復(fù)雜產(chǎn)品多粒度再制造性綜合評(píng)價(jià)方法*

張秀芬　王　磊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

?

復(fù)雜產(chǎn)品多粒度再制造性綜合評(píng)價(jià)方法*

張秀芬王磊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

為提高復(fù)雜產(chǎn)品再制造性評(píng)價(jià)的全面性，根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品層次性的特點(diǎn)和再制造過(guò)程，構(gòu)建了產(chǎn)品多粒度再制造性評(píng)價(jià)模型，該模型描述了從產(chǎn)品層到零件層的評(píng)價(jià)指標(biāo)和量化方法。給出了粗粒度指標(biāo)的量化公式，用于產(chǎn)品和組件層的可再制造性評(píng)價(jià)；針對(duì)細(xì)粒度指標(biāo)難以量化的特點(diǎn)，提出了基于層次分析法(AHP)的細(xì)粒度評(píng)價(jià)方法，用于零件層的可再制造性評(píng)價(jià)。為提高評(píng)價(jià)效率，提出了逐層遞歸再制造性綜合評(píng)價(jià)方法。最后，驗(yàn)證了所提方法的可行性與有效性。

再制造性；評(píng)價(jià)；層次分析法

再制造性評(píng)價(jià)一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]將影響再制造的各設(shè)計(jì)屬性集成到設(shè)計(jì)表進(jìn)行再制造性評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)修改。文獻(xiàn)[4-5]基于可裝配設(shè)計(jì)指標(biāo)提出了通過(guò)實(shí)際和理論時(shí)間參數(shù)之比進(jìn)行再制造性評(píng)估的方法。文獻(xiàn)[6]提出報(bào)廢機(jī)床可再制造評(píng)價(jià)集成化方法，分析了技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境效益等評(píng)價(jià)指標(biāo)，技術(shù)可行性是從整個(gè)再制造過(guò)程可行性方面進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)濟(jì)可行性從再制造成本方面進(jìn)行評(píng)估，報(bào)廢機(jī)床再制造的環(huán)境效益從節(jié)能、節(jié)材、減少污染方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[7]從失效特征判定零部件的剩余壽命和可再制造特性。

上述文獻(xiàn)分別從宏觀角度和微觀角度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了再制造性評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)體系的完整性有待進(jìn)一步研究。此外，復(fù)雜產(chǎn)品零部件數(shù)目繁多，如何提高評(píng)價(jià)效率也是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，本文根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品層次性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了多粒度再制造性綜合評(píng)價(jià)方法。

1　產(chǎn)品多粒度再制造性評(píng)價(jià)模型

根據(jù)再制造過(guò)程，影響產(chǎn)品整體再制造性的因素包括拆卸、清洗、檢測(cè)、測(cè)試、再裝配和再制造等。由文獻(xiàn)[7]可知，影響產(chǎn)品再制造性的產(chǎn)品特征屬性包括材料類型、耐磨性、特征可識(shí)別性、聯(lián)接方法、模塊化程度、標(biāo)準(zhǔn)化程度等。為了同時(shí)從宏觀和微觀的角度考察產(chǎn)品的再制造性，從上述影響因素中提取出粗粒度指標(biāo)和細(xì)粒度指標(biāo)，并按照復(fù)雜產(chǎn)品的產(chǎn)品—部件—零件的層次結(jié)構(gòu)和再制造過(guò)程兩個(gè)維度構(gòu)建了產(chǎn)品的多粒度再制造性評(píng)價(jià)模型，詳見(jiàn)圖1。模型中，產(chǎn)品相當(dāng)于裝配體，部件相當(dāng)于子裝配體，最小單元包括零件和部件。粗粒度指標(biāo)用于產(chǎn)品層和部件層的再制造性評(píng)價(jià)，包括聯(lián)接指標(biāo)、檢測(cè)指標(biāo)、清洗指標(biāo)、測(cè)試指標(biāo)、修復(fù)指標(biāo)和替換指標(biāo)，其中聯(lián)接指標(biāo)包含拆卸和裝配指標(biāo)，粗粒度指標(biāo)通過(guò)實(shí)際與理論時(shí)間之比進(jìn)行量化；將與零件本身密切相關(guān)的幾個(gè)屬性提取出來(lái)作為細(xì)粒度指標(biāo)用于最小單元層的再制造性評(píng)價(jià)，具體包括可識(shí)別性、可達(dá)性、可抓取性和耐磨性指標(biāo)。

1.1粗粒度指標(biāo)的量化

1.1.1聯(lián)接指標(biāo)

聯(lián)接包括拆卸和裝配，拆卸和裝配是再制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，聯(lián)接指標(biāo)用來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品再制造過(guò)程中產(chǎn)品的可拆卸性和可裝配性，理想情況下，拆卸和裝配所用時(shí)間最少，則產(chǎn)品的聯(lián)接指標(biāo)定義如下：

