面向再制造的产品设计体系研究_姚巨坤

面向再制造的产品设计体系研究*T he Research of Design System for Remanufacturing装甲兵工程学院(100072)　姚巨坤　朱胜　崔培枝【摘要】废旧产品的再制造性决定了产品能否进行再制造,而再制造性主要是在产品的设计阶段决定的。

通过面向再制造的产品设计研究,能显著地提高产品再制造的效益,最大限度地挖掘废旧产品中所蕴含的财富,实现资源的可持续发展战略。

本文提出了面向再制造的产品设计中的相关概念,并初步提出了产品设计阶段的再制造性研究内容和定性设计要求。

关键词　面向再制造的产品设计　再制造性　产品设计Keywords　desig n for rem anufacturing,r em anufacturability,pro duct design 随着环保法律的制定,再制造受到越来越多的关注,发达国家的一些大公司开始注重对废旧产品的回收和再制造,通过不断实践,认识到在产品设计阶段就考虑产品使用寿命到期后的再制造工程,可显著地提高再制造效益[1]。

一些学者也开始对再制造性进行研究,并建立了相关的评价方法[2,3]。

据相关资料,笔者初步探讨了面向再制造产品设计中的相关概念、再制造性设计的定量及定性分析等内容。

1　面向再制造产品设计的相关概念1.1　面向再制造的产品设计面向再制造的产品设计(Desig n for Remanufacturing)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时具有良好的再制造能力。

1.2　再制造性再制造性是产品本身的一种属性,是决定废旧产品进行再制造的前提,是再制造基础理论研究中的首要问题。

再制造性(Rem anufacturability)是面向再制造的产品设计中的重要内容,其定义可描述为:在规定的条件及时间内使用的产品退役后,综合考虑技术、环境等因素,通过再制造达到规定性能时,获取原产品价值的能力,记作R(a)。

由定义可知,同一产品在不同条件下的再制造性也不同,离开具体条件谈论再制造性是无意义的。

无论在原设计时是否考虑再制造性,它都客观存在,再制造性也会随时间而变化,且会随着再制造技术的发展而增大。

1.3　再制造度由于再制造性主要反映在产品价值的回收上,而产品的价值回收又是依据外界条件而变化的随机变量,因而可以用再制造度(Remanufacturing rate)作为再制造性的定量描述。

再制造度可以定义为:在规定的条件及时间内使用的产品退役后,综合考虑技术、环境等因素,通过再制造所能获得的纯利润与生成的再制造产品的价值的比率,表示为R(n)。

再制造度是再制造性的定量定义,可用下式表示: R(n)=C r+C e-C cC r+C e=1-C cC r+C e式中:C r——再制造产品本身价值;C e——再制造的环境效益价值;C c——再制造过程的总投入费用。

若再制造度是负值,说明再制造投入费用(C c)要大于再制造所获得的全部价值(C r+C e),显然再制造是亏本的。

但如果C c>C r,而再制造的环境效益价值C e较大时,也可以通过政府的资助进行再制造。

这时获得的主要是再制造的环保价值,政府是投资的主体,企业通过政府获得再制造补助而获利。

1.4　再制造性工程再制造性工程(Remanufactur ability engineering)是指为了达到产品的再制造性要求所进行的一系列设计、研制、生产、试验、维护等工作以及再制造实施前的再制造性评价工作。

再制造性工程是再制造学科体系中的重要分支,其目的是通过参与产品设计,生产出易于再制造的产品,并对再制造前废旧产品的再制造性进行评价,确定产品的最佳再制造方案[4]。

2　产品再制造性设计的内容 根据相关资料,产品再制造性的66.6%是在产品设计阶段确定的[5]。

因此,对产品进行正确的再制造性设计是保证产品再制造能力的重要环节。

产品再制造性设计的主要内容包括以下几个方面。

2.1　再制造性指标值的确定产品的再制造能力可通过再制造性指标值来衡量。

再制造性指标值是产品再制造性设计所要达到的目标。

恰当地提出和确定再制造性指标值是做好产品再制造性设计的关键环节,再制造性指标值过低,使废旧产品不具备再制造价值;但过高,又会过量增加成本。

所以产品再制造性指标值的选择必须根据产品的设计和使用要求,科学合理地确定。

再制造性指标值一般可以参照同类产品的再制造性指标值来确定;或者由产品的再制造性分析模型和再制造性预测方法来预测产品的再制造性指标值后确定。

在确定再制造性指标值时还必须考虑技术、环境、工艺等因素的影响和需要。

2.2　再制造性建模再制造性建模的目的是用模型来表达产品及各零部件再制造性以及再制造性与设计、再制造参数之间的关系,供再制造性分配、预计及验证使用。

再制造性模型可用于:再制造性分配,即把产品的再制造性指标值,分配给各个零部件,以便进行产品设计;再制造性预测和评定,即估计或确定设计可达到的再制造性水平,为再制造性的设计提供依据。

