（机械电子工程专业论文）基于绿色制造的产品可再制造性评价决策系统.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 作为一种节能、节材、环保的新兴产业，再制造工程利用先进的制造技术和修 复技术，缓解资源浪费和短缺的矛盾，最大程度降低了废旧产品对环境的危害，进 而优化产品全生命周期的利用水平，实现经济的可持续发展。 产品的可再制造性，包含了三个层面，技术上的可行性，经济上的效益性，环 境上的绿色性。本研究从产品的全生命周期三个阶段，即设计阶段、制造阶段、再 制造阶段，结合上述三个方面对产品可再制造性进行评价。 首先，分析产品可再制造性的各个影响因素，选取目的明确、切实可行的指标， 并提出其量化计算公式。 其次，确定指标之间的层次和结构，确定权重，得到评价指标体系。 再次，在指标体系已建立的基础上，运用合适的评价方法，最终形成系统的产 品可再制造性评价策略。 最后，基于所提出的评价体系及方法，提出基于绿色制造的产品可再制造性决 策模型及其体系结构，开发其原型系统。并以汽车发动机再制造为应用背景，进行 实例分析。 研究结果表明：本研究通过对发动机可再制造性的实例分析，可以印证发动机 具有良好可再制造性的客观事实，同时也反映了本研究丌发的产品可再制造性评价 决策系统有着一定的适用性和准确度。 关键词：可再制造性绿色制造评价方法决策支持系统 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s tr a c t a sa n 锄咖g i n d u s t r yt op r o t e c te n v i r o n m e n ta n dc o n s e r v ee n e r g ya n dm a t e r i a l s ， r e - m a n u f a c t u r i n gp r o j e c tm a k e su s eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fm a n u f a c t u r i n g a n d r e p a i rt oa l l e v i a t et h ew a s t ea n ds h o r t a g eo f r e s o u r c e s t om a x i m u md e g r e e ，i tc a nr e d u c e h a r mt h a tw a s t ep r o d u c t sd ot ot h ee n v i r o n m e n tt h u so p t i m i z i n gt h el e v e lo fu t i l i z a t i o no f t h ep r o d u c t1 i f ec y c l et oa c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y p r o d u c tc a nb er e - m a n u f a c t u r i n g ，i n c l u d i n gt h r e el e v e l s ：f e a s i b l et e c h n o l o g y , e f f i c i e n te c o n o m ya n dg r e e ne n v i r o n m e n t t h i ss t u d ym a k e s a s s e s s m e n to fr e - m a n u f a c t u r a b i l i t yo fp r o d u c t s ，f r o mt h ep e r s p e c t i v e so f t h r e es t a g e so ft h ew h o l el i f e c y c l e ：d e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，a n dr e m a n u f a c t u r i n g f i r s t ，i ta n a l y s e sv a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gr e m a n u f a c t u r a b i l i t yo fp r o d u c tt o s e l e c t p r a c t i c a li n d i c a t o r sw i t hc l e a rp u r p o s ea n dp r o p o s et h e i rq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nf o r m u l a s s e c o n d l y , i td e t e r m i n e st h el e v e la n ds t r u c t u r eo ft h ei n d i c a t o r sa n di d e n t i f i e sw h i c hi s m o r ei m p o r t a n tt oa t t a i nt h es y s t e mo f i n d i c a t o ra s s e s s m e n t t h