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含动态维修成本的机械加工设备寿命周期成本计算模型
Machining Equipment Life Cycle Costing Model with Dynamic Maintenance Cost
马可思·本特森 马丁·库德夫
摘要
本文介绍了如何对瑞典某公司的机械加工设备进行寿命周期成本或总所有权成本分析。将案例中研究使用的生命周期成本模型与公司使用的经验模型进行比较，其中包括动态能量、流体和维护成本。分析和讨论模型中的线性因素和变量因素对数据可用性和估计的影响，特别是对数据的维护进行了分析和讨论。在设计/指定设备时，在设备的生命周期成本方面给出了考虑操作、维护、工具、能源和流体成本以及购置成本的参考。
关键词：生命周期成本计算；所有权总成本；可持续制造业；维护管理；设备设计
一、介绍
1.1 背景
研究人员建议使用生命周期成本(LCC)作为首选的投资选择，有几个模型和过程描述了如何做到这一点。然而，在金属加工行业，当购买机床或类似设备时，很少使用这些模型。英国的一项调查显示，78%的工业受访者很少使用LCC[1]。所给出的理论模型可能过于复杂，而实际使用的LCC工具可能会遗漏有关机床的关键方面。
关于LCC在制造业中的应用以及如何将所需数据导入模型的案例研究很少。本文介绍了如何对一家瑞典公司的生产设备进行全生命周期成本或总拥有成本(TCO)分析。本文采取客户视角LCC (TCO),虽然生活设备可以说包括启动、预研、项目,实现,在委员会[2]和处置阶段,所有供应商开发成本(研发、起始、预研、和预测)都包含在价格或收购成本。
1.2 目标和研究问题
本文阐述了LCC在机床上的应用理论和难点。这是一个案例研究的描述性和经验性的探索性的，旨在显示如何，如果你愿意，LCC，或TCO，已从用户公司的角度在实践中使用，并讨论收集和应用的数据。本文介绍了LCC理论和生命周期利润(LCP)理论;并对机床如何使用LCC提出了建议。在这种情况下，使用LCC是为了做出决定，是购买新机器、修复现有机器，还是运行成本和风险增加的现有机器。根据LCC是在哪个阶段进行的，可能需要使用不同类型的场景，即预测(在收购阶段)(早期设计阶段)和规范(收购前)[3]。这种情况主要是预测性的。
论文的研究问题有:
- LCC(或TCO)和LCP被用于评估一个新的收购相比,整理/改造吗?
- 关键参数包括什么?
- 随机和动态维护如何计算?
二、研究方法(材料与方法)
研究人员采用了文献分析和行动研究相结合的方法来分析案例研究[4]的发现。
案例研究背景是一个大型汽车传动系统制造基地，该基地制造、组装和绘制组件。约700名员工管理着约300台制造机器、各种装配设备、试验台、一家淬火车间和一家油漆车间。将加工设备的历史成本结果作为建模的输入，对未来的LCC进行改造或投资于新设备。
在此基础上，对LCC、LCP和TCO在制造设备设计领域的相关研究进行了综述。文献分析的主要部分是在Scopus和Google Scholar中进行的，以找到被引用的模型，并寻找涉及金工设备的案例研究。研究人员分别在公司的维修工程部和生产开发工程部工作。在这些角色中已经使用了经验模型，因此实证研究主要指出了使用这些模型的差距和可能性。行为研究有助于获得透彻的理解和数据获取，例如，制定假设[5]，虽然对证明一般理论不太有用。
三、参考文献/文献分析/背景
3.1 生命周期成本
应用于制造设备的术语生命周期成本(LCC)可以在不同的环境下使用，因此有不同的定义。首先，它可以从被研究的案例中设备用户的角度来使用，或者从供应商(甚至是社会)的角度来使用。从用户的角度来看，LCC和TCO的定义方式通常很相似，不仅包括成本方面，还包括LCP、性能和利润方面[6、7、8、9、10]。Waak[11]通过两种不同的应用进一步分离了LCC, Hermann等人的[8]和Thiede等人的[9]对TCO给出了类似的定义:
- LCC是衡量一个系统或设备的收集经济后果在其整个生命长度[11]。
- LCC是系统或设备在整个生命周期内所收集的经济后果的比较值，为了简化比较值的使用，已对其进行了一些简化和排除[11]。
