宋守許 邱 權(quán) 卜 建 柯慶鏑
合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,合肥,230009
再制造設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品能否再制造、再制造性優(yōu)劣以及再制造效益高低的主要手段。姚巨坤等[1]提出了面向再制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品梯度壽命設(shè)計(jì)理論、再制造性設(shè)計(jì)與評價(jià)理論、產(chǎn)品再制造工程設(shè)計(jì)理論,研究了面向再制造的產(chǎn)品材料設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)等再制造設(shè)計(jì)的新內(nèi)容;杜彥斌等[2]在對機(jī)械零部件失效過程及再制造過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,建立了基于失效特征的機(jī)械零部件可再制造度綜合評價(jià)方法;TEUNTER等[3]分析了質(zhì)量的不確定性對再制造成本的影響;YANG等[4]將材料選擇納入再制造考慮范疇,開發(fā)了一套與汽車再制造相關(guān)的材料評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并提出了一種多準(zhǔn)則決策技術(shù),用于評價(jià)和比較候選材料對再制造的影響。以上研究均是針對失效報(bào)廢后的產(chǎn)品,屬于“被動(dòng)再制造”,難以解決再制造毛坯失效時(shí)間和失效狀態(tài)不確定而引起的再制造不確定性問題。
主動(dòng)再制造是以產(chǎn)品全生命周期理論為指導(dǎo),以產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)跨越式提升為目標(biāo),以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則,對正在使用的同一設(shè)計(jì)方案、同一批次生產(chǎn)的產(chǎn)品在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)主動(dòng)實(shí)施再制造的工程活動(dòng)[5]。主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)[6]是指在設(shè)計(jì)階段中考慮對產(chǎn)品實(shí)施主動(dòng)再制造,在各設(shè)計(jì)層次(產(chǎn)品、零件、結(jié)構(gòu))上對設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的過程。劉濤等[7]提出了面向主動(dòng)再制造的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)流程;文獻(xiàn)[8-10]針對結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)、零件層設(shè)計(jì)和產(chǎn)品層設(shè)計(jì),分別提出了基于冗余強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)功能梯度和壽命匹配的主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[11]提出了結(jié)構(gòu)耦合矩陣的概念,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了零件整體性能的提升。以上研究均未考慮由產(chǎn)品與各關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的差異性導(dǎo)致的產(chǎn)品再制造價(jià)值不高的問題。
主動(dòng)再制造面向的是產(chǎn)品,再制造對象為產(chǎn)品關(guān)鍵零件。當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)時(shí),其關(guān)鍵零件可能處于兩種狀態(tài):①關(guān)鍵零件已超出其主動(dòng)再制造時(shí)機(jī),不適合再制造,即“滯后再制造”;②關(guān)鍵零件還未達(dá)到其主動(dòng)再制造時(shí)機(jī),還具有很高的服役價(jià)值,即“提前再制造”。關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的“滯后性”和“提前性”是導(dǎo)致產(chǎn)品再制造價(jià)值不高的主要原因。
本文根據(jù)產(chǎn)品與各關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的差異性,以產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)為基準(zhǔn),進(jìn)行關(guān)鍵零件和產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的匹配,以提升產(chǎn)品的再制造價(jià)值。
產(chǎn)品是由多個(gè)零件組成的系統(tǒng),零件按對產(chǎn)品服役特性的影響程度,可以分為關(guān)鍵零件和一般零件,關(guān)鍵零件的服役價(jià)值和再制造價(jià)值均高于一般零件,所以產(chǎn)品的主動(dòng)再制造具有關(guān)鍵零件優(yōu)先性。關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)由其服役特性決定。疲勞破環(huán)和磨損是機(jī)械零件的主要失效形式,目前的再制造技術(shù)認(rèn)為通過再制造,磨損可以完全修復(fù),但疲勞損傷不能消除,而且疲勞損傷還會(huì)產(chǎn)生累積,當(dāng)剩余疲勞強(qiáng)度不足以支撐下一個(gè)生命周期時(shí),零部件不適合再制造。本文以疲勞強(qiáng)度冗余因子[8]隨服役時(shí)間的變化為關(guān)鍵零件服役特性的量化指標(biāo),確定關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī),疲勞強(qiáng)度冗余因子
式中,D0為在設(shè)計(jì)階段疲勞強(qiáng)度的最大允許損傷量;D(t)為服役時(shí)間t后的疲勞強(qiáng)度損傷量;H(t)為再制造后能恢復(fù)的疲勞強(qiáng)度量;D1為每運(yùn)行一個(gè)壽命周期的疲勞強(qiáng)度損傷量;N為當(dāng)前載荷水平下零部件的疲勞壽命;n為t時(shí)刻對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