μdiss-ass=Tideal/T=αNideal/T

(1)

式中：Tideal是理想拆卸(裝配)時(shí)間，T是實(shí)際總拆卸(裝配)時(shí)間；α是零件理想拆卸(裝配)時(shí)間，一般拆卸時(shí)α=1.5 s，當(dāng)裝配時(shí)α=3 s；Nideal是組件或產(chǎn)品中的理想零件數(shù)。

1.1.2清洗指標(biāo)

清洗用于除去零部件表面的油污、水垢、銹蝕、腐蝕等，是再制造過(guò)程中重要的程序，清洗過(guò)程需要大量的資金投入來(lái)保證清洗過(guò)程符合環(huán)境法律法規(guī)和廢棄物處理要求。一般清洗工藝包括4類[6]：吹、擦、化學(xué)噴霧清洗和超聲波清理，其中吹是最簡(jiǎn)單且成本最低的清洗方法，而超聲波清理是最復(fù)雜且成本最高的清洗方法，因此4種清洗方法的難度系數(shù)分別定義為0.2、0.4、0.7、0.9。清洗過(guò)程中理想的情況是所有零部件僅僅需要吹或刷洗，且需要清洗的零件個(gè)數(shù)最少，清洗指標(biāo)定義如下：

(2)

式中：Lj代表被第j種清洗方法清洗的零部件數(shù)量，θj代表第j種清洗方法的清洗難度系數(shù)。

1.1.3檢測(cè)指標(biāo)

檢測(cè)指標(biāo)用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品再制造過(guò)程中零部件失效程度。需要檢測(cè)的零部件數(shù)目越少，則產(chǎn)品的可再制造性越好。檢測(cè)指標(biāo)定義如下：

μinspection=Nidealinspection/Ninspection

(3)

式中：Nidealinspection為理想的被檢測(cè)零部件數(shù)；Ninspection為實(shí)際檢測(cè)的所有零部件數(shù)。

1.1.4測(cè)試指標(biāo)

測(cè)試指標(biāo)用來(lái)評(píng)估安裝后的再制造產(chǎn)品或部件性能和功能。測(cè)試時(shí)間越接近理想情況，產(chǎn)品的再制造性越好。測(cè)試指標(biāo)定義如下：

3.幼蝦放養(yǎng)。在5月上旬一次放養(yǎng)3cm左右規(guī)格整齊一致、體質(zhì)健壯、活力強(qiáng)、附肢齊全、無(wú)病傷、體表光滑無(wú)附著物的人工培育幼蝦6000尾/畝，混養(yǎng)鰱、鳙、草魚(yú)春片100～150尾，用以調(diào)節(jié)水質(zhì)、控制水草過(guò)度生長(zhǎng)。將幼蝦放入塑料盆內(nèi)添加池水至盆內(nèi)水溫與池水接近，并按盆內(nèi)水量加入3%～4%的食鹽水浸浴5分鐘左右消毒，防止把病原體帶進(jìn)池，將蝦苗與水一并緩放入池，或倒在塘坡上讓其自行爬入池中，有的長(zhǎng)途販運(yùn)來(lái)的蝦苗離水時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)在水盆中暫養(yǎng)20～30分鐘再放養(yǎng)以提高成活率。放養(yǎng)時(shí)避免日光曝曬。

μtest=Ttestideal/Ttest

(4)

式中：Ttestideal是理想的測(cè)試時(shí)間；Ttest是實(shí)際的測(cè)試時(shí)間。

1.1.5修復(fù)指標(biāo)

修復(fù)是使零部件恢復(fù)如新一樣，再制造中希望盡可能多的零件可以直接重用，即需要修復(fù)的零件盡可能少，其計(jì)算公式為：

μrecondition=1-Nrecon/N

(5)

式中：Nrecon代表被修復(fù)的零部件數(shù)量，N代表所有零部件數(shù)量。

1.1.6替換指標(biāo)

產(chǎn)品中不能被修復(fù)或價(jià)值不大的零部件就需要進(jìn)行替換，被替換的零部件越少，產(chǎn)品的再制造性越好。定義如下：

μreplace=1-Nreplace/N

(6)

式中：Nreplace代表被替換的零部件數(shù)，N代表零部件的總數(shù)。

1.2基于層次分析法的細(xì)粒度評(píng)價(jià)

由于細(xì)粒度指數(shù)難以量化，所以引入層次分析法(AHP)進(jìn)行細(xì)粒度指數(shù)量化以評(píng)價(jià)最小單元層的可再制造性。目標(biāo)層為細(xì)粒度評(píng)價(jià)，準(zhǔn)則層為細(xì)粒度指標(biāo)，方案層為最小單元(如零件)評(píng)價(jià)對(duì)象，建立的細(xì)粒度再制造性評(píng)價(jià)模型如圖2所示。