- TCO包含所有运营商的机器发生的成本[8、9]。
多达66%的生产设备未来生命周期成本与生产计划和概念设计阶段相关，高达85%的LCC总成本与系统设计阶段相关[12,13]，见图1。然而，由于主要成本发生在生产设备的使用阶段，成本结果或多或少是相反的。因此，在设备管理过程的早期采用LCC方法对决策是有价值的。
图1 生命周期成本计算中的成本结构[13]
在LCC分析中，通常将不同机器生命阶段的分析分开[14]。仅考虑购置成本会导致运营阶段的成本大大提高，因为运营阶段的成本在很大程度上是动态的[8，9]。 3.3中提到了维护成本的随机性和可变性。 图2显示了在不同生命周期阶段如何产生不同的成本，以及它们随时间变化的情况。显示了在后期使用寿命中增加纠正性维护的动态。由于市场波动而导致的成本差异未在图2中显示，但对于历史成本结果与未来LCC之间的差异非常重要。
图2 生命周期成本分析[15]
明智的做法是将成本形象化，如帕累托分析或类似的饼图，以便形象化地表示项目和获取成本通常比维持生命和运营成本小得多。将所有供应商成本、研究、开发设计项目和设备生产成本计入采购成本，而忽略处置成本[10]是很常见的。
3.2 生命周期利润
低LCC并不一定意味着高生命周期利润(LCP)。有许多不同的选择可以实现高的LCP。减少LCC是一种选择;但是，为了减少或消除LCP的增加大于LCC的损失，有时增加LCC可能是有价值的，见图3。在购置或生命支持设备以增加容量或生命长度上的额外支出会增加低成本成本，但也可能增加低成本成本，尽管这取决于市场。
图3 生命周期利润概念，可视化权衡生命周期成本和生命周期损失，
提高生命周期利润[16]
LCC和LCP都受到运营运行时间和生产量的极大影响。如果一家公司拥有完整的订单，并且全天候运行24/7，那么与产量下降的公司相比，情况就会有所不同，例如，仅在白天运行机器。影响LCC的操作需求将有所不同。更具体而言，可以根据运营需求在LCC和损失之间进行权衡[16]。
在稳定的市场中，重要的是要在保持使用目标的同时降低成本和损失。在蓬勃发展的市场中，随着产量的增加，可能有必要增加生命周期成本，例如生命维持成本，以提高目标水平。而在经济衰退中，随着产量的减少，明智的做法是降低目标水平，从而降低生命周期成本。所有的例子都暗示了更高的LCP，但是以不同的方式实现了[16]。
3.3 LCC和LCP模型的文献分析
虽然有几篇论文描述了LCC方法，但以LCC在加工设备中的应用为例进行研究的论文较少。在LCC研究[10]的一篇综述文章中，对LCC的应用和理论模型进行了调查，三分之二的出版物来源于建筑业，55个案例中只有6个来自制造业，其中5个使用了确定性成本数据，没有考虑随机因素，只有一个在加工设备上。在Scopus中搜索“生命周期成本”或“总拥有成本”，“案例”得到了4713个结果，其中大部分是在2001年以后发表的，见图4。其中大部分认为是电力和能源行业和/或建筑行业，符合[10]。
通过在Scopus搜索中添加“和机加工工具”，将匹配值减少到只有12个，其中6个摘要被选中，其中2个无法下载(会议没有电子会议记录)，其余的只有1个相关的完整文章被找到[17]。随着对“机床”和参考文献列表的进一步搜索，还发现了另外两篇论文，其中有三篇关于加工设备的案例研究[11,14]。最后，删除“与”的条件下得到了47个结果，其中2个给出了用于机床的LCC[18,19]。
图4 在Scopus上发表的LCC或TCO案例研究的数量
发现的用例没有遵循一个通用的标准，但是Zhang和Haapala[17]展示了一个用例，其中工具成本高于劳动力成本，而劳动力成本高于能源和冷却剂成本;但是购置、使用寿命和维护费用不包括在内。Heinemann等人的[19]类似地解决了机器、基础设施和建筑的能源成本。Lad和Kulkarni[18]只解决维护成本问题。Enparantza等人的[14]显示了两种情况，其中收购和人工时间成本是最大的，同时工具、能源、流体和备件也做出了显著的贡献。Waak的[11]案例显示人工时间(操作和维护)是成本的一半，材料(包括工具和流体)是成本的三分之一，而获取成本是其余的一半。总之，在实践中包括了以下内容:
采购成本（包括项目、安装、测试和所有供应商的内部成本等）
运行成本：
