（机械电子工程专业论文）基于绿色设计的柴油机拆卸与回收研究.pdf

摘要 产品的绿色设计将是2 l 世纪制造业的重要特征，产品拆卸与回 收设计是绿色设计研究的重要内容。本文在综合国内外大量文献的 基础上，建立了产品拆卸与回收的信息建模，并以k m l 3 8 b d 一1 0 型柴油机为设计原型进行了拆卸与回收分析。主要研究内容如下： 1 对拆卸信息进行了分析及建模研究，建立了可拆卸方向范围、 拆卸时间、拆卸能基的量化模型。构造了产品零件可拆卸制约矩阵。 2 利用零件间关联度作为零件间结合紧密程度的度量，采用层 次分析法对零件间的关联度进行了定量分析。 3 依据关联度构造了零件间的关联矩阵对构成产品的零件进行 了子装配体的聚类，并通过空间几何约束矩阵来判断结果的可行 性。提出了拆卸路径的决策模型，实现了拆卸路径的自动生成。 4 根据建立的拆卸信息模型对柴油机的拆卸进行了分析并生成 拆卸序列：利用0 1 型目标规划回收策略模型对柴油机的回收经济 性进行评估。 5 设计了拆卸回收分析及评估系统。该系统可对柴油机进行拆 卸分析，生成拆卸序列，并对它进行拆卸回收评估。 关键词：拆卸拆卸序列回收回收性评估零件关联度柴油机 a b s t r a c t g r e e n d e s i g n w i l lb ea n i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i co f m a n a f a c t u r i n gs e c t o ri n2is tc e n t u r ya n dd i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n g d e s i g ni si t si m p o r t a n tc o m p o s i t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nl o t s o fl i t e r a t u r ep u b l i s h e dd o m e s t i c a l l yo ra b r o a d ，t h ei n f o r m a t i o nm o d e l o fd i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n gi sb u i l t a sk m l 3 8 b d - 1 0t y p ed i e s e l e n g i n ef o rt h ed e s i g np r o t o t y p e ，t h ed i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n ga r e a n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r o d u c td i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o na n di t s s o u r c ea r c a n a l y z e d t h eq u a n t i t a t i v em o d e l so fd i s a s s e m b l yd i r e c t i o n a r e a ， d i s a s s e m b l ye n e r g ya n dd i s a s s e m b l yt i m ea r eb u i l t p a r td i s a s s e m b l y r e s t r i c tm a t r i xi sb u i l t 2 t h ep a r tr e l a t i n gd e g r e ei su s e da sam e a s u r e m e n ta sc o m b i n i n g t i g h t n e s sb e t w e e nt w op a r t s t h ep a r tr e l a t i n gd e g r e ei sa l s oa n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l yb yu s i n gt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) 