发生率并对故障信息进行有效处理具有十分重要的意义。

采棉机采棉头的维护、维修与大修/运行（maintenance，repair and overhaul/operations，简称MRO）在采棉头从研发设计到退役的整个生命周期中都占有重要地位。MRO技术则是支撑服务阶段业务及数据管理的核心技术[2]。采棉机采棉头MRO支持系统解决方案对确保采棉头高效运行、降低故障发生及故障信息统计起到十分关键的作用。本研究在分析采棉机采棉头的装配质量控制和运行维修方式基础上，提出了采棉头的MRO支持系统解决方案。采棉机采棉头的MRO支持系統解决方案的应用，有利于提高企业对采棉机的现代化管理水平，提高采棉头的维护、维修效率，缩短采棉头的维修时间，提高采棉机的整体工作效率，降低维修维护费用。

[WTHZ]1采棉机采棉头MRO支持系统需求分析

1.1采棉头的运行、维护（简称运维）现状分析

随着新疆地区现代农业机械化发展不断深入和新疆生产建设兵团机采棉推广力度的加强，采棉机数量与日俱增。目前已有相关系统实现对采棉机的作业状态、作业面积、油耗、作业轨迹等的实时监控管理，但是系统的监控管理中无法对采棉机的采棉头装配质量进行控制，当采摘头出现故障导致采棉机停止运行时，维修管理人员无法迅速地对故障类型进行判断，并无法及时获取故障历史及维修记录，从而加大了维修难度，增加了维修时间，如果故障发生在棉花采收季，则会对农户造成巨大的损失。

1.2采棉头的MRO支持系统核心需求分析

采棉机属于大型农用机械，结构复杂，维修情况也很复杂，须要采用多种模式进行维修维护，如视情维修、事后维修和定期维修等。采棉头作为采棉机的核心部件之一，其结构的复杂性决定了采棉机采棉头的MRO支持系统的实施难度。

目前市场上已经投运的采棉机远程管理系统缺少故障监测及运行维护等服务的支持，在日常运营管理中，没有涉及采棉机采棉头的故障记录及维修管理。当采棉头出现故障时，由于日常运行中对产品运行过程中故障状态的管理缺失，维修管理人员无法对采棉头的故障信息进行及时的获取、记录，进而影响服务速度和质量。采棉头是采棉机机械系统的重要组成部分，实践证明，采棉头的正常运行与否，对整个采棉系统有着重要的影响。

随着采棉机业务企业化的发展，采棉机产业开始向制造服务型模式转变。因此通过采棉头MRO支持系统来即时可靠地实现采棉头故障历史及维修信息的管理，对于提高采棉机采摘棉花的能力、减少采棉头故障次数、缩短采棉头维修时间及提高采棉机整机的工作效率等方面有着重要影响。

[WTHZ]2采棉头MRO支持系统设计目标

采棉机采棉头MRO业务的目标很多，采棉头的MRO支持系统的相关业务定制与系统的二次开发均在清华大学研发的全生命周期信息基础平台（MRO基础应用平台）上进行，如图1所示。

为解决采棉头在实际中面临的问题，采棉机采棉头MRO支持系统须要实现以下目标。

2.1实现采棉头全生命周期知识的综合利用

根据采棉头运维业务的需求，采棉头在维护维修阶段须要用到产品生命周期中的上下游信息，其中包括结构信息、维修资料与维护维修记录，这些信息可辅助辨别故障设备中可修复的设备，发挥设备最大的价值，并为改进产品、促进升级提供可靠的依据[3]。如果脱离生命周期上下游的信息进行MRO维修管理，将造成维修信息的缺失和浪费，不利于产品的使用与升级优化[4]。例如，在采棉头装配过程中，可根据采棉头的装配工艺数据，对采棉头的装配过程进行监控，严格控制当前采棉头的装配流程与装配质量；在采棉头的维修过程中对其维修维护记录及信息等进行管理，使采棉头的结构、维修历史等信息具备可查询性，为制定采棉头的维修策略及设备优化提供数据支持。