- 操作员和维护工时
- 工具和材料（包括备件）
- 停产损失成本（1例[18]）
- 能源和介质（电力、压力、空气、液体、润滑剂）
- 废物管理（如切削液、切屑回收）
报废成本（通常省略）
LCC中包含的活动应是在设备的经济寿命[3]期间（即LCP方法）对决策者造成直接成本或利益的所有活动，以及不能通过静态计算扣除的能源和维护等活动。必须考虑两种类型的动力学，依赖时间的变化和随机性[8，9]。部分LCC和大部分LCP数据取决于结合设计的用户环境，而部分LCC数据可能主要取决于设备设计，例如MTBF可能主要是由于组件设计（尽管维护成本也取决于基础设施），而MTTR不仅取决于维护设计，而且以及维修人员的技能和可用性。同样，在某些成本参数中，工厂人员配置（轮班次数等）也很重要[20]。
有两种动态含义，时间相关变化和不确定性/随机性。对于时间依赖性，事后经验可能会给出估计，一些分布可能会被使用，例如对于故障增加[20]，对于随机不确定性“假设情景[3]，可能会应用FMEA类型的成本风险分析，历史数据可能会给出不同事件的概率[15]。另一种克服困难的方法是利用模拟[8,21]或利用故障分布和QFD矩阵或类似方法计算随机不确定性[18,22]。物流成本会计（MFCA）或资源消耗会计（RCA）是基于运营管理的，可能有助于输入运营成本估算[20]。最后，在实践中，保持模型尽可能简单可能是最重要的，因为结果应该易于与决策者沟通。
四、案例研究
为了收集经验证据，研究人员进行了一个案例研究，其中包括动态能量、流体和维护成本，对模型中的线性和可变因素进行了分析。
4.1 案例研究背景
生产现场持续优化采购流程。采购的另一个选择是翻新现有的机器，而不是购买新的机器。在这个过程中被利用的一个决策工具是应用于各种方案的LCC。
本研究的案例涉及到汽车传动系统工业中制造零件的两台车床。现有的车床在电气系统(控制系统)方面已经超过了它们的使用寿命，需要进行机械大修。三个选项被认为是:1)购买一个新车床(开发的系统容量可以运行相同的操作只有一个车床)；2)更新现有的机器，电子，机械；3)运行现有的机器,但增加了成本(如备件和维护)和风险(如额外的停机时间成本)。下面介绍了模型的开发过程和使用结果。出于保密的原因，这些结果在一定程度上是虚构的。所有的选择都是在基地的基础设施中进行评估的，例如使用中心金属工作流体系统和标准化的流体和润滑油，从而降低了支持系统的维护成本。早期的工作已经表明了设备设计对生命支持成本的重要性，强调设备应该易于清洁，易于维护，易于监控和控制[23]。
4.2 生命周期成本模型
所使用的LCC模型是通过制造工厂内的跨职能团队开发的。该团队使用各种文献来源作为开发的输入[15,16,24]。跨职能团队由来自维护、生产工程、生产管理、财务、物流等部门的员工组成。模型中的成本参数分为四个阶段:项目成本、采办成本、生命支持成本、生命运营成本，接近于[14]的建议，见表1。由于回收材料的成本很低或没有成本，因此忽略了寿命结束的成本。项目成本包括购买新机器或翻新现有机器的所有相关(内部)成本。大多数情况下，工资、差旅费和津贴都包含在成本中，但也可能包括生产产品的试运行。在购置成本中，所有与设备和安装有关的(外部)成本都提了出来。它包括设备或翻新成本、工具和备件成本、安装成本，包括安装新设备或翻新现有设备时运行缓冲区的成本。在生命支持成本中，强调了动态维护成本。在这个模型中，工资成本(修理工和维修工程师)、外部服务和备件成本被作为随机成本提出，其中包括发生的平均风险(基于历史数据和供应商数据)。在生活运行成本、工资成本(操作员、测量技术人员、生产工程等)、工具和夹具、租金、能源、介质(切削液)、劣质成本和停机时间被提出，这些都取决于生产速度，而生产速度又取决于动态的市场形势。模型从第2年开始，包括项目时间，但如果愿意，可以很容易地安排从第0年开始。该模型可以安排运行计算任意多年，但最常见的是8-16年。在下面的例子中，LCC对所有选项的运行时间为2年到12年，以简化比较，即使新机器选项的技术生命周期通常超过12年。模型本身是在Excel中开发的，每个选项一个表格，以及两个表格的
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