3 a c c o r d i n gt ot h ep a r tr e l a t i n gd e g r e e ，t h er e l a t i n gm a t r i xi s b u i l t t h es u b a s s e m b l yc l u s t e r i n gc a nb er e a l i z e db yu s i n gt h em a t r i x ， w h e ns o m ep a r t sc a nb ed i s a s s e m b l e da sas u b a s s e m b l y ，t h ea n a l y s i s d i f f i c u l t yo fd i s a s s e m b l ys e q u e n c ed e c i s i o n - m a k i n gc a nb es i m p l i f i e d e n o r m o u s l y b a s e do nt h ed i m e n s i o n a lg e o m e t r ya n dd i m e n s i o n a l r e s t r i c tm a t r i x ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c ec a nb ea u t o m a t i c a l l yb u i l t f i n a l l y 4 b a s e d0 1 1t h ei n f o r m a t i o nm o d e lf o u n d e d ，t h ed i e s e le n g i n ec a l l b ed i v i d e di n t od i s a s s e m b l ys e q l l e n e e u s i n g0 1t y p eo b j c o t o r i e n t e d d e c i s i o nm o d e lo fr e c y c l i n g ，t h er e c y c l i n ge c o n o m yo ft h ed i e s e l e n g i n ec a nb ea s s e s s e d 5 t h e a n a l y s i s a n da s s e s s m e n t s y s t e m f o r d i s a s s e m b l y a n d r e c y c l i n gi sb u i l t t h i ss y s t e mc a nb e u s e df o r t h ed i s a s s e m b l y a n a l y z i n g ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c ef o r m i n ga n dr e c y c l i n ga s s e s s i n go f t h ed i e s e le n g i n e k e yw o r d s ：d i s a s s e m b l yd i s a s s e m b l ys e q u e n c e r e c y c l i n g r e c y c l i n ga s s e s s m e n tp a r tr e l a t i n gd e g r e e d i e s e le n g i n e 山东轻工业学院硕士学位论文 第一章绪论 产品拆卸与回收设计是绿色设计研究的重要内容之一，已成为产 品设计的一项评价准则。本章详细介绍了拆卸与回收设计的内容及国 内外研究状况，从论文研究背景出发，对论文的主要工作做了简单介 绍。 1 1 弓i 言 当今世界，工业的高度发展给人类社会创造了巨大的物质财富和 灿烂的现代文明，但与此同时，工业发展所带来的环境污染也达到了 前所未有的程度，已直接危及到人类的生存。据统计，全世界制造业 每年大约产生5 5 亿吨无害废物和7 亿吨有害废物。如今，种类繁多的 日用消费品已进入千家万户，新产品源源不断地推出，产品生命周期 日趋缩短，导致废弃物、废旧工业产品数量猛增。在欧洲，每年约有 8 0 万吨的电视机、计算机设备、收音机、测量仪器和3 0 0 万吨废旧汽 车丢进垃圾场。