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学术论文

再制造设计基础及方法

时间: 2015/04/04 15:37:39

 文    装备再制造技术国防科技重点实验室   朱胜 徐滨士 姚巨坤

 

 摘要:废旧产品在进行再制造加工前,要进行再制造性评价和再制造工艺设计。而产品的再制造特性主要是由产品设计阶段决定,废旧产品的再制造特性又决定了产品能否进行寿命末端再制造。文中主要探讨了产品再制造设计的影响因素、废旧产品再制造特性评价及再制造加工建模等内容。通过再制造设计的研究,可以为开展科学的再制造提供依据;最大限度地挖掘废旧产品中的蕴含的财富和信息;实现资源的可持续发展战略。

 

 关键词:再制造工程;再制造设计;再制造特性

 

 0引言

 

 随着人类生活水平的显著提高,物质财富得到空前丰富,但产品废弃物的日益增长和资源的日益缺乏也给人类发展带来巨大压力。面对大量废旧产品造成的环境污染和原生资源短缺等严峻问题,人们提出了资源循环的概念[1]。再制造工程作为一种对产品附加值(包括能量、劳动、材料)的最优化资源回收循环方式,在全世界范围内应运而生[2-3]。通过采用表面工程等先进技术进行再制造,可以实现产品的“循环使用”。同时先进技术在再制造中的利用可以完成产品的性能升级和功能改造,使得再制造产品成为原产品的更高级形式,实现产品的“与时俱进”,使产品的寿命周期具有明显的升阶循环特点。再制造设计作为再制造工程的重要组成部分,对其开展深入研究能够有效地促进再制造工程的发展和应用。

 

 1  再制造设计的概念及内涵

 

 产品寿命末端回收设计(Design for-of-life)作为面向环境设计的重要组成部分,随着法律法规的建立、人们环保意识的增强以及经济利益的驱动,渐渐得到了广泛的重视。再制造设计作为其中的重要组成部分,也得到了广泛的研究。

 

 再制造设计,是指根据再制造工程要求,运用科学决策方法,进行新产品的再制造特性设计、废旧产品的再制造特性评价及再制造加工的仿真,最终形成最优化再制造方案的过程。再制造设计具有明显的阶段特点,主要包括新产品设计开发阶段和废旧产品再制造前的决策阶段。再制造性作为产品的重要属性,主要在产品设计阶段确定,但也会随着产品本身的服役状况、再制造技术发展状况、产品的位置信息而动态发展着。所以废旧产品的再制造性评价具有动态性、个体性、地域性、时间性等特点。通过进行正确的再制造特性评价,可以根据 不同的产品特点,对再制造的经济性进行预算,对环保、资源的影响程度进行评估,并对具体的技术 单元进行确定,从而形成废旧资源的最优化再制造方案,实现再制造全过程中资源回收最大化、生态污染最小化、再制造产品最优化的目的,为废旧产品的再制造利用提供科学依据。

 

 2  新产品的再制造设计

 

 产品的再制造性设计主要是指在产品设计阶段对产品的再制造性进行考虑,并提出再制造性指标和要求,使得产品在寿命末端具有良好的再制造性。其中设计阶段的再制造性与产品的可维修性、可靠性、保障性具有密切的相互关系。影响再制造性的是产品再制造的各个阶段,产品再制造的全过程包括废旧产品的回收、拆解、分类、清洗、修复或升级、装配、检测等[4]。在产品设计阶段就考虑产品的再制造性,能够显著地提高产品在寿命末端的再制造能力,文献[5]认为设计阶段可以决定产品 2/3的再制造性[6]

 

 2.2  再制造特性设计的分析

 

 目前对新品再制造设计的研究还只是处在通过末端的再制造加工过程,向设计过程反馈在什么情况下产品有利于再制造,尚处于定性分析阶段,还没有形成科学的再制造性设计体系,例如尚未确定再制造性指标、没有形成再制造性的分配及评价方法、没有形成再制造性验证方案等等。但再制造性作为产品的本身特性,与可靠性、维修性等具有非常紧密的联系,今后也必将可以参照可靠性及维修性设计的内容,建立再制造性的设计体系。根据目前定性研究情况,再制造性设计主要应考虑以下几个方面。

 

 易于运输性:虽然大多数时候并不将废旧产品的收集作为再制造的主要步骤,但其直接为再制造 提供了不同品质的原料,而且收集费用一般占再制造总体费用很大比重,所以对再制造具有至关重要的影响。产品设计过程必须考虑末端产品的运输性,使得产品更经济、安全地运输到再制造工厂。例如对于大的产品,在装卸时需要使用叉式升运机的,要设计出足够的底部支撑面;尽量减少产品突出的部分,以避免在运输出碰坏,并可以节约贮存时的效率。

 