i r d l y , o nt h eb a s i so ft h e e s t a b l i s h e di n d i c a t o rs y s t e m ，i ta p p l i e sa p p r o p r i a t ea s s e s s m e n tm e t h o d st ou l t i m a t e l yf o r m e v a l u a t i o ns t r a t e g yo fr e m a n u f a c t u r a b i l i t yo fp r o d u c t si nt h es y s t e m f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h e p r o p o s e d e v a l u a t i o n s y s t e m a n dm e t h o d ，i t p u tf o r w a r d s r e m a n u f a c t u r a b l e d e c i s i o n m a k i n gm o d e la n ds t r u c t u r eb a s e do nt h eg r e e n - m a n u f a c t u r i n gp r o d u c t sa n d e x p l o i t si t sp r o t o t y p es y s t e m i na d d i t i o n ，i tm a k e sc a s es t u d i e su n d e r t h eb a c k g r o u n do f t h ea u t o m o b i l ee n g i n er e m a n u f a c t u r i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h i ss t u d y , t h r o u g ht h ec a s es t u d i e s o fe n g i n e s r e m a n u f a c t u r a b i l i t y , i t v e r i f i e st h e o b j e c t i v e f a c t t h a tt h ee n g i n ec a nb ew e l l r e m a n u f a c t u r i n g i t a l s or e f l e c t st h a te v a l u a t i o no fd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mo ft h e r e m a n u f a c t u r a b l ep r o d u c t sd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c hc a nb ea p p l i c a b l ea n da c c u r a t et oa c e n a i ne x t e n t k e yw o r d s ：r e m a n u f a c t u r a b i l i t y ；g r e e nm a n u f a c t u r i n g ；a s s e s s m e n t m e t h o d s ； d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题来源、研究目的及意义 进入2 1 世纪以来，一方面随着科学技术的不断进步，全球经济的飞速发 展以及人口的快速增长，人类消耗了大量的自然资源，对环境造成了不可修 复的严重破坏。另一方面随着人们生活水平的提高，消费者对产品多样化和 个性化的要求越来越高，由此导致产品生命周期同渐缩短，更新换代速度加 快，被人们淘汰和废弃的产品也越来越多。截止上个世纪末，地球上已经灭 绝的动植物达到了1 0 0 万种之多。据不完全统计，这些后果的直接原因实际 上就是我们人类往大自然中排放的污染物，包括废气，废水以及一些废弃的 固体污染物，而这些污染物的7 0 主要是来自于我们的制造业。与此同时， 人们的环保意识不断增强，环保法规同益完善，许多国家开始要求生产企业 对产品生命周期全过程负责，尤其是废旧产品的回收处理。随着全球经济转 型以及我国可持续发展政策的不断深化，如何使制造业尽可能较少的产生环 境污染，实现可持续发展，是当前研究的一个重要问题。于是，绿色制造这 一全新的概念便被提出来了。 绿色制造是一个闭环系统，是一种综合考虑环境影响和资源消耗的现代 制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、使用到报废处理的整个生 命周期中，对环境负面影响小、资源利用率高、综合效益大，使企业经济效 益与社会效益得到协调优化。同时，改善了以往终端处理的方法，真正的从 生产初期考虑环境因素，并且将产品的基本属性纳入考虑范围，一方面使产 品能够满足环境目标的要求，同时，还保证了产品应有的基本性能、使用寿 命、质量等。 