图1 1 为德国每年的汽车、家用器具、消费电器、控制 设备及信息设备的废弃物数量分布情况。 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 3 0 0 0k t y o a x 图1 1 德国各类产品的废弃物数量变化分布情况u j 加强环境保护，拯救地球，改善人类的生存环境，实现人类社会 的可持续发展，已经成为全世界人民的共同呼声。 我国历来被认为是地大物博、人口众多的大国，但是，也应该认 识到我国还是一个人均资源小国，并且资源的地理分布极不合理。改 革开放二十多年来，我国的经济取得了巨大的发展，但环境问题也更 加突出。 机械工业作为国民经济的一项基础产业，它为各行各业提供所需 的设备，其产品在人们的日常生活中更是不可缺少。实现机城工业的 可持续发展对整个国民经济的可持续发展将会起到巨大的推动作用。 从而，绿色设计这一符合可持续发展的设计思想方法就显得尤为熏要。 第一章绪论 绿色设计作为一种具有环保意识的设计( e n v i r o n m e n t a l l v c o n s c i o u sd e s i g n ，e c d ) ，不同于传统的从摇篮到坟墓的设计，而是 一种从摇篮到再生的设计。它采取并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的思想，采用全生命周期评价、分析( l i f e c y c l ea s s e s s m e n t 、a n a l y z e ， l c a ) ，将产品的设计、制造、使用和最终处理作为一个整体加以重视， 从产品的最初设计起就开始防治污染，预先考虑产品在制造、使用和 最终处理的过程( 即产品的全生命周期) 中可能给环境带来的负面影 响，在设计中加以解决。综合国内外大量文献，可以把绿色设计定义 为：在产品的整个寿命周期内，在满足功能、使用寿命、质量、经济 性的前提条件下，以产品有利于环境属性【2 l 可拆卸性 ( d i s a s s e m b a b i l i t y ) 、可循环性( r e c y c l a b i l i t y ) 、可维修性 ( m a i n t a i n a b i l i t y ) 、可韶新性( r e f u r b i s h a b l i t y ) 、可重用性( r e u s a b i l i t y ) 等为设计目标，从而达到节约资源、能源、保护环境目的的设计。 随着经济的发展，产品更新换代的加速，产生的废弃物急剧增加， 然而由于设计上及其他方面的原因，这些废弃物不易拆卸和回收，一 方面造成了大量资源的浪费，另一方面也在很大程度上污染了环境， 因此有必要对产品进行面向拆卸和回收的设计。面向拆卸和回收的设 计是绿色设计的一项重要内容，其评价方法和评价理论是绿色设计和 绿色产品评价的一个分支，更是近年来绿色设计领域中的研究热点和 难点。它对于指导面向拆卸和回收设计以及对产品进行拆卸性和回收 性评估有着很重要的意义。 1 2 拆卸与回收设计技术的田内外研究现状 面向拆卸与回收设计( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n g d f d & r ) 是九十年代才发展起来的研究领域。拆卸与回收在产品生命 周期中是实现资源不断循环利用的关键，也是绿色设计与制造的重要 内容。相对于面向制造的设计和面向装配的设计来说，d f d & r 是产品 设计研究的新领域。各国在该领域均投入了大量的财力、物力进行了 大量的研究，并取得了初步的研究成果。主要研究成果归纳如下： 国外这方面的研究开展比较早，k o s u k e ( k o s ) i s h i i 对美国在1 9 9 8 年以前面向环境和回收设计的研究和实践做了一个总的回顾【3 】； r m n 1 1 e r 等人对面向拆卸的设计思想进行了研究，总结归纳了产品 设计的一般原则和方法 4 】；p d e w h u r s t 等人开发了能产生产品拆卸序 列的软件系统，它基于产品面向可装配性设计的方法，分析与选择零 件的拆卸方式【5 】：r v u j o s e v i c 提出了产品维护过程分析的仿真方法， 优化空间上可行的拆卸序列，以达到最少拆卸时间、拆卸成本和劳动 2 山东轻工业学院硕士学位论文 力的消耗m 1 ；k e i j i r o m a s u i 等提出了内嵌式产品拆卸工艺( p r o d u c t s e m b e d d e d d i s a s s e m b l yp l o c e s s ) 的概念f 7 j ，其主要思想是：在制造的过 程中在产品内部嵌入易于分离的特征，在拆卸的过程中启动它，而这 个特征对于产品实现其功能来说是多余的，但并不妨碍产品实现其功 能。