建立再制造性模型可参照图1程序进行:首先明确目的和要求,对分析对象进行描述,建立再制造性物理模型,指出对欲分析的参数有影响的因素,并确定其参数。

然后建立数学模型,通过收集数据和分析确定的参数比较,不断对模型进行修改完善,最终使模型固定下来并运用模型进行分析。

图1　建立再制造性模型的一般程序2.3　再制造性分配再制造性分配是指将确定的再制造性指标值按给定的准则分配给各组成部分而进行的工作。

再制造性分配是从大到小,由上到下的分解过程,其主要目的是明确各部分的再制造性要求或指标,以便通过设计实现这些指标,保证产品最终符合规定的再制造性要求。

再制造性分配要尽早开始,逐步深入,适时修正。

只有尽早开始分配,才能充分地权衡,进行更改和向更下层分配。

在产品论证中就需要进行分配,但这时的分配属于高层次的,比如把产品再制造费用性指标分配到各分系统和重要的零部件。

在初步设计中分配自然要深入一步,但由于产品设计与产品故障情况等信息仍有限,再制造费用性指标仍限于较高层次。

随着设计步步深入,分配也步步深入,直到各个可拆卸单元。

各单元的再制造性要求必须在详细设计之前确定下来,以便在设计中确定结构和连接方式等,避免设计结构与连接等影响再制造性。

2.4　再制造性预测再制造性预测是再制造性设计的重要内容,包括零件的再制造性预测和产品的再制造性预测。

再制造性预测是指根据历史经验和类似产品的数据等来估计、测算新产品在给定工作条件下的再制造性参数,以便了解设计满足再制造性要求的程度。

再制造性预测的目的是:协调设计参数及指标,提高产品的再制造性;对比产品设计方案,以选择最佳形式;预示再制造性薄弱环节,以采取改进措施。

设计过程中的再制造性预测要尽早开始,逐步深入,适时修正。

在产品方案论证及确认阶段,就要对满足使用要求的系统方案进行再制造性预测,评估这些方案满足再制造性要求的程度,作为选择方案的重要依据。

但这个阶段可供利用的数据有限,不确定因素较多,主要是利用相似产品的数据进行预测,较粗略。

在设计初始阶段,需要针对已做出的设计,预测相关再制造性指标,并做出是否符合要求的评判。

此时由于有更多的系统信息,预测会更精确。

随着设计的深入,有了产品详细的功能方框图和装配方案,就可以进行更为详细而准确的预测。

在产品设计方案更改时,要及时做出预测,以评估其是否会对再制造性产生不利影响以及产生影响的程度。

2.5　再制造性分析与权衡再制造性分析与权衡是一项内容相当广泛的、关键性的再制造性工作,它包括产品设计过程中对产品需求、约束、研究与设计等各种信息进行的反复分析、权衡,并将这些信息转化为详细的设计手段或途径,以便为设计与保障决策提供依据。

再制造性分析的目的可概括为以下几方面:确立再制造性设计准则,为设计决策创造条件,为保障决策(确定再制造策略和保障资源等)创造条件,考察并证实产品设计是否符合再制造性设计要求。

图2　再制造性分析示意图由图2可知,再制造性分析的信息输入来自于订购方、承制方、再制造方,其中再制造方主要提供类似产品的再制造性相关数据以及再制造案例。

通过各种分析,选择确定产品的设计准则、再制造方案、计划及相关技术文件。

由此可见,再制造性分析好比整个再制造性工作的“中央处理机”,它把来自各方的信息经过处理转化,提供给各个所需方面(设计、制造、保障及再制造)。

2.6　再制造性试验与评定新设计产品的再制造性是否满足使用要求,只有通过再制造实践才能真正检验。

再制造性试验与评定是用较短时间、较少费用及时进行检验产品再制造性的良好途径。

再制造性试验的目的是:考核产品的再制造性,确定其是否满足规定要求;发现和鉴别有关再制造性的设计缺陷,以便采取纠正措施,实现再制造性增长。

此外,在再制造性试验与评定的同时,还可对有关再制造的各种保障要素(如再制造计划、备件、工具、设备、技术资料等资源)进行评价。

为了提高试验费用效益,再制造性试验与评定一般应与功能试验、可靠性试验及维修性试验结合进行。

必要时,也可单独进行。

3　再制造性的定量要求 参照再制造全过程中各工艺步骤的要求,可以初步建立再制造性定性要求的一般准则[6]。

3.1　易于运输性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、完好地运送到再制造工厂,保证废旧产品的质量和数量。

例如对于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;尽量减少产品突出部分,避免在运输时碰坏,并节约贮存面积;考虑废旧产品包装的经济性,并减少污染。

3.2　易于拆解性再制造的拆解不同于再循环,应尽量减少拆解过程中造成的零件损坏和提高拆解效率。

例如减少接头的数量和类型,减少拆解深度,避免使用永固性接头;注意协调好拆解效率和再制造费用的关系,例如卡销类连接虽然可减少拆解装配时间,但一旦损坏,则整个零件都将报废,增加再制造费用。

因此对于容易损坏的接头还应考虑使用经济实用的螺钉类连接。

3.3　易于分类性零件分类的效率,不但直接影响到再制造产品质量,而且可明显地降低再制造周期和费用。

为了使拆解后的零件易于分类,设计时要优先采用标准化零件,减少零件种类;并加强零件标识和类别特征以便于分类,节约分类时间。

3.4　易于清洗性易于清洗的零件可以显著地提高再制造的经济性和环保性。

清洗液可达性是零件清洗难易的关键。

另外,设计时应使产品表面特征易清洗,例如采用规则表面以及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。

3.5　易于修复(升级)性再制造费用依赖于零部件的再利用率,设计时要增加零部件的可靠性,采用科学的寿命设计,减少材料和结构的腐蚀、磨损和断裂;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。