 易于拆解性:拆解是再制造的必须步骤,如果设计过程中没有考虑拆解性,则可能使得再制造拆解过程成为劳动密集型过程,降低再制造的经济性。再制造的拆解不同于再循环,需要保证拆解过程中造成尽量少的零件损坏。目前对提高产品的拆解性提出了很多要求,例如减少接头的数量和类型,减少产品的拆解深度,避免使用永固性的接头,考虑接头的拆解时间和效率。目前一些公司已经认识到了这些问题,现在开始使用卡式接头、模块化零件、插入式接头。这种类型更容易拆解,减少了装配和拆解的时间,但也增加了拆解过程中不可修复类故障的发生,增加了再制造费用。因为卡销类连接情况下,一旦损坏,则整修零件需要报废。因此,尽管卡销类接头在生产和加工过程中具有明显的优点,但原制造商仍然考虑使用螺钉和相似的连接,尤其是在接头容易损坏的部件。

 

 易于分类性:零件分类的正确与否,直接影响到再制造产品的质量。易于分类的零件也可以明显的降低再制造总体时间。为了使拆解后的零件易于分类,设计时要采用标准化的零件,尽量减少零件的种类。对相似的零件设计时应该进行标记,增加零件的类别特征,减少零件分类时间。

 

 易于清洗性:清洗是再制造中重要的一步,而且是劳动力集中的一步,易于清洗的零件可以显著地提高再制造的经济性。可达性是清洗难易程度的关键,目前存在的清洗方法包括超声波清洗法、水或溶剂清洗法等。设计时应该使外面的部件具有易清洗且适合清洗的表面特征,例如采用平整表面,采用合适的表面材料和涂料,减少表面在清洗过程中的损伤概率等。

 

 易于修复(升级)性:再制造过程中一个重要的部分是对原制造产品的修复和升级,以使之达到新品的质量,并能够使再制造产品具有一定的市场竞争力。因再制造依赖于零部件的再利用,设计时要增加零部件的可靠性,减少材料和结构的磨损和断裂,防止零部件的脏污和腐蚀;采用易于替换的标准化零部件和可以改造的结构并预留模块接口,增加升级性;采用模块化设计,通过模块替换或者增加模块而升级再制造产品。

 

 易于装配性:再制造零件装配成再制造产品是保证再制造产品质量的重要一环,对再制造时间也具有明显的影响。采用模块化设计和零部件的标准化设计明显有利于装配的进行。据估计,再制造设计中如果拆解时间能够减少10%,通常装配时间则可以减少5%。另外,再制造系统中的产品可能被多次拆解和再装配,所以设计的产品应有较高的连接质量。

 

 新品的设计是一个综合的考虑过程,需要综合分析功能、经济、环境、材料等多种因素,必须将产品末端的再制造的考虑作为整体的一部分,进行系统考虑,保证产品寿命末端的再制造能力,以实现产品的最佳化回收。

 

 3  废旧产品的再制造特性评价

 

 3.1  废旧产品再制造特性概念及其影响因素

 

 由于再制造属于新兴学科,再制造设计是近年来新提出的概念,而且处于尝试阶段,以往生产的产品大多没有考虑再制造特性。当该类废旧产品送至再制造工厂后,首先要对产品的再制造特性进行评价,判断其能否进行再制造。再制造特性是指经技术、经济和环境等因素综合分析后,废旧产品所具有的通过维修或改造,恢复或超过原产品性能的能力。再制造特性的设计和评价是决定产品是否利于再制造的前提,是再制造理论研究中的首要问题。国外已经开展了对产品再制造特性评价的研究叭影响再制造性的因素错综复杂,可归纳如图1所示的几个方面。

 

 由图示可知,再制造的技术可行性、经济可行性、环境可行性、产品服役性等影响因素的综合作用决定了废旧产品的再制造特性,而且四者之间也相互产生影响。

 

 再制造特性的技术可行性要求废旧产品进行再制造加工在技术及工艺上可行,可以通过原产品恢复或者升级来达到恢复或者提高原产品性能的目的,而不同的技术工艺路线又对再制造的经济性、环境性和产品的服役性产生影响。

 

 再制造特性的经济可行性是指进行废旧产品再制造所投入的资金小于其综合产出效益(包括经济 效益、社会效益和环保效益),即确定该类产品进行再制造是否“有利可图”,这是推动某种类废旧产品进行再制造的主要动力。

 

图1  废旧产品的再制造特性及其影响因素

 

 再制造特性的环境可行性是指对废旧产品再制造加工过程本身及生成后的再制造产品在社会上利用后所产生的影响小于原产品生产及使用所造成的环境污染成本。

 

 再制造产品的服役性主要指再制造加工生成的再制造产品其本身具有一定的使用性,能够满足相应市场需要,即再制造产品是具有一定时间效用的广品。

 

 通过以上4个对废旧零件再制造特性的评价后,可为再制造加工提供技术、经济和环境综合考虑后的最优方案,并为在产品设计阶段进行面向再制造的产品设计提供技术及数据参考,指导新产品设计阶段的再制造考虑。正确的再制造性评价还可为推广再制造产品种类、增加投资者信心提供科学的依据。

 