k o s u k e ( k o s ) i s h i i 提出了群( c l u m p ) 的概念【8 1 ，群是具有共同应用 特性的零部件的集合或子装配体，也可以被理解为一个模块，这里材 料的兼容性是一个关键的问题。 近期的一个研究重点是前面所说的第二阶段的研究：文献【9 】基于 产品零部件之间的关系，建立了产品拆卸逻辑网络表示模型，提出了 实现产品最大回收效益的最优拆卸路径生成算法；h s r i n i v a s a n 和 r o a d h 描述了一种用于选择性拆卸的几何算法0 1 ，来确定拆卸的最优 顺序，通过分析装配件的子集来件缩小搜索空闯；b e a s l e y 和m a r t i n 从几何学角度研究了由单位立方体构成的部件的拆卸序列问题【l “； a n um e a c h a m 等利用产品的层次树，研究了单个和多个产品的最优拆 卸问题1 2 】。此外，国外的一些大学和研究机构也在开发拆卸回收设计 的分析评估软件，如美国s t a n f o r d ( 斯坦福) 大学的e l d a ( t h e e n d o f l i f ed e s i g na d v i s o r ) 系统1 朝，c a r n e g i e m e l l o n 大学制造决策系 统研究中心开发的r e s t a r 软件系统d 4 等。 面向拆卸与回收设计概念日前己经有了比较全面系统的研究，欧 美国家在可拆卸性与回收设计方面的研究取得了一定成果，并产生了 直接的效益。 柏林工业大学早在二十世纪7 0 年代就开辟面向环境的设计研究， 取得了较多的研究成果。目前该大学承担的一个德国研究联合会( 相当 于我国自然科学基金会) 的重大项目，主要从事绿色设计中的面向拆卸 的拆卸工厂及其相关课题的研究。他们提出了一个由工艺和工具、产 品评价、拆卸计划和合理化的城市发展为基础的面向拆卸的产品结构 模型。主要目标是为拆卸技术开发新工艺及工具，为设计面向环境的 产品及制定其拆卸计划，为合理地组织拆卸工厂与城市之间地理位置 的关系提供计算机辅助设计的工具。 西门子公司也早在7 0 年代就开展了对面向环境的产品设计理论 的系统研究，并取得了一系列卓有成效的研究成果。在基于机电产品 的可拆卸和回收研究方面，研制了新一代环境资源友好电子电器产品， 其鲜明特点就是用户不需任何工具，仅凭借双手就能在几分钟内把产 品拆卸到可寅接回收的程度。 国内目前的研究相比一些欧美国家相对落后，大多数还停留在收 3 第一章绪论 集、整理、归纳面向拆卸和回收设计的有关知识： 合肥工业大学刘志峰教授和刘光复教授近年来对绿色设计的理论 和方法及面向拆卸和回收的设计进行了跟踪探讨n 5 2 0 】；华中理工( 科技) 大学李成刚教授领导的课题组在国家自然科学基金的资助下研究了产 品的全生命周期设计：上海交通大学与f o r d 公司以及内贸部物资再生 利用华东分公司合作，针对汽车开展了可回收绿色设计技术研究，为 可拆卸设计技术的实施提供了依据；上海交通大学与德国柏林工业大 学合作研究了面向回收的制造技术。中国机械科学研究院完成了绿色 设计技术发展趋势预测及对策研究，提出了绿色设计的技术发展体系 及近期重点发展技术的建议；清华大学与美国t e x a st e c hu n i v e r s i t y 先进制造实验室绿色设计技术的合作研究，针对计算机、空调等典型 机电产品，进行了基于产品全生命周期的绿色设计和制造技术的系统 研究j 。重庆大学刘飞教授近年来在国家8 6 3 高技术研究发展计划资 助项目和国家自然科学基金的资助下系统地研究了绿色制造的定义、 研究体系及实施框架 2 2 - 2 3 。 1 3 本论文的主要研究内容 1 3 1 论文的研究背景 面向拆卸与回收设计已成为机械设计研究的重要分支，是目前研 究的一个热点。由于面向拆卸与回收设计是一个较新的研究方向，还 没有形成完整的设计体系，随着各种新技术的出现，可拆卸与回收设 计方法、关键技术和拆卸模型等研究也是一个不断完善的过程。