2.2实现采棉头的MRO维修服务

采棉头的“MRO维修”是MRO系统在维修中的应用，旨在通过一系列技术和手段，发现和消除设备维修过程中的各种浪费，提高维修的“价值”[5]。传统维修中的“浪费”不仅体现在故障原因不明、维修定位不明确过程中的时间浪费，还体现在不合理的零配件库存造成的仓储费用浪费以及不必要的维护、过度维修等[6]。采棉头的“MRO维修”基于采棉头MRO系统提供的维修服务流程管理、维修人员管理、维修物料管理等多个方面来进行采棉头的故障维修。通过采棉头的维修需求对发生故障的采棉头进行维修，减少不必要的维修和过度维修；通过与库存管理相结合的方式来减少零配件存放时间；通过规范化地执行维修工序，提高维修质量；通过维修结果反馈及故障信息统计分析持续改进维修策略，提高维修“价值”[7]。

[WTHZ]3采棉机采棉头MRO支持系统设计

使用高性能、高可靠性、具有可扩展性、易用性、维护成本低的采棉头MRO支持系统取代传统的纸质化管理及简单的Excel、电子邮件等信息管理方式是采棉头管理信息化、智能化的必经之路，也是采棉机服务行业未来发展的方向。通过[JP2]系统业务需求调研，采棉头的MRO支持系统框架如图2所示。

3.1系统管理模块

采棉头MRO支持系统是采棉头装配、正常运行与维修的可靠保障，如何有效地进行系统的管理，确保系统安全与稳定地运行是实现采棉头MRO支持系统的重要前提。采棉头的MRO支持系统系统管理模块分为系统权限管理模块、系统流程管理模块、系统设计管理模块。

（1）系统权限管理模块。在系统实施过程中，针对为采棉头进行运行和维修的组织结构和职责结构，利用采棉头MRO支持系统中的权限管理子系统进行系统权限管理的设计。通过该权限管理子系统，采棉头MRO支持系统的管理员可以使用“角色组”应用程序，为各功能模块、用户、工作流程和其他设置指定相应的权限。

（2）系统流程管理模块。系统流程管理模块即为系统工作流程管理模块。针对采棉头装配、运行和维修服务业务流程管理可能随时灵活变化的特点，在采棉头MRO支持系统的实施过程中，通过该模块，业务人员可以随时了解当前业务工作的执行情况，保证工作及时完成。相关人员也可查看流程执行情况，发现任务执行环节中存在的问题，及时进行改进。通过该模块，提高了系统处理业务流程的灵活性，降低了日后维护的成本，提高了相关的服务工作效率。

（3）系统应急恢复模块。在采棉头的MRO支持系统实施过程中，考虑到进入系统的所有采棉头装配信息和质量信息，特别是故障信息与故障处理解决方案等都是经过实践长期积累所得，对采棉头的优化设计与故障维修策略的发展有着重要的价值，因此也将本系统的备份、灾难恢复等纳入采棉头MRO支持系统的解决方案中，将灾难事件可能造成的数据损失降到最低。

3.2采棉头装配管理模块

采棉头的装配质量直接关系到采棉头的运行情況及采棉机的使用情况，因此在采棉头的MRO支持系统中，采棉头的装配管理是其中的重要业务之一，其核心业务如图3所示。采棉头的装配管理模块主要包括采棉头装配工艺管理模块、采棉头装配质量管理模块。

（1）采棉头装配工艺管理模块。采棉头工作过程中各零部件之间保持精确的运动关系，因而对相关零部件的装配关系和配合间隙有着严格的控制要求。为保证采棉头的工作性能，应对采棉头零部件质量特性、装配流程及工艺装备进行严格控制。通过采棉头装配工艺管理模块对采棉头的装配工序及业务操作人员进行记录和管理，使采棉头的装配过程按照既定的装配动作和流程进行装配，防止装配错误。一旦装配完成的采棉头出现故障，便依据采棉头装配工艺管理模块所记录的信息进行溯源管理，追究责任。

（2）采棉头装配质量管理模块。采棉头是采棉机机械系统的重要组成部分，其工作性能对整个采棉系统有着重要的影响。采棉头的工作性能与其装配质量有关。利用装配质量检测对采棉头关键装配工序进行定量化检测，是进行装配质量控制的基础。使用相关设备对完成装配的采棉头进行相关工作参数的检测，也是对采棉头装配质量进行检测的重要方式。通过采棉头装配质量管理模块，可对已经完成装配的采棉头工序进行读取，并参考专用设备检测的相关工作参数，对完成装配的采棉头进行质量检测和鉴定，其检测和鉴定结果又可作为装配工艺优化的参考依据。