根據(jù)疲勞強(qiáng)度冗余因子r≥1.25[8],認(rèn)為當(dāng)零件的疲勞強(qiáng)度冗余因子下降至1.25時(shí)關(guān)鍵零件應(yīng)進(jìn)行再制造,并以此時(shí)關(guān)鍵零件所受應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的量化指標(biāo),則關(guān)鍵零件Ci的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)Li可以表示為
式中,Ni為關(guān)鍵零件Ci在當(dāng)前載荷水平下的疲勞壽命。
壽命匹配是針對產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與各關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的差異性,以產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)為匹配基準(zhǔn),將各關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)進(jìn)行等值或倍數(shù)匹配的過程。當(dāng)產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí),主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與產(chǎn)品相同的關(guān)鍵零件也同時(shí)進(jìn)行再制造,而與產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)成倍數(shù)關(guān)系的關(guān)鍵零件則只需拆卸后重裝,無需再制造,從而在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下,使產(chǎn)品具有較高的再制造價(jià)值并提升產(chǎn)品再制造的經(jīng)濟(jì)效益。
壽命匹配函數(shù)是指在產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)確定的條件下,建立的一組通過改變特征結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī),以完成壽命匹配的關(guān)系式。
壽命匹配函數(shù)的建立基于關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)映射關(guān)系的確定,在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)優(yōu)化特征結(jié)構(gòu)參數(shù),當(dāng)關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)成等值或倍數(shù)關(guān)系時(shí),即完成壽命匹配。
(1)計(jì)算壽命匹配因子。壽命匹配因子ni是指在特征結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)參數(shù)下,關(guān)鍵零件Ci的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)L0的比值圓整后的正整數(shù)(若ni<1則按向上圓整,若ni>1則按四舍五入法圓整)。產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)L0可以通過現(xiàn)場調(diào)研、失效統(tǒng)計(jì)分析、在線監(jiān)測和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等主動(dòng)再制造決策手段,綜合分析產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的服役性能以及再制造的環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性等因素來確定。特征結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)參數(shù)下的關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)可以根據(jù)式(2)并結(jié)合有限元仿真來確定。
(2)建立關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系。設(shè)產(chǎn)品的關(guān)鍵零件集為,關(guān)鍵零件Ci的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)集為(i=1,2,…,m),則各關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)Li與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系fi可以表示為
為量化關(guān)鍵零件的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系,以特征結(jié)構(gòu)參數(shù)為試驗(yàn)因素,關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)為試驗(yàn)指標(biāo),在特征結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)選取合適的水平進(jìn)行正交試驗(yàn)??紤]因素之間的交互作用,將試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行函數(shù)擬合,并根據(jù)擬合優(yōu)度選取合適的擬合函數(shù)。
(3)建立壽命匹配函數(shù)。由上述壽命匹配因子的計(jì)算、關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)映射關(guān)系的確定和各特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍,可以建立關(guān)鍵零件Ci的壽命匹配函數(shù):
根據(jù)壽命匹配函數(shù),當(dāng)Fi=0,即Li/L0=ni時(shí),表示關(guān)鍵零件Ci的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)成ni倍關(guān)系,即完成壽命匹配。
各關(guān)鍵零件特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化可能會(huì)引起產(chǎn)品服役特性的改變,造成產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的變化,從而使關(guān)鍵零件與產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的匹配成為動(dòng)態(tài)匹配過程。由此,壽命匹配函數(shù)的建立基于以下兩個(gè)基本假設(shè):①在各關(guān)鍵零件特征結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi),改變特征結(jié)構(gòu)參數(shù)對產(chǎn)品服役特性的影響不大,即產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)不發(fā)生改變;②壽命匹配函數(shù)在特征結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)至少存在一組零點(diǎn)。