在具 体产品开发和设计中，可拆卸性设计的具体实现是可拆卸性设计的关 键，体现在产品使用寿命终了时如何进行产品零部件的拆卸和回收， 如何最大限度实现资源再利用，如何减少产品维护及回收时的拆卸成 本和拆卸时间等等。 绿色产品是以环境和环境资源保护为核心而设计生产的可拆卸并 分解的产品。要满足绿色产品要求，应从设计开始，以长远目光构思、 开发和制造产品，在产品设计阶段就将维护及回收的拆卸要求作为设 计目标，在设计时明确哪些零部件要被拆卸和回收，以便在产品使用 寿命完结时，零部件可以翻新和重复利用或者安全地将其处理掉。 在今后相当长的时期内，新一代汽油机和柴油机仍是陆上和海上 交通运输动力的主力。为了适应2 1 世纪绿色消费的需要，人们正在研 制具有更高的动力性、经济性和更低捧放指标的柴油机1 2 4 1 。本论文结 合山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目一“中小功率柴油机绿色设 计关键技术的研究”这一课题，针对中小功率柴油机的拆卸与回收， 4 山东轻工_ k 学院硕士学位论丈 采用切实可行的拆卸与回收设计研究方法，建立优化拆卸模型，使得 柴油机在回收利用时，拆卸方便、回收收益最大。 1 3 2 论文的主要工作 1 研究了面向拆卸和回收设计的产品信息模型 在综合国内外大量文献的基础上从材料选择、紧固件设计、易分 离性等方面提出了面向拆卸和回收设计的设计准则，并对产品拆卸信 息及其来源进行了分析，创建了产品网络圈模型以表达产品的拆卸信 息。 2 对判断零件问相互关系的数学模型进行了分析 利用高斯球影射的方法，对零件可拆卸方向范围进行了定量描述。 实现了拆卸方向范围的量化表达。构造了3 4 可拆卸制约矩阵，以判 断零件的几何可拆性。对拆卸时间、拆卸能量进行了量化分析。 3 对产品零件间关联度进行了分析 利用零件问关联度的概念，并将其作为零件与零件、零件与装配 体或装配体与装配体之间相互关联程度大小的度量参数。确定了关联 度的影响因素集及评价集，并采用层次分析法和模糊综合评价方法对 零件间的关联度进行了定量分析。得出了两个零件间关联度的因素集 与评价集之间的模糊关系矩阵，并对关联度进行了模糊综合评价r 定 义了关联度的量化方法，构造了零件闻的关联矩阵。利用零件问的关 联矩阵，对装配体进行了模糊聚类。 4 产品的自动拆卸决簸分析 提出了拆卸路径的决策框架模型。通过零件间关联度矩阵t 对子 装配体的聚粪结果进行了可行性判别，并对柴油机的非破坏完全拆卸、 目标零件拆卸的拆卸路径进行了研究分析。 5 开发丁具有d f d d f r 集成的虚拟拆卸回收系统 设计了拆卸回收分析及评估系统，系统以图形界面为主，使用了 大量的图库、图标等，人机交互性好，便于掌握使用。该系统建立了 一个较完整的产品模型，以k m l 3 8 b d 一1 0 型柴油机为设计原型进行拆 卸分析，生成凌配体的拆卸序列，并对产品进行了拆卸回收评估。 6 总结与展望 对本文工作进行了总结，并提出了今后进一步的研究方向。 对本文工作进行了总结，并提出了今后进一步的研究方向e 5 第二章茁向拆姆设计的准则及信息模型 第二章面向拆卸设计的准则及信息模型 随着社会生产力的发展，人们对物质条件的要求不断提高，消费 产品更新换代加速，产生了大量的废弃产品。但这些废弃产品并非毫 无价值，其中许多零部件还可以直接地或者修复后继续使用，即使不 能继续使用，其材料通过分类回收后还可以使用。而对废弃产品实现 材料回收和可用零部件修复后继续使用，必须通过合理的拆卸。因此， 有必要具体研究拆卸设计的设计准则及其信息模型，从而为产品报废 后的拆卸奠定了基础。 2 1 面向拆卸设计的理论基础 2 1 1 拆卸的定义 拆卸设计和回收设计是绿色设计的重要内容，拆卸设计( d e s i g n f o rd i s a s s e m b l y ) 是在产品设计的初期就考虑产品的可拆卸性，并把它 作为产品结构设计和材料选择的一个重要准则，使得产品易于拆卸、 利于回收、回收费用最低、回收利用价值最高，最终达到减少废弃物 的产生、节约资源和保护环境的目的 2 5 - 2 6 。即设计的产品除了在使用 中应该保持良好的性能、零件问不能分离外，在其报废后能经济的分 离、回收及重新使用，对人类居住的环境不造成污染【2 ”。拆卸是产品 回收和重用的前提，无法拆卸的产品既谈不上有效回收，更谈不上重 新利用。如何既保持社会对各种消费产品的不断需求，又能节约资源 能源，已引起人们的广泛重视。