传统的制造模式则是一个开环系统，即原料一工业生产一产品使用一报 废一二次原料资源，如图1 1 所示 图卜1传统制造模式 f i g 1 1 t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u ri n gm o d e i 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 重庆大学的刘飞教授给绿色制造下的定义是：绿色制造技术是指在保证 产品的功能、质量和成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制 造模式，它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环 境污染或者环境污染最小化，符合环境保护的要求，对生态环境无害或危害 极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低旧1 。 传统的工业经济是一种链式的生产模式，即：丌发资源一制造产品一排 放废物。而循环经济则是一种循环往复的闭环模式，它的定义是基于3 r 原 则的，即：( 1 ) 资源利用的减量化( r e d u c e ) 原则，t ( 2 ) 产品生产的再使用( r e u s e ) 原则；( 3 ) 废弃物的再循环( r e c y c l e ) 原则 1 。 近年来，再制造技术这个概念逐渐被引入了制造行业中。再制造是绿色 制造的重要组成，是维修的高技术发展，也是实现绿色制造的重要技术手段 和方法。再制造后的产品质量和性能能够达到或超过新品，成本却只是新品 的5 0 ，节能6 0 ，节材7 0 ，对环境的不良影响显著降低【4 1 ，是具有重大 实用价值和优质、高效、低成本、少污染的绿色技术，也是2 1 世纪可持续发 展的新技术，能够一定程度上形成新的行业，从而产生巨大的经济效益和社 会效益。 本课题受校博士基金重点项目“面向产品生命周期的可再制造性评价方 法研究( 项目编号：0 9 z x 7 10 3 ) ”的资助。分析了产品的整个生命周期和其再 制造的工艺流程，并在此基础上找出影响产品可再制造性的因素，采用系统 评价的方法，从技术、经济、环境三个层面，设计、制造、再制造三个阶段 列出其评价指标及量化计算公式，建立起产品可再制造性的评价体系，进而 开发出决策支持原型系统，并做出了相应的实例分析。 对某个产品或者某类产品进行再制造的前提，就是要首先判断该产品是 否具有可再制造价值，正确有效地评价该产品在其生命周期结束时的可再制 造性，不但可以评判产品是否值得再制造和再制造的可行性度，同时可以为 产品设计者提供有效的帮助，在制定设计方案时就考虑产品的可再制造性。 通过建立完整的评估体系，开发可再制造性评价决策支持系统，可以为有关 部门、企业实施再制造提供了一个辅助决策的工具。 1 2 理论背景 1 2 1 再制造的基本概念 再制造是一种对废旧产品实施高技术修复和改造的产业，它针对的是损 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 坏或行将报废的零部件，在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上，进行 再制造工程设计，采用一系列相关的先进制造技术，使再制造产品质量达到 或超过新品。 再制造不仅仅是产品级的再制造，也还包括对零部件及其组成模块的再 制造。零件级的再制造就是指对某个零件利用再制造的相关技术手段，进行 表面处理，尺寸恢复等，使其达到新品零件的性能，又可称为零件的再制造 加工。但对于废旧产品的再制造，并不是所有的零件都适合于再制造，一部 分零件由于老化，达到疲劳寿命等原因而无法再制造，这类零件有回收价值 的部分可通过再循环降级为原材料，其余无法再循环的部分则进行环保废弃 处理；另一部分零件在产品报废时仍然保持原有的性能，可以不经过再制造 加工而直接再利用。 产品的可再制造性是与产品再制造最为密切的特性，是直接表征产品再 制造能力大小的本质属性。可再制造性是由产品设计所赋予，可再制造性越 好，再制造费用就越低、对节能、节材、保护环境的贡献就越大。 可再制造性是产品本身的一种固有属性，无论在设计或制造时是否考虑 进去，都是客观存在的。为了更深入地研究产品的可再制造性，可以将其分 为绝对可再制造性与相对可再制造性。绝对可再制造性体现的是产品自身的 本质属性，不因外界环境条件的改变而改变；而相对可再制造性在不同的生 产条件、技术条件、工艺流程下，同一种产品的可再制造性是不同的。这两 种可再制造性的区别在于评价度量方式的不同，在实际评价中，一般采用相 对可再制造性。 1 2 2 再制造的过程 回顾前面提到的再制造的基本概念，我们能够发现，再制造主要包括以 下几个方面：首先是再制造加工，也就是把废旧零部件作废成为原材料，采 用一般的再制造加工技术和加工工艺，使其恢复或者超越原有新品的功能； 其次，对于技术淘汰的零部件，可以采取一定的技术达到性能升级，以便提 高产品各方面的性能以及改善其技术指标；然后，可以适当采用新技术改造 原有的产品结构，添加新功能，从而提升产品价值，完善和弥补产品缺陷。 综上所述，再制造的过程如图卜2 所示： 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 废旧产品 厂 i 零件可再制造性评估 图卜2 再制造流程图 fig 1 2r e m a n u f a c t u rin gp r o c e s s 1 2 3 再制造的内涵 再制造是以产品全生命周期设计和管理为指导，以废旧产品实现性能跨 越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和 产业化生产为手段，对废旧机电产品进行修复和改造的一系列技术措施或工 程活动的总称。 