基于壽命匹配函數(shù)的主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)是指通過求解壽命匹配函數(shù)的零點(diǎn),以其中最接近初始設(shè)計(jì)參數(shù)的一組特征結(jié)構(gòu)參數(shù)作為關(guān)鍵零件特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的匹配。主要設(shè)計(jì)流程如下。
(1)通過現(xiàn)場調(diào)研、失效統(tǒng)計(jì)分析、在線監(jiān)測和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等手段對產(chǎn)品進(jìn)行主動(dòng)再制造決策,確定產(chǎn)品的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)。
(2)收集產(chǎn)品關(guān)鍵零件的特征結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息,結(jié)合有限元仿真和關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的確定方法,由初始設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算關(guān)鍵零件的壽命匹配因子;在關(guān)鍵零件特征結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)選取合適的水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),建立關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系。
(3)建立壽命匹配函數(shù),并求解壽命匹配函數(shù)的零點(diǎn),將其中最接近初始設(shè)計(jì)參數(shù)的一組特征結(jié)構(gòu)參數(shù)作為關(guān)鍵零件特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值。
基于壽命匹配函數(shù)的主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)的具體流程見圖1。
圖1 基于壽命匹配函數(shù)的主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow of predecisional remanufacturing based on life matching function
本文以某型號柴油機(jī)為例,選取其關(guān)鍵零件曲軸(材料為42CrMoA,彈性模量為206GPa,泊松比為0.3)進(jìn)行壽命匹配,以驗(yàn)證該方法的有效性和可行性。通過失效統(tǒng)計(jì)分析,該曲軸的特征結(jié)構(gòu)為主軸頸、連桿軸頸、軸頸與曲柄臂過渡圓角(簡稱“軸頸圓角”)和油孔。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),該型號柴油機(jī)曲軸特征結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)值及其設(shè)計(jì)范圍見表1。
表1 曲軸特征結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍Tab.1 Design range of characteristic parameters of crankshaft mm
曲軸的壽命匹配因子是在特征結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)參數(shù)下,將曲軸主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的比值圓整后的值。由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),該型號柴油機(jī)的大修里程約為34萬km,所以本文以L0=34萬km為該柴油機(jī)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)。為計(jì)算曲軸的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī),對該曲軸進(jìn)行有限元仿真分析,以曲軸一個(gè)循環(huán)(720°)的應(yīng)力作為載荷序列,將應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe進(jìn)行疲勞分析,采取應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表征曲軸的疲勞壽命。曲軸在特征結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)參數(shù)下的三維建模仿真結(jié)果見圖2。
圖2 初始設(shè)計(jì)參數(shù)下曲軸壽命云圖Fig.2 The life nephogram of crankshaft under initial design parameters
由壽命云圖可知,該曲軸在特征結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)參數(shù)下的疲勞壽命N=108.902次。由式(2)可得曲軸的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)L=N/(r+1)=108.902/2.25=3.546×108次,即當(dāng)曲軸所受應(yīng)力循環(huán)3.546×108次時(shí)需要再制造。假設(shè)機(jī)動(dòng)車的行駛速度為80 km/h,由曲軸的額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min得機(jī)動(dòng)車每行駛一千米曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)750轉(zhuǎn),則曲軸在特征結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)參數(shù)下的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)L=2×3.546×108/750=94.6萬千米,所以曲軸的壽命匹配因子n=[L/L0]=[94.6/34]=3,其中,[]表示按四舍五入法圓整。由此,曲軸的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)3L0=102萬千米,此時(shí)才能與柴油機(jī)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)倍數(shù)匹配。