实现这种目标的有效途径就是延长产 品的使用寿命或使构成产品的零部件或材料能够重复利用，而重复利 用的前提则是产品能够有效地拆卸回收。 现代化机械产品很多都是机电结合的或多学科交叉的技术密集型 产品，有些产品兼有无污染与有污染部分，给拆卸带来了许多困难； 整个产品废弃淘汰后，由于拆卸困难可重用部分难于回收重用，即使 能够拆卸，也因拆卸过程费事、费力、经济性差，回收重用的价值不 大。不可拆卸不仅会造成大量可重用零部件、材料的浪费，而且因废 弃物处置不当，还会造成严重的环境污染。产品整个生命周期的物流 过程如图2 1 所示。可以看出，产品在制造、生产、使用及废弃的生 命周期过程中，会产生大量废弃物( 如废水、废气及固体废弃物等) ， 其中产品废弃所产生的废弃物占主要部分。因此，设计拆卸性能良好 的产品结构，对节约资源能源，保护环境，实现可持续发展具有重要 意义。 6 山东轻工业学院硬学谯论文 图2 1 产品全生命周期 2 1 2 d f x 设计 d f x 是d e s i g nf o rx ( 面向产品生命周期各某环节的设计) 的缩 写。正如生物的诞生、成长直到消亡构成其生命周期一样，人类创造 出来的各种产品，也可被赋予生命的概念，即产品同样具有诞生、成 长、消亡的过程。只是产品的诞生过程被称为产品开发过程，产品的 成长过程对应着产品使用过程，产品的消亡过程即为产品报废与回收 处理过程。这些过程构成了产品的生命周期 2 引。 x 可以代表产品生命周期或其中某一环节，如装配、加工、使用、 维修、拆卸、回收、报废等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争 力的因素，如质量、成本、时间等等。而这里的设计不仅仅指产品的 设计也指产品开发过程和系、统的设计。在产品设计时，不但要考虑功 能和性能要求，而且要同时考虑与产品整个生命周期各阶段相关的因 素。包括制造的可能性、高效性、环境友善、经济性等。其目标是在 保证产品质量的前提下缩短开发周期，降低成本。 d f x 是并行工程( c u r r e n te n g i n e e r i n g ，简称c e ) 的关键环节。它 是c e 的思想核心，是c e 的支撑工具。d f k 是一种哲理、方法、手段、 工具。首先，产品开发人员应该认识到，在设计阶段尽早地考虑产品 全生命周期将有益于产品竞争力的提高。其次，产品设计人员，产品 开发管理人员应该积极在产品设计中应用d f x 方法。最后，借助计算 机实现的d f x 工具可以有效地辅助产品设计人员按照d f x 方法进行 产品设计。 d f x 是一种设计方法论。但d f x 本身不是设计方法，不直接产 生设计方案，而是对设计方案进行评价分析，为设计提供依据。d f x 方法的应用最终通过再设计实现产品的优化。d f x 对设计方案或者现 有产品的设计方案运用d f x 方法进行分析，从而为再设计提供改进建 议，最终得到新的改进设计方案。同时，d f x 方法不仅用于改进产品 7 第二章亘向拆蜉设计的准剐及信息模型 本身，而且用于改进产品相关过程( 比如装配过程，加工过程等) ，它 强调产品设计和过程设计的同时进行。 作为d f x 的一种，面向拆卸与回收的设计与d f x 的其他形式一 样，应遵循并行工程的思想，以产品的设计、制造、使用、报废、再 生全过程作为研究范畴。 2 2 面向拆卸设计的设计准则 面向拆卸设计的设计准则，是指导进行面向拆卸设计的理论依据， 是进行面向拆卸和回收设计评价的基础。本节从紧固件设计、材料选 择、易分离性等方面提出了面向拆卸设计的设计准则。 迄今为止，产品拆卸设计尚没有系统的设计资料，因而无论手工 设计还是利用计算机辅助设计，均无法将拆卸性有效地体现在产品设 计中。因此，制定拆卸性设计准则以指导设计，并最终实现产品良好 的拆卸性能，具有重要意义。拆卸性设计准则是为了将产品的拆卸性 要求及回收约束转化为具体的产品设计而确定的，传统方法设计的产 品很难进行回收、循环的一个主要原因是要花大量时间和精力对废旧 产品进行拆卸、分类，这也是影响产品拆卸回收经济性的一个重要因 素。根据有关报道f 2 9 1 ，对于废弃电子产品如电视机、手机、电脑等的 拆卸回收分类非常费时费力，据估算拆卸和回收这些废弃物的费用约 为处理一般垃圾的6 倍，其中8 0 来自劳动力成本。开发更先进的拆 卸回收工艺固然很重要，但是如果从产品的设计上考虑，效果会更好 一些。