传统的产品生命周期是“研制一使用一报废”的一个开环系统，而理想 的绿色产品生命周期是“研制一使用一再生”的闭环系统，即实现产品“从 摇篮到坟墓”转变为“从摇篮到摇篮”，如图1 3 所示： 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 图卜3 产品全生命j 习期 f i g 1 3 l i f ec y c i eo fp r o d u c t 从图1 3 中可以看到再制造在产品生命周期中所处的位置，同时，与其 处于同一地位的还有再循环。再循环是通过粉碎、分解、燃烧等技术手段将 产品降级为原材料，同时之h , jn 造产品时注入的附加价值会丢失。而再制造 是将废旧零部件作为毛坯，利用高新技术进行加工处理，以便最大限度地获 取废旧产品中蕴含的附加值。大多数零部件可直接再利用或者再制造后重新 使用，这也是废旧产品资源化的一种最佳形式h l 。 再制造不同于一般意义上的产品维修。产品维修一般情况下更换零部件， 偶尔会修复单个或者小批量的零部件，整个过程设备和技术相对比较落后， 难以实现批量生产。而再制造是规模化、专业化、批量化的生产，将已报废 或将要报废的零部件作为对象，对其进行性能失效分析、寿命评估等分析， 采用一系列相关的先进制造技术，使再制造产品质量达到或超过新品。采用 现代生产管理方式以及先进的生产技术，包括表面工程技术、先进的检测和 寿命评估技术。 再制造是绿色制造的有机组成部分，在一定程度上与制造有类似之处， 但也有许多不同点。制造是生产新产品的过程，采用的对象是原材料以及毛 坯，主要通过机械加工的方法完成新零件的生产；而再制造是利用退役的废 旧产品，进行一系列的修复活动，采用的技术手段除了传统的机械加工方法 外，还包括表面工程技术、拆卸技术、清沈技术等。 再制造与制造、维修、再循环的异同见表1 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 表1 1再制造与制造、维修、再循环关系 t a b 1 1r e l a t i o n s h ipo fr e m a n u f a c t u r e m a in t a n c ea n dr e c y c i e 1 3 国内外研究现状 波士顿大学的r o b e r tt l u n d 教授于1 9 8 4 年发表文献 2 1 ，是最早以学术 论文的形式提出再制造的学者之一。该文献分析了再制造的各个阶段，着重 于拆卸、检查、修复、再装配和耐用性测试，表明了不但再制造的成本较低， 而且在其他方面能够达到甚至超过新品。这份报告说明再制造在经济上的可 行性。 在国内，则是中国工程院院士徐滨士首先提出的再制造这一概念，以其 2 0 0 0 年发表的文章2 1 世纪再制造工程为标志，再制造在中国才有了系统 化理论化的研究。该文章阐述了再制造工程诞生的背景，先进制造技术和再 制造技术的应用，以及对再制造工程的展望，提出拟将寿命评估技术、再制 造成形技术等列入先进制造技术发展前沿和国家自然科学基金项目。一个优 质、高效、低耗的绿色再制造工程f 在我国兴起。 世界发达国家都对再制造工程技术高度重视，无论是在理论研究方面还 是产业化方面都取得了一定的成果。我国的再制造工程研究已经起步，目前 国内已经有许多单位正在进行再制造领域的研究。目前对于再制造技术层面 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 的研究已经较多，而策略管理层面的研究还较少。产品可再制造性的评价方 法的研究在国内也还是近几年才开始。而发达国家由于起步较早，在9 0 年代 已有关于产品可再制造性评价方法的研究。 文献【8 】将可再制造性的印象因素分为生态因素、法律因素和经济因素， 提出了面向可再制造性设计的几项准则，即有利于拆卸、有利于清洗、有利 于检测、有利于替换、有利于再装配以及标准化设计。具体针对汽车车门， 按照面向可再制造性设计的准则，列出了增强其可再制造性的各项要求，包 括材料、拆卸方法、紧固件、清洗、替换、模块化设计等。该文章提出了影 响产品可再制造性的一些具体指标，为以后评价方法的研究奠定了基础。 乔治亚理工学院的b e r tb r a s 和r i c kh a m m o n d 在文献 9 中提出了一套可 再制造性的评价方法，提出了关键零件、理想零件的概念，并针对照相机进 行实证研究，是早期关于可再制造性评价的一篇典型文章。 文献 1 0 是我国最早一篇关于产品可再制造性评价的文章，针对再制造 工艺流程，主要以时间为衡量手段，以发动机为应用背景，做出了一个系统 化的评价模型。 综上所述，目前对于再制造技术、再制造工艺的研究较多。然而对于与 其紧密相关的再制造回收物流，产品的可再制造性评价研究依然较少。而对 于可再制造性评价，也停留于再制造工艺流程的研究，没有针对产品整个生 命周期系统化的建立评价模型，其评价模型也偏重于技术性方面，经济性模 型的研究还不够深入，如何实现评价模型对决策模型的支持也未有涉及。 1 4 研究方法和技术路线 评价的依据就是指标，影响产品可再制造性的因素是众多而复杂的，需 要将反映可再制造性的多项指标加以汇集，从整体上来反映产品的可再制造 性。评价的目的是为了决策，是一个认知过程，也是一个决策过程。 