以該曲軸的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)(主軸頸直徑、連桿軸頸直徑、軸頸圓角半徑和油孔直徑)為試驗(yàn)因素,在各特征結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)選取5個(gè)水平,分別對不同特征結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的曲軸進(jìn)行上述仿真分析,得到不同特征結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下曲軸的疲勞壽命,由式(2)計(jì)算出不同特征結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下曲軸的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī),并用機(jī)動(dòng)車?yán)锍虜?shù)表示。選取正交表L25(56)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。
將表2數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中,采用多元非線性回歸與最小二乘法進(jìn)行函數(shù)擬合,為簡化計(jì)算,本實(shí)例只考慮對試驗(yàn)指標(biāo)影響最大的因素與其他因素之間的交互作用,為防止擬合函數(shù)階的誤設(shè)和擬合階數(shù)過高產(chǎn)生振蕩,本實(shí)例只采用一次、二次回歸模型進(jìn)行擬合,并分別進(jìn)行殘差分析,選擇最優(yōu)的擬合函數(shù)。一次、二次回歸模型分別為
式中,ai(i=0,1,…,7)和bj(j=0,1,…,11)為回歸系數(shù)。
由表2數(shù)據(jù)擬合后的關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系及檢驗(yàn)回歸模型的統(tǒng)計(jì)量見表3,分別對兩回歸模型進(jìn)行殘差分析,殘差圖見圖3、圖4。
表2 曲軸主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)映射關(guān)系的正交試驗(yàn)Tab.2 Orthogonal test of the relationship between crankshaft predecisional remanufacturing timing and characteristic structural parameters
根據(jù)表3檢驗(yàn)回歸模型的統(tǒng)計(jì)量,用一次、二次回歸模型擬合的相關(guān)系數(shù)均為1,擬合度均較好,但二次回歸模型的殘差方差遠(yuǎn)小于一次回歸模型,所以選取二次回歸擬合函數(shù)作為本例曲軸的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)映射模型的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)二次回歸模型的殘差圖,剔除異常數(shù)據(jù)后擬合的二次函數(shù)關(guān)系為
表3 回歸函數(shù)及檢驗(yàn)回歸模型的統(tǒng)計(jì)量Tab.3 Regression function and statistic of test regression model
圖3 一次回歸模型殘差圖Fig.3 Residual plot of one-order-regress model
圖4 二次回歸模型殘差圖Fig.4 Residual plot of quadric polynomial regression model
根據(jù)柴油機(jī)曲軸的壽命匹配因子、曲軸主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系和各特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍,建立曲軸的壽命匹配函數(shù):通過MATLAB程序,可求得壽命匹配函數(shù)的零點(diǎn),最接近初始設(shè)計(jì)參數(shù)的一組特征結(jié)構(gòu)參數(shù)為:S1=90 mm,S2=78.5 mm,S3=5.0 mm,S4=9.0 mm。只要在設(shè)計(jì)階段將曲軸的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)取上述值,就可以使其主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)為柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的3倍,假設(shè)該柴油機(jī)可再制造3次,且每次再制造后的服役周期相同,則在該柴油機(jī)第3次再制造時(shí),曲軸才需再制造,增加了該柴油機(jī)的再制造價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
(1)本文以疲勞強(qiáng)度冗余因子隨服役時(shí)間的變化為關(guān)鍵零件服役特性的量化指標(biāo),從疲勞強(qiáng)度角度確定關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)。
(2)提出了產(chǎn)品與關(guān)鍵零件兩者主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)匹配思想,建立了壽命匹配函數(shù),提出了基于壽命匹配函數(shù)的主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)方法,為解決關(guān)鍵零件“提前再制造”或“滯后再制造”導(dǎo)致的產(chǎn)品再制造價(jià)值不高的問題提供了初步解決方法。
(3)以某型號柴油機(jī)為例,對其曲軸進(jìn)行壽命匹配,建立了該曲軸的壽命匹配函數(shù),通過求解壽命匹配函數(shù)零點(diǎn),得出了滿足要求的一組特征結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了曲軸與柴油機(jī)主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的倍數(shù)匹配。
(4)本文方法具有普適性,但對不同的關(guān)鍵零件需建立相應(yīng)的壽命匹配函數(shù)。局限性在于計(jì)算關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)時(shí)只考慮了疲勞強(qiáng)度,進(jìn)行產(chǎn)品與關(guān)鍵零件主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)的匹配還存在誤差。