为了使产品便于拆卸，在设计时可以从如下几个方面考虑： 1 材料选择准则 材料是构成产品零部件的基本要素，是产品功能和结构的物质载 体。从前面闭环的产品全生命周期可以看出，材料的回收是实现闭环 生命周期的重要内容，材料的环境特性直接影响产品的环境特性。传 统产品设计中，在材料选择方面的不足之处主要表现在： 材料种类繁多； 很少考虑材料的加工过程及其对环境的影响； 很少考虑产品报废后的回收处理问题； 很少考虑材料本身的生产过程。 选择合适的材料、合理的使用材料对于提高产品的环境友好性， 特别是对于产品的拆卸和回收具有重要意义。影响材料回收的主要原 因是要花费大量时间拆卸和分离材料。有利于拆卸和回收的材料选择 准则如下： ( 1 ) 材料相容性准则。组成产品的零件材料之间的相容性好，意味 l 山东轻工q k 学院硬士学位论文 着构成这些零件的材料可以一起回收，即将零部件作为整体回收，因 而可大大简化拆卸工作。材料的相容性或者兼容性一般有两层含义： 一是指在相同的条件下，两种或者更多的材料存在并发挥各自功能而 互不干扰的能力，这主要指材料的使用过程；二是指可一起回收的材 料，比如计算机用的两种塑料聚碳酸酯和a b s 就可一起回收得到另一 种材料p c a h sb l e n d 。表2 1 给出常见工程塑料的兼容性： 表2 1 常见工程塑料相容性 3 0 j 泌碧 p ep v cp s p c p pp o ms a na b s 聚乙烯( p e ) 好 差差差好差差差 聚氯乙烯( p v c )差好差差 差差 好好 聚苯乙烯( p s )差差好差差 差 差差 氯丁橡胶( p c ) 差好差好差差差好 聚丙烯( p p )好 差差差好差差差 聚氧化甲烯( p a ) 差差差差差好差差 ( 2 ) 单纯材料准则。即尽基避免使用金属材料和塑料材料的互相嵌 入结构。目前广泛采用的注塑零件往往把金属部分嵌入塑料中，给以 后的拆卸带来困难。 ( 3 ) 材料种类最少准则。在产品中所采用材料的种类应该最少，材 料种类越少，所需的拆卸和分类的工作最就越小，从丽有利于回收。 惠尔蒲( w h i r l p 0 0 1 ) 德国公司的包装工程师把他们产品的包装材料从2 0 种减少到4 种，处理费用下降了5 0 9 6 多，材料的花费减少了，同时性 能却提高了 3 1 1 。 ( 4 ) 材料用量最少准则。在满足功能和性能要求的基础上尽可能减 少材料的使用量，以达到节约资源的目的。因为许多原材料的生产和 回收都要耗费资源、污染环境。材料用量的减少一方面可以降低产品 成本，同时也使得产品的拆卸回收变得比较容易。 ( 5 ) 选择能容量小的材料准则。材料的能容量是指材料在开采、提 炼过程中消耗的能量。在材料的生命周期中，从开采、加工成原材料、 制成产品、使用后回收和重用，到最后残余物的分解和处理，需要消 耗大量的能量，其中开采、提炼制成原材料的过程能量消耗最大，对 环境造成很大的污染。在材料的物理化学性能能够满足产品能要求的 前提下，在设计中应该选择能容量小的材料。 ( 6 ) 有毒害材料集成准则。有些产品必须使用对环境或人身有毒害 的材料，因此在设计时，在满足产品功能的要求的前提下，尽量将这 9 第二章面向拆卸设计的准则及信息模型 些材料组成的零、部件集成在一起，使以后的拆卸与分类处理更加容 易。 2 简化产品功能准则 产品功能多样化，特别是机电产品的功能日趋增多，是导致产品 结构日趋复杂化的根源。当前产品的小型化设计已成为设计领域的趋 势，它可以有效地节约资源。因此，在产品设计时，在满足使用要求 的前提下，应减少产品零部件数量，以便于装配、拆卸、重新组装、 维修及报废后的处理【3 2 1 ，并尽量简化掉一些不必要的功能。简化产品 功能准则主要包括： ( 1 ) 合理寿命原则。考虑产品各种报废因素。赋予产品合理的使用 寿命及注重产品品种的多样化及系列化，以满足不同层次的消费需求。 ( 2 ) 零件合并准则。将完成功能相似或结构上能够组合在一起的零 部件进行合并。零件合并必须满足：该零件与其它零件不能有相对移 动；该零件与其它零件的材料相同；该零件无装配或拆卸要求。在零 件合并时，合并后的零件其结构要易于成型和制造，以免增加制造成 本。如由工程塑料制成的零件，由于工程塑料本身的成型性能良好， 故可制造结构复杂的复合零件。 3 紧固件易于拆卸准则 产品零部件之间的连接方式对拆卸性有重要影响。设计过程中要 尽量采用简单的连接方式，尽量减少紧固件数量，统一紧固件类型， 并使拆卸过程具有良好的可达性及简单的拆卸运动。