产品可再制造性评价过程，是在给定的条件下，赋予一定的评价值，做 出择优或排序。也就是说，评价的结果是为了体现不同产品可再制造性的差 异，加以比较，从而做出决策。 产品可再制造性评价的目的在于以一种直观量化的方法来衡量产品的这 种特性，可以反映出不同产品适合再制造的程度，为决策者提供决策支持。 指标确定的原则在于指标宜少不宜多，宜简不宜繁，关键是能涵盖评价 的目的所需的基本内容，便于指标值的量化计算1 。同时各指标问要清晰， 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 相对独立，避免两个指标之间详列相关的情况。同时还要有可行性，符合客 观实际水平，有稳定的数据来源，易于操作。 对产品可再制造性的评价涉及技术、经济、环境三个层面，不宜简单的 将三个评价模型加权合并。 由于各个指标在评价模型中的重要程度不同，需要对各指标施以不同的 权重。权重是以某种数量形式对比权衡评价事物整体重要程度的量衡。同一 组数据指标，由于权重施加的不同，会得出截然不同的结果。权重的重要性 可见一斑。对于权重的确定，有采用专家咨询的经验判断法，也有数学加权 的问接加权法。本研究将主要采用层次分析法。 评价方法的选择。评价方法发展至今，出现了许多综合评价方法，针对 同一个问题，不同的方法会得到不同的结果，就同一种评价方法，不同的处 理方式，得到的结果也会不同。专家打分评价法是出现较早应用较广的一种 评价方法，是在定量和定性分析的基础上，以打分做出评价。这样在缺乏原 始数据的情况之下，也能做出定量估价。首先根据评价对象选取评价指标， 对每个指标定出评价等级，确定每个指标分数，最后采用加法评分求出总分。 专家评分法操作简单，直观性强，但理论性和系统性不强，其评价模型的精 准性取决于专家的学术水平和实践经验。目前比较常用的评价方法包括层次 分析法、模糊层次分析法、数据包络法、狄色综合评价法等。 本研究中对于产品可再制造性的评价，对于各个指标的评分，尽量采用 客观评分的方法，即采用客观数据来计算得到，同时会加入修正系数，是指 标评分表现出一定的直观性。 1 4 1层次分析法 在评价分析问题时，各影响因素之间的相互关系能够用定量的方法表达 时，一般可以选择数学模型对这种关系进行定量处理。但一方面由于数学模 型与现实有差异，模型的最优解不一定是现实中的最优解；另一方面，并不 是所有因素之间的相互关系都可以量化处理。例如产品可再制造性中，可拆 卸性与产品材料性质的关系，没有方法可以用数学定量的方法来表示，无法 综合体现对可再制造性的影响。因此，采用一种非数学模型法，把人的思维 决策过程层次化、数量化的方法。 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是美国匹兹堡大学 教授t l s a a t y 于2 0 世纪7 0 年代提出的一种系统分析方法。他模仿人的决 策思维过程，开发一种综合定性的定量相结合的分析方法，主要解决多因素 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 复杂系统，特别是难以定量描述的社会系统的分析方法。整理和综合人们的 主观判断，使定性分析与定量分析有机结合，实现定量化决策。一 首先将所要分析的问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将 问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系，将因素按 不同层次聚类组合，形成一个多层分析结构模型，最终归结为最底层( 方案、 措施、指标等) 相对于最高层( 总目标) 相对重要程度的权值或相对优劣次 序的问题。 由于一个评价体系内，很多因素不能用数量关系来表示，这就需要进行 相互比较，对于评价对象，评价目标的重要程度进行比较。层次分析法使用 了线性代数的方法，数学原理严密，简化了系统分析和计算，有助于评价者 的思维一致性，非常有利于定性和定性定量兼有的评价分析。 在产品可再制造性的评价中，主要是应用层次分析法来确定权重。在评 价体系中，各个指标的建立，都考虑到了是否可以量化。评价都可以找到数 量化的方法，如可拆卸性可以由拆卸时间来表示，材料消耗可以由材料重量 来衡量等等。而比较难进行数量化的就是各指标之间的关系，也就是权重的 确定。因此，在评价模型中，采用层次分析法，比较各个指标两两的重要程 度，列出判断矩阵，最终计算出各个指标的权重。 判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层次与之有关的各因素之间 的相当重要性。假定彳层中因素a 与下一层次中因素b ，b 2 ，b n 有联 系，则构造的判断矩阵如表1 2 。 表卜2判断矩阵 t a b 1 2 j u d g m e n tm a t r ix b 是对于a k 而言，b i 对毋的相对重要性的数值表示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表卜3重要性含义 t a b 1 3 i m p ii c a t i o ro fi m p o r t a n c e 尺度含 义 第f 个因素与第个因素的影响相同 第f 个因素与第个因素的影响稍强 第f 个因素与第个因素的影响强 第f 个因素与第个因素的影响明显强 第f 个因素与第_ ，个因素的影响绝对地强 结合表1 3 ，尺度2 、4 、6 、8 分别表示第f 个因素相对于第，个因素的 影响介于上述两个相邻等级之间。 