 3.2  再制造特性评价步骤

 

 由以上概念及相互关系可知,废旧产品的再制造特性评价是一个综合的系统工程,研究其评价体系及方法,建立再制造性评价模型,这是科学开展再制造工程的前提。不同种类的废旧产品其再制造性一般不同,即使同类型的废旧产品,因为产品的工作环境及用户不同,其导致废旧产品的方式也多种多样,如部分产品是自然损耗达到了使用寿命而报废,部分产品是因为特殊原因(如火灾、地震及 偶然原因)而导致报废,部分产品是因为技术、环境或者拥有者的经济原因而导致报废,不同的报废原因导致了同类产品具有不同的再制造性值。

 

 对再制造性值的判断,可以通过采集大量影响产品再制造的技术性、经济性、环境性和服役性等信息,构建包括非线性多影响因素的数据集;利用模糊数学和数理统计方法,对模糊因素进行分析量化;通过定性和定量相结合、模糊评判、综合权衡等方法,确定废旧产品再制造的经济、技术、环境的评价指标及权衡因子,建立较为完善的再制造性评价模型。废旧产品的再制造性评价流程,可以采取如图2所示的流程:

 

图2  废旧产品再制造特性评价流程

 

 4  失效零件再制造加工模型的建立

 

 鉴于废旧产品的特殊性,其零件原始几何和性能参量的获取是恢复零件至原尺寸的前提。当再制造生产由原产品制造商进行时,生产商拥有独特的原产品数据库,可以从中提取原始零件的几何及性能模型,通过与当前识别后获取的缺损零件几何模型的对比,可以生成零件的待加工模型。根据加工模型,通过控制加工方式,可以将零件恢复至原几何尺寸状态,保持产品的完好性。

 

 例如,磨损机械零件自动堆焊模型的形成,主要包括以下几个步骤:固定零件;识别磨损零件;测量零件磨损量;分析测量数据并生成堆焊模型。在此步骤中,是以磨损零件外表面可能存在的一些在使用中留下的没有磨损的点作为对工作区零件进行空间定位的参考点,此情况能够保证零件修复后的精度;如果磨损零件外表面没有这些参考点,那么零件的空间定位则应以磨损量最少的点为参考点,此情况下,只有在系统软件的协助下才能完成对工件的空间定位。定位后,应用激光传感器测量头测量零件,将测量结果与存储在系统数据库中零件的名义尺寸或者对新品的测量结果进行比较,得到零件的缺损模型,进而可生成加工模型[7]。图3是将工件测量结果同系统数据库中的名义尺寸比较时确定零件再制造模型的示意图。

 

图3  确定零件再制造模型的示意图

 

 另外,在因技术封锁或者原零件的几何尺寸模型丢失的情况下,进行再制造加工首先需要求出原零件的原始几何尺寸模型,即在不能获取废旧零件原始几何尺寸和测量基准的情况下,研究废旧零件的机械学、摩擦学等行为及所丧失的零件信息,并通过采取接触式和非接触式测量技术,挖掘蕴含在废旧产品中的几何形貌、整体强度等信息,利用反求方法获得零件设计时的几何形貌和整体强度,得出产品的原始几何模型及性能模型;然后再通过与当前缺损模型的对比,同时对服役条件分析及表面性能检测,研究获得再制造零件摩擦学等表面性能 和力学性能的再制造加工模型。其原理如图4所示。

 

图4  缺损零件再制造加工模型反求思路

 

 5  结语

 

 在产品技术更新速度加快、技术类淘汰产品比例加大的今天,根据再制造的特点,对新产品和废旧产品进行再制造设计,可以实现废旧产品的科学资源化利用,满足不同的消费市场。本文明确了再制造设计中的3个重要方面,即新产品的再制造特性设计、废旧产品的再制造特性评价及再制造加工模型的建立,并对研究内容及方法进行了分析,为今后再制造设计的研究提供了初步的发展思路。

 

参考文献

[1]邱定蕃,李东英.关于加快建立资源循环型社会的建议[R].中国工程院院士建议,总第48期.2002,08.

[2]Daniel V, Guide R.Production planning and control for remanufacting industry: practice and research needs, Journal of Operations Management. 2000(18):467-483.

[3]徐滨士,等.绿色再制造工程及其在我国的应用前景[R].中国工程院2000年咨询项目,2000.12.

[4]Lily h Shu, Woodie C. Flowers. Application of a design-for-remanufacture framework to the selection of product life-cycle fasterning and joining methods [J]. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 1999(15):179-190.

[5]Steinhilper,R.Remanufacturing: The Ultimate Form of Recycling[M].Fraunhofer IRB Verlag,1998:86.

[6]Ruud H Teunter, Dimitrios Vlachos. On the necessity of a disposal option for returned items that can be remanufactured[J].Int.J.Production Economics,2002(75):257-268.

[7]Kolasa A(文),赵江涛,朱胜(译).全自动推焊修复磨损件[J].中国表面工程.2002(3):1-4.