3.3采棉头运维管理模块

采棉头的运行维护与维修服务是从实际维修需求中产生的，其维修服务的好坏直接关系到采棉头能否继续使用。如何规范维修活动、提升维修服务的质量，是采棉头运维管理模块存在的目的，其核心业务如图4所示。采棉头运维管理模块主要包括维修服务流程管理模块、维修人员管理模块、故障统计分析模块、服务报表模块、零配件库存管理模块。

（1）维修服务流程管理模块。采棉头的维修服务流程是根据采棉头历史的维修经验进行制定与管理的，当有维修需求时，采棉头维修管理模块根据采棉头维修服务流程管理模块存储的维修服务流程进行维修活动。维修服务流程包括对维修需求的识别、维修活动的时间安排、维修人员的安排、维修活动次序的安排等。维修服务按照标准的维修服务流程执行，避免在提供维修活动过程中出现不必要的差错。为更好地为客户服务，管理员可根据客户的维修服务意见反馈及满意度评价及时地对维修服务流程进行合理的优化与调整。

（2）维修人员管理模块。采棉头维修人员管理模块对所有在职的参与采棉头维修的人员进行管理，可对所有的维修技术人员进行合理的人力资源分配，防止人力资源浪费及维修人员推卸责任的情况发生。当维修需求产生时，采棉头MRO维修人员管理模块自动筛选在岗的维修技术人员，显示当前可进行维修活动的技术人员，管理员通过采棉头MRO支持系统对相关人员下达维修指令。维修技术人员收到维修指令时，按照维修服务流程进行相应的维修活动，包括零配件申[CM（25]领、剩余零配件返还等。维修人员管理模块会记录各维修技术人员的外出作业时间、地点、返回时间、外出作业次数等相关信息，并根据各人员的外出作业次数自动平衡相关人员的外出情况，实现人力资源的合理分配，并在发生客户投诉时能及时追溯到个人，防止责任推诿事件的发生。

（3）故障统计分析模块。在维修活动的业务完成后，维修人员将己完成的维修作业活动反馈给故障统计分析模块并提交维修报告。故障统计分析模块根据报告中故障信息对采棉机采棉头的故障发生类型、频次等进行统计、分析等处理，输出采棉头故障分析报告并作用于采棉头生产制造过程中的结构优化与材料改进等相关制造活动，体现了持续采棉头MRO支持系统促进设备升级和研发的要求。

（4）服务报表模块。采棉头MRO支持系统针对采棉头运行和维修的业务要求，提供对服务基本信息的管理，包括现场故障、保养信息中的故障照片与故障视频信息管理。当故障维修活动结束后，采棉头服务报表模块可根据故障提出者发布到[JP3]系统中的故障状态的照片、视频信息，以及系统内的故障处理流程、零配件及质保期内的零配件信息，结合维修技术人员给出的维修结论和客户的使用评价对维修服务过程的所有信息进行分析和处理，并生成各种数据统计图表，将采棉头在使用及维修过程中的具体信息以服务报表的形式直观地显示出来。[JP]

（5）零配件库存管理模块。采棉头MRO零配件库存管理模块是面向整个采棉头装配及MRO维修业务过程解决零配件管理问题的，具备制定采棉头装配过程中物料采购、物料仓储、物料出入库统计等功能。它对零部件的状态变化具有记录功能，可对相关的所有采棉头装配过程中的业务操作进行监控，实时准确地更新零部件履历表信息，随时追溯整个采棉头装配周期内，每个业务阶段的所有零部件的相关信息，最终为零部件的获取与使用提供保障，杜绝业务操作人员窃取相关零部件牟取利益。