计算判断矩阵的特征根和特征向量，并检验判断矩阵的一致性。 b w = 允协，w ( 1 - 1 ) 为判断矩阵b 的最大特征根，w 为对应于的f 规化特征向量， 矽的分量胍就是对应元素单排序的权重值。 一致性检验指标为 a ：墨竺二竺 n 一1 ( i 2 ) 当c i = o 时，判断矩阵具有完全一致性；反之，a 愈大，就表示判断矩 阵的一致性就越差。但一般而言，2 阶以上矩阵不会拥有完全的一致性，需 将不一致性控制在一定范围内，将其一致性指标a 与同阶的平均随机一致性 指标r i 之比，称为判断矩阵的随机一致性比例，记为c r 。 础：旦 ( 1 3 ) 融 当c r o 1 时，就需要调整判断矩阵，直到满意为止。 表卜4平均随机一致性指标 t a b 1 4 a v e r a g er a n d o mc o n sis t e n c y in d e x 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 4 2 指标量化计算 指标数量化的过程中，本研究基本上都采用数量化的方法，即将主要的 影响因素都提出量化计算公式，以增强指标评价的客观性。同时，为体现指 标评分的直观性，将这些指标评分的范围都定义在0 l 以内，符合人的直观 判断，在无法满足的情况下，在指标量化公式中加以一定的修f 系数。 产品可再制造性的评价的目的在于判断某产品是否有利于再制造，但最 后的评价指数值不一定能给决策者展现出来产品可再制造性程度的高低，为 此，在指标评价指标公式中加入修f 系数的另一个目的是使评价指数值符合 人的同常思维和直观判断。例如评价指数在0 8 以上为良好，o 7 0 8 为优秀 等等。 同一个评价模型中，为将各个指标综合，则需要进行无量纲化处理。例 如对零件的材料评价中，耐磨性、耐腐蚀性、疲劳寿命都是不同量纲的指标， 各自与标准件进行比值处理，无量纲化。再利用层次分析法确定权重，对各 个加权后计算出材料评价指数值。 1 4 3模糊问题的处理 在评价过程中，往往会遇到一些模糊性的因素，这是事物内在的一种不 确定性。影响产品可再制造性的因素中，一个因素是连接的类型，这将影响 产品是否有利于拆卸。文献 16 将几种常见连接列表分析。如图l 一4 所示： 粘接、焊接、螺栓连接，搭扣连接分别按照连接和拆卸所耗成本，横轴 向应力等属性进行了定性的评价，即好、中、差三个档次。在产品可再制造 性的评价中，这种定性的评价并不足以解决问题。事实上，对于每一个具体 的连接，以上的各个指标都可以经过统计，以数量化的指标来表达。针对类 似情况，可以建立起知识库，将各种连接收录其中，并给以一定的评分。其 优点在于在进行评价时，可直接获取某个连接的评分值；不足之处是建立知 识库需要大量的数据，同时需要大量的实验工作来确定评分的可靠性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 t y p j o e s i n o t s f a c h e s i v e w e i d e dv e l a o b o l t e d s n a p 当 _ i，n 阴卯明陷 。t b it 翮i 翮鞠l 冷l 掣 工 圃四困 j 卜 a x i a l o z 圆困 n 圆困 | i l jt r a n s v e r s e _ _ 一 叱 卜 口困口口 | f a t i g u e l lj o i n i n g 圃 r - i 口口 o 卜 s e p a r a t i n g 困口 n 一 1 - 1 l - 一o u ex c i s i o n r i 一 r e c y c l a b i l i t y 圆圃圃 i 困 p r o p e r t l e s ： g o o da v e r a g e 图卜4 连接件属性 f i g 1 4p r o p e r t i e so fj p in t s 在产品可再制造性的评价中，需要不同的方法兼而用之。本研究的评价 模型建立，以实用和量化为出发点，分析各个影响因素，确定出评价指标， 以层次分析法确定权重，最终加权得出评价指数值。 1 5研究内容及论文结构 分析影响产品可再制造性的因素，面向产品生命周期的各个阶段，主要 是设计、制造、再制造阶段，从技术、经济、环境三个方面分析，提出评价 指标，在此基础上建立产品可再制造性评价体系。本研究将产品生命周期分 为三个阶段： ( 1 ) 设计阶段：即产品处于设计，还未进行生产制造。 ( 2 ) 制造阶段：产品已进行制造，并已制造出进入市场。 ( 3 ) 再制造阶段：产品退役，回收到企业进行再制造生产，并进入市场。 并针对技术、经济、环境三个方面分别建立评价模型： ( 1 ) 产品可再制造性的技术性评价模型 针对产品设计阶段，从产品自身特性入手，分析了影响产品可再制造性 的关键因素，依据综合评价方法的原则，并提出其指标及其量化计算公式， 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 采用层次分析法确定各个指标权重，建立起设计阶段的技术性评价模型。针 对制造阶段和再制造阶段，可以根据已有的相关数据，分别提出适合该阶段 的评价指标，分别得出适合于该阶段的评价模型。 ( 2 ) 产品可再制造性的经济性评价模型 以产品的净收益来体现产品再制造的经济性，考虑到经济性因素的不确 定性，做出简化和假设处理，分析了产品再制造的成本与收益计算方法，以 产品再制造与新品制造的收益之比作为经济性评价指标。 ( 3 ) 产品可再制造性的环境性评价模型 基于绿色制造节材、节能、环境友好的三个特点，提出材料消耗、能源 消耗、污染物排放三个指标，建立起环境性评价体系。 ( 4 ) 基于构建的评价模型开发决策支持原型系统 根据本文提出的评价体系模型，开发了产品再制造性决策支持原型系统， 并对系统的丌发过程进行分析和探讨。 ( 5 ) 以汽车发动机为背景进行实例分析 将汽车发动机再制造的相关数据输入决策支持原型系统中计算，最终得 出产品可再制造性的评价指数值，验证评价体系以及决策支持系统的合理性。 本研究的体系结构如图1 5 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 图卜5论文体系结构 f i g 1 5 s t r u c t u r eo ft h e s is 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 2 技术性评价模型 2 1影响产品可再制造性的因素 可再制造性是产品设计过程赋予产品的一种固有属性，其影响因素包括 产品的零件数量，材料性能，连接方式，结构形状等等。可再制造性很大程 度上是在产品设计阶段确定的，参考文献 1 5 总结了面向再制造的设计准则， 给予产品设计阶段提高可再制造性的指导。 结合面向再制造的设计准则，从产品自身特性出发，列出影响产品可再 制造性的因素见表2 1 。 表2 - 1可再制造性的影响因素 t a b 2 1t h ef a c t o ro fr e m a n u f a c t u r a biiit y 是否易丁翻新 是否易丁清洗 连接件数量 影响翻新过程 影响清洗过程 数量越多，拆卸和再装配就越复杂 连接件类型 不同类型的联接，其拆卸和在装配的复杂程度也不相同 标准化程度标准化程度越高，装配拆卸过程越容易 2 2 废旧产品失效模式 产品中的各个零部件都具有一定的功能，实现机械动作、传递力和能等。 当零件失去最初规定的性能，便称为失效。确定失效零件的再制造方案，恢 复其几何形状和性能，是再制造的主要手段，也是再制造获得综合效益的主 要方式。常见的失效模式有磨损、腐蚀、断裂、疲劳、老化等。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 1磨损失效 机件工作表面的物质，由于表面件在受载条件下相对运动不断发生损耗 或残余变形的现象称为磨损，机械设备中约8 0 的零件是因磨损而失效报废 的。磨损件是废旧产品中大量需要再制造恢复的重用零件，也是再制造能够 获得最大附加值的关键所在。 对磨损的评价常采用磨损量、磨损速率来表示，称之为耐磨性。磨损量 用尺寸、体积或者重量的减少量来表达，磨损程度的绝对量。磨损速率是磨 损量大小与产生该磨损量的时间之比。此外还有相对耐磨性，即相同条件下， 试验材料与标准材料的耐磨性之比。 2 2 2 腐蚀失效 腐蚀是金属受周围介质的作用而引起损伤的现象，由于金属表面与环境 介质之间发生化学反应和电化学作用的结果。腐蚀损伤总是从金属表面开始， 然后往里深入，从而使表面的外形发生变换。对与零件的腐蚀失效也可采用 相应的技术手段进行修复。 2 2 3断裂失效 断裂是指零件在机械力、热、磁、腐蚀等单独作用或联合作用下，使其 本身连续遭到破坏，从而发生局部开裂成几部分的现象。断裂相对于磨损占 失效的百分比要小一些，但随着设备向大功率、高速方向发展，断裂失效的 概率也有所提高。 2 2 4 疲劳失效 疲劳失效是指固体金属在长期反复受力的情况下，会导致原有的强度等 物理性质衰弱，进而产生龟裂、断裂等现象。其实这种现象不仅仅限于固体 金属，固体材料时长也会产生这种现象，例如塑胶、碳纤维、陶瓷、玻璃等 等。疲劳失效是造成机械损坏的重要原因，严重时会直接导致事故的发生， 因此必须对所有设备零件定期检查、维修、更换。 2 2 5 老化失效 老化通常是指材料在使用、储存和加工过程中，暴露于自然或人工环境 条件下，受到光、热、氧、水、应力等外来因素的作用，性能随时问变坏， 以致丧失使用价值的现象，主要是指橡胶、塑料、皮革、木材等材料，是一 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 个不可逆的化学过程。 废旧产品及其零件由于在工作环境作用下，会引起该类材料成分的改变， 性能的变化，引起皮革腐蚀、橡胶与塑料老化变质等。在再制造过程中，对 此类材料一般不再进行再制造，而是利用新品替换。 再制造过程中对零件进行失效的内容包括调查监测、分析诊断、处置与 预测。利用各种检测手段调查分析废旧产品的使用信息，了解退役原因，进 行全面的检测工作，包括理学性能，材质性能等，在调查监测的基础之上， 分析零部件的失效类型，确定再制造方案，减少非正常失效概率。 2 2 6 寿命预测 寿命预测是再制造的一个重要组成部分。一般情况下，再制造的对象是 使用过一个或多个周期的零件，因此，再制造加工前首先要解决的问题就是， 评估该零件是否还存在剩余寿命，以及其剩余寿命是否能够再适应下一个服 役周期。 零件的寿命受材料、载荷、制造加工、环境等因素的影响，一般采用试 验或仿真的方法来预测。一般采用疲劳特性曲线，包括s 一曲线，和p _ 曲线。他们是通过标准试件通过疲劳试验获得。用应力幅值与相应的失效循 环次数的关系来表示出。 