1.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣的建立

判斷矩陣B0中的元素bij表示對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)而言，指標(biāo)Ai相對(duì)于Aj的重要性。本文采用1～9標(biāo)度法來(lái)判斷各元素的重要性，即bij為1時(shí)，表示對(duì)于細(xì)粒度評(píng)價(jià)目標(biāo)而言Ai和Aj同等重要，隨著bij數(shù)值不斷增大，前者比后者重要性也不斷增大，當(dāng)bij為9時(shí)，表示Ai比Aj絕對(duì)重要。

1.2.2一致性校驗(yàn)

通過(guò)專家打分法構(gòu)造的判斷矩陣存在一定的差異性，但是必須滿足一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

一致性指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)，該指標(biāo)值越小表明判斷矩陣的一致性越好。矩陣階數(shù)大于2時(shí)，一般用隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI<0.1度量，其中，RI為判斷矩陣的平均一致性指標(biāo)，其值見(jiàn)表1所示。

表1　平均一致性指標(biāo)RI[9]

1.2.3重要度排序

重要度排序旨在根據(jù)判斷矩陣獲得某層次元素相對(duì)于上一層中某一元素的相對(duì)重要性權(quán)重。實(shí)質(zhì)就是求取判斷矩陣對(duì)應(yīng)于最大特征值的特征向量，經(jīng)過(guò)歸一化處理，特征向量的分量即為權(quán)重。

2　多粒度再制造性綜合評(píng)價(jià)方法

復(fù)雜產(chǎn)品由于零部件個(gè)數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在進(jìn)行評(píng)價(jià)前，特別是細(xì)粒度評(píng)價(jià)時(shí)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行模塊劃分，將復(fù)雜產(chǎn)品劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的部件。

評(píng)價(jià)時(shí)，采用先粗后細(xì)逐層遞歸的方式進(jìn)行，直至處理完所有零部件。先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行粗粒度評(píng)價(jià)，粗粒度指數(shù)Sc定義如下：

(7)

式中：N為所劃分的模塊數(shù)，wi為權(quán)重，μi為式(1)～(6)中定義的粗粒度指標(biāo)值。粗粒度指標(biāo)值越大，再制造性越好，當(dāng)Sc大于所給的閾值，產(chǎn)品可進(jìn)行再制造，否則不可再制造。對(duì)于可再制造的產(chǎn)品，利用1.2節(jié)方法進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)粒度再制造性評(píng)價(jià)，識(shí)別出可再制造性差或較優(yōu)的零部件，反饋給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品再制造設(shè)計(jì)改進(jìn)。

3　應(yīng)用研究

選取某型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)[5]為例，該發(fā)動(dòng)機(jī)共有34個(gè)零件，再制造性評(píng)價(jià)相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。令產(chǎn)品模塊數(shù)為1，粗粒度指數(shù)閾值為0.5，應(yīng)用公式(7)計(jì)算再制造性粗粒度指數(shù)，過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3知Sc=0.645>0.5，表明該發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的可再制造性。因此，為提高該產(chǎn)品的再制造性潛能，進(jìn)行細(xì)粒度評(píng)價(jià)以獲得具體零件的可再制造性。

由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所包含的零件數(shù)目較多，形成的判斷矩陣規(guī)模過(guò)于龐大，根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)布局和功能將發(fā)動(dòng)機(jī)劃分為M1、M2、M3模塊，其中，涉及電氣設(shè)備的零部件分為模塊M1，外殼和與其他零部件的接觸不太緊密的零部件為模塊M2，將與動(dòng)力部分相關(guān)的尤其是氣缸內(nèi)外的零部件劃分為模塊M3，結(jié)果詳見(jiàn)表4。

以各模塊作為方案層元素，應(yīng)用層次分析法獲得判斷矩陣A1～A5，對(duì)應(yīng)的一致性比率CR分別為0.082 9、0.008 9、0.008 9、0.008 9、0.008 9，滿足一致性。A1描述可識(shí)別性指標(biāo)、可達(dá)性指標(biāo)、可抓取性指標(biāo)、耐磨性指標(biāo)在發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)粒度評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要性。通過(guò)對(duì)判斷矩陣的分析，耐磨性指數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)可再制造性評(píng)價(jià)中相對(duì)于其他指數(shù)的重要性最大。

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)

表3　可再制造性粗粒度指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4　各模塊包含的零部件

A2、A3、A4、A5分別描述M1、M2、M3相對(duì)于可識(shí)別性指標(biāo)、可達(dá)性指標(biāo)、可抓取指標(biāo)、耐磨性指標(biāo)中的相對(duì)重要性。