[WTHZ]4采棉头MRO支持系统的技术要点

4.1维修知识管理

采棉头基础信息管理、装配工艺管理和维修知识管理是实现采棉头MRO支持系统的基础。对于采棉头这种大型复杂设备的核心部件而言，由于其结构复杂，相关维修知识也会非常复杂。在投入使用之前，须要建立设备台账，导入设备本身的物料清单（bill of material，BOM）信息，关联生命特征参数，以便在维修执行时提供基准信息支持[8]。这些知识是在设备的使用过程中逐步积累的，是采棉头MRO支持系统的基础数据信息，而采棉头MRO支持系統解决方案的核心是数据模型，其数据模型主要的概念见图5[2]。

为达到综合利用采棉头维修知识的目标，参考国外先进MRO系统中的中性BOM等概念，采棉头MRO支持系统以中性BOM为核心进行维修知识管理，具有可以达到生命周期不同阶段的信息融合、共享的优点[9]。具体体现在3个方而：（1）从中性BOM导出初始的实例BOM；（2）实例 BOM对中性BOM进行信息反馈，中性BOM从多个实例 BOM中汇总维修信息，积累同类设备共性的维修知识，从而进行故障分析和寿命预测，在设备维修时进行共享；（3）中性BOM须要将产品全生命周期前期段的各个BOM（功能BOM、设计BOM、制造BOM）的信息进行汇总，并在维修判定、维修计划和维修执行时提供信息辅助支持[10]（图6）。传统的BOM管理技术侧重于单个阶段内BOM信息的维护，或者是2个阶段之间BOM的变换。如何从多个结构不同的BOM中汇总信息，是采棉头MRO支持系统中的BOM管理需要特别克服的问题。

4.2采棉头装配质量控制

采棉头的装配是采棉机全生命周期中的关键环节，也是采棉机获得整体性能的最后环节。采棉头结构复杂，装配工艺要求高，装配影响因素多，是收获机械中制造装配难度较大的部件之一，对采棉头装配质量的优化、控制与采棉机的质量有着直接关系。因而，分析采棉头零部件质量特性、装配工艺流程及工艺装备，获得影响采棉头装配质量的关键影响因素，找到影响装配质量关键工序的工艺装备和质量检测装置，并将其集成至采棉头MRO支持系统内是实现使用MRO支持系统对采棉头装配质量控制的关键。

5结论

本研究分析了采棉机采棉头MRO支持系统的目标和核心业务需求，提出了1种MRO支持系统的解决方案。方案中包含的MRO系统管理、采棉头装配质量控制、采棉头MRO维修服务、MRO数据模型等，全而覆盖了采棉头装配及MRO维修业务中的信息流和业务流，为同行业提供了MRO支持系统的解决方案。以中性BOM为核心的维修知识管理，有效地支持了产品全生命周期知识的综合运用，提高了采棉头装配与维修过程的信息化程度，体现了采棉头MRO系统的应用目标。

参考文献：

[1]王建民，任艮全，张力，等. MRO支持技术研究[J]. 计算机集成制造系统，2010，16（10）：2017-2025.

[2]程曜安，张力，刘英博，等. 大型复杂装备MRO系统解决方案[J]. 计算机集成制造系统，2010，16（10）：2026-2037.

[3]刘义乐，朱志杰，王宝坤. 精益维修及其支撑技术发展研究[J]. 装甲兵工程学院学报，2005，19（2）：15-19.

[4]王庆锋，杨剑锋，刘文彬，等. 过程工业设备维修智能决策系统的开发与应用[J]. 机械工程学报，2010，46（24）：168-177.

[5]王和根. 正确构建制造业信息化平台 提升企业核心竞争力[J]. 新技术新工艺，2006（4）：7-10.

[6]柳剑.制造系统运行可靠性分析与维修保障策略研究[D]. 重庆：重庆大学，2014.

[7]Afefy I H. Reliability-centered maintenance methodology and application：a case study[J]. Engineering，2010，2（11）：863-873.

[8]蔡莉霞，褚学宁，张在房，等. 面向复杂产品的多BOM转换建模与实现[J]. 机械设计与研究，2008，24（3）：76-79，88.

[9]Stonebraker P W. Restructuring the bill of material for productivity：a strategic evaluation of product configuration[J]. International Journal of Production Economics，1996，45（1/2/3）：251-260.

[10]Heo J H，Kim M K，Lyu J K. Implementation of Reliability-Centered Maintenance for transmission components using particle swarm optimization[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2014，55（2）：238-245.