2 3设计阶段的产品可再制造性评价方法 分析影响产品可再制造性的因素，分别从材料性能，连接性能，标准化 程度，可达性四个方面建立一级指标，提出其量化计算公式。 2 3 1 产品零件材料性能指标 零部件的选材以及材料本身的性质是产品的可再制造性的关键环节。通 常在产品再制造过程中采用三种方法对废旧产品零件进行处理，即直接再利 用，翻新修复后重新使用以及用新零部件进行替换。如表2 2 所示，零件处 理方法与材料属性关系。 从表2 2 可以看出，通常在产品生命周期结束之后，对于耐蚀性、耐磨 性与疲劳寿命偏高的零部件，能够清洗干净直接再利用；而疲劳寿命较好但 是耐腐蚀耐磨性一般的零件，需要对其表面处理、恢复尺寸并且修复后再使 用。对于三方面都较差的零件，通常情况已经报废，只能使用新品替换。 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 表2 - 2 零件处理方法与材料属性关系 t a b 2 - 2r eia tio n s hipb e t w e e np a r t sp r o c e s sin gm e t h o d sa n dm a t e riai p r o p e r t j e s 直接再利用 翻新修复后使用 需新品替换 较好 一般 一般 较好 较好 一般( 或较差) 简而言之，能够直接再利用的零件数量越多，那么产品的可再制造性则 越好，更具有再制造价值；反之，产品的可再制造性越差。 因此，分别对产品的指标进行量化( 耐磨性、耐蚀性和疲劳寿命) ，建立 评价模型评估产品的可再制造性。 ( 1 ) 耐磨性指数 磨损是造成零件失效的一个主要原因，机械设备中约8 0 的零件是由于 长时问磨损导致零件失效。零件材料的耐磨性通常参考标准材料进行试样， 比较其与参考试样相同磨损条件下的实验结果，即标准材料与零件材料同一 工况下的磨损率之比。 尺广老 。 式中，尺，为耐磨性指数，彬为标准材料磨损率，形为零件试验材料磨损 率。 材料磨损率的表示方法有线磨损，重量磨损，体积磨损等。上式中两磨 损率表示方法需一致。 ( 2 ) 耐腐蚀性指数 腐蚀主要是针对金属材料，腐蚀主要是造成材料外形发生变化，出现不 规则形状的凹洞、半点等破坏区域。依据我国材料耐蚀性的标准，以腐蚀速 度评定“，见表2 3 。 做线性处理，腐蚀速度为0 时，耐腐蚀性指数为1 ；腐蚀速度为1 5 时， 耐腐蚀性指数为0 6 。 r = l 一0 2 6 7 c ( 2 - 2 ) 式中，r 为耐腐蚀性指数，c 为腐蚀速度。 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 表2 - 3 我国材料耐腐蚀性标准 t a b 2 - 3c rit e rio no fm a t e riais c o rr o sio nr e sis t a n c e ( 3 ) 疲劳强度指数 材料疲劳性能一般用疲劳寿命表示，而疲劳寿命一般采用疲劳特性曲线， 包括地应力高周疲劳的s n 疲劳曲线和高应力低周疲劳的e n 曲线。应力寿 命曲线是通过标准试样的疲劳实验获得，表示的是疲劳寿命周期与疲劳强度 的关系。 在此采用s n 疲劳曲线表示，本研究以疲劳寿命n = 1 0 8 时的疲劳强度为 评定标准。 r ：垒 ( 2 3 ) 6 s 式中，尺，为疲劳强度指数，盯，为标准材料疲劳强度，c t _ 。为零件试验材 料疲劳强度。 ( 4 ) 材料性能评价指数 疲劳性在零件的再制造过程中有着非常关键的作用。如果零件疲劳失效， 则采用新零件进行替换；造成零件失效的主要原有是磨损，通过翻新、尺寸 恢复等手段可以对其进行再制造。建立判断矩阵，确定其各材料性能的权重 关系，建立起基于零件材料性能的评价模型。 表2 - 4材料性能权重计算表 t a b 2 - 4w eig h tc aic uia tio no fm a t e riai p r o p er tie s 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 心= 0 2 5 r 。+ 0 1 5 足+ o 6 足 ( 2 - 4 ) 式中，吃为零件材料性能指数，r 。为耐磨性指数，r 为耐腐蚀性指数， 疋为疲劳强度指数。 吃是产品中单个零件的材料性能指数，公式( 2 - 5 ) 中求出产品的材料 性能指数 心， r 。= 旦_ ( 2 - 5 ) 式中，r p 。为产品材料性能指数。如，为产品中各个零件的材料性能指数， n 为产品中零件总数。 2 3 2 产品连接性能 产品中连接件的数量多少，连接件的类型是否复杂，很大程度上影响着 产品的拆卸和再装配。 q ：士 ( 2 6 ) 叩i k i = l 式中，r ，为产品连接性能指数，s ，为第i 种连接评分，n 为第i 种连接 数量，k 为连接数量修正系数，l 为产品中连接类型数量。 连接评分s i 可根据连接件类型评价，分值在1 - - 9 中取，连接的拆卸越复 杂，需破坏性拆卸，则分值越高。修正系数k 可在1 4 0 1 6 0 中取值。 2 3 3 标准化程度 产品中零件的标准化程度越高，则更便于购买，避免了使用多样化的拆 卸工具，同时，也能够降低设计、制造、拆卸等方面的费用1 。 b = 鱼 ( 2 7 ) 式中，足。为标准化指数，为产品零件中标准件数量，n 为产品零件总 数萤。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 3 4 可达性指标 可达性是指