此處僅列出A1和A2，其他略去。

由上述判斷矩陣，獲得模塊M1、M2、M3的權(quán)重分別為0.163 8、0.297 3、0.539 0。可見(jiàn)，M3可再制造性最好，M1再制造性最差。為進(jìn)一步提高M(jìn)3的再制造性，應(yīng)用上述方法逐層遞歸地對(duì)部件M3中的各零部件進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5所示。數(shù)據(jù)顯示，活塞的可再制造性最好，其次是曲軸和凸輪軸。同樣，也可以對(duì)模塊M1進(jìn)行逐層遞歸分析，獲得影響再制造性的關(guān)鍵零件，通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)以提高產(chǎn)品的可再制造性。

表5　部件M3中各零部件的計(jì)算結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

為提高產(chǎn)品再制造性評(píng)價(jià)體系的完整性和評(píng)價(jià)效率，本文提出了多粒度綜合評(píng)價(jià)方法，該方法具有以下特點(diǎn)：

(1)根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品層次性和再制造過(guò)程構(gòu)建的多粒度可再制造性評(píng)價(jià)模型包括了影響產(chǎn)品再制造性的再制造過(guò)程因素和密切相關(guān)的產(chǎn)品特征屬性，使得評(píng)價(jià)體系更為完整。

(2)該方法從粗粒度和細(xì)粒度兩個(gè)層次對(duì)產(chǎn)品可再制造性進(jìn)行評(píng)價(jià)，粗粒度評(píng)價(jià)適用于產(chǎn)品和部件層，細(xì)粒度評(píng)價(jià)用于最小單元層，如果粗粒度評(píng)價(jià)判定該產(chǎn)品不可再制造，則無(wú)需進(jìn)行細(xì)粒度評(píng)價(jià)，簡(jiǎn)化了評(píng)價(jià)過(guò)程。

(3)該方法應(yīng)用實(shí)際和理論時(shí)間參數(shù)之比進(jìn)行粗粒度再制造性評(píng)估，用層次分析法進(jìn)行細(xì)粒度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過(guò)程簡(jiǎn)單，實(shí)踐中易于實(shí)施。

[1]DixitSB.Productdesign:aconceptualdevelopmentofproductremanufacturingindex[D].Florida:UniversityofSouthFlorida,2006.

[2]MabeeDG,BommebM,KeatWD.Designchartsforremanufacturingassessment[J].JournalofManufacturingSystems,1999,18(5):158-366.

[3]HammondR,BrasB.Designforremanufacturingmetrics[C].Proceedingsofthe1stInternationalWorkshoponReuse.Eindhoven，1996(11-13): 55-22.

[4]張國(guó)慶，荊學(xué)東，浦耿強(qiáng)，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可再制造性評(píng)價(jià)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005, 16(8):739-742.

[5]DuYanbin,CaoHuajun,LiuFei,etal.Anintegratedmethodforevaluatingtheremanufacturabilityofusedmachinetool[J].JournalofCleanerProduction,2012, 20(1):82-91.

[6]杜彥斌，廖蘭.基于失效特征的機(jī)械零部件可再制造度評(píng)價(jià)方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2015,21(1)：135-142.

[7]IjomathWL,McmahonCA,HammondGP,etal.Developmentofdesignforremanufacturingguidelinestosupportsustainablemanufacturing[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing, 2007,23(6):712-719.

[8]郭亞軍.綜合評(píng)價(jià)理論、方法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

(編輯李靜)

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見(jiàn)調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Multi-granularity remanufacturing comprehensive assessment method for complex products

ZHANG Xiufen, WANG Lei

(Mechanical College, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, CHN)

In order to improve the comprehensiveness of remanufacturing assessment, a multi-granularity remanufacturing assessment model is constructed based on the complex product’s hierarchy structure and the remanufacturing processes. The coarse granularity quantization formula is provided. And the coarse granularity remanufacturability assessment is performed for product or subassembly level. Due to the fine granularity is difficult to quantify, a fine granularity remanufacturability assessment based on the analytic hierarchy process(AHP) is proposed. And the fine granularity remanufacturability assessment is performed for part level. The remanufacturing assessment is performed by a step-by-step recursion method to improve the efficience of remanufacturing assessment. Finally, take the automobile engine as an example to validate the proposed method in this paper.

remanufacturability; assessment; analytic hierarchy process method

TH122

A

張秀芬，女，1981年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品再制造設(shè)計(jì)和可拆卸設(shè)計(jì)，已發(fā)表論文30余篇，SCI收錄3篇，EI收錄10篇，出版專著1部。

2015-06-30)

160119

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51205181;51565044);內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)中青年學(xué)術(shù)骨干培養(yǎng)計(jì)劃專項(xiàng)基金