紧固连接易于拆 卸准则主要包括； ( 1 ) 采用易拆卸或易破坏的连接准则。采用易拆卸的连接方式( 如 搭扣式连接或插销连接等) 、应用快速紧固件，以减少拆卸所需的时间 及工具种类。这里要说明的是，并不是搭扣或插销连接就一定容易拆 卸，某些搭扣连接如果没有工具空间或者是没有足够的工具空间，装 配容易但是拆卸非常困难，甚至几乎不能拆卸，如图2 2 。尽量减少如 铆接、焊接、粘接( 尽管这些连接方式都比较容易装配) 等不易拆卸的 连接方式。 ( 2 ) 紧固件数量最少准则。拆卸部位的紧固件数量要尽可能少，使 拆卸容易且省时省力。 ( 3 ) 紧固件类型统一准则。产品零部件的连接不仅紧固件数量要 少，而且紧固件的类型要尽量统一，这样可减少拆卸工具种类，简化 拆卸工作。 山东轻工q t 学院硕士学位论文 图2 2 不易拆卸的搭扣连接 ( 4 ) 简化拆卸运动。这是指完成拆卸只要作简单的动作即可。具体 地讲，就是拆卸应沿一个或几个方向做直线移动，尽量避免复杂的旋 转运动，并且拆卸移动的距离要尽可能短。 ( 5 ) 可达性准则。手工及自动分离的零件其连接部位和连接应易于 接近及操作。可达性包括：视角可达，为拆卸提供便于观察的空间； 实体可达，拆卸工具应能够达到被拆零部件，若希望用电动工具进行 拆卸，则要留出电动工具进入的空间；空间可达，应预留足够的拆卸 操作空间。 4 易于分离准则 在产品设计时，尽量避免零件表面的多次加工，如油漆、电镀、涂 履等，同时应避免零件和材料本身的损害，也不能损害回收处理装置 ( 如破碎机、切碎机等) 。易于分离准则主要包括以下几个方面： ( 1 ) 一次表面准则。即组成产品的零件，其表面最好是一次加工而 成，尽量避免在其表面上再进行诸如电镀、涂覆、油漆等二次加工， 因为二次加工后的附加材料往往很难分离，残留在零件材料表面则形 成材料回收时的杂质，影响材料的回收质量。 ( 2 ) 完好性准则。即在拆卸过程中不能损坏零件本身，也不能损坏 拆卸设备。如洗衣机原先的底座平衡块是由混凝士制成，在底座粉碎 过程中，混凝土往往会损坏破碎机，而现在已改为铸铁材料制成，就 避免了这些问题。 ( 3 ) 减少零件变异性准则。在产品设计时，尽量采用标准零部件， 减少产品零部件种类和结构的多样性，无论对手工拆卸还是对自动拆 卸都是非常重要的。 ( 4 ) 标准化准则。从简化拆卸及维修的角度，要求尽量采用国际标 准、国家标准或行业标准的硬件( 元器件、零部件等) 和软件( 如技术要 求等) ，减少元器件、零部件的种类、型号和式样。实现标准化有利于 产品的设计和制造，也有利于废弃淘汰后产品的拆卸回收。 ( 5 ) 模块化设计准则。模块化是实现部件互换通用、快速更换和拆 第二章面向拆卸设计的准则及信息模型 卸的有效途径。因此，在设计阶段采用模块化设计，可按功能将产品 划分为若干个各自能完成某些功能的模块，并统一模块之间的连接结 构、尺寸，使得制造和拆卸回收更加方便。 5 产品结构的可预估性准则 产品在使用过程中，由于存在污染、腐蚀、磨损等因素以及在一 定的时间内需要进行维护或维修，这些因素均会使产品的结构产生不 确定性，即产品的最终状态与原始状态之间产生较大的改变。为使产 品废弃淘汰时减少其结构的不确定性，设计时应遵循以下准则： ( 1 ) 避免将易老化或易腐蚀的材料与所需拆卸、回收的材料零件组 合。 ( 2 ) 应防止要拆卸的零部件被污染或腐蚀。 ( 3 ) 若零件暴露在恶劣环境下，则采用防锈连接。 6 产品易于拆卸准则 在零件结构设计过程中，要给零件预留出拆卸的抓取表面，从而 使拆卸过程能够顺利进行；同时，应避免非刚性零件，应把有毒害物 质密封在一个单元体内，从而提高拆卸效率，防止环境污染。易于拆 卸准则主要从以下几个方面考虑： ( 1 ) 易于抓取准则。当待拆卸零、部件不受任何约束时( 即自由状 态时) 应该能够快速、方便地被取下。 ( 2 ) 非刚性零件准则。非刚性零件由于缺乏稳定性，给拆卸带来困 难，所以应当尽量避免。 ( 3 ) 合理布局准则。必须要拆卸的零、部件( 如含有毒害的物质) 应当安排在拆卸路径的顶层，即最先拆卸的位置。 ( 4 ) 易于排放废液准则：有些产品在报废后，如柴油机中的柴油、 润滑油等废液，如果在拆卸时不及时排放出来，就会污染环境和影响 安全操作，因此在产品结构设计时应留有方便的排放口。 上述这些准则是以有利于拆卸为出发点，在设计过程中，有时准则 之间会产生矛盾或冲突，此时应根据产品的具体结构特点、功能、应 用场合等综合考虑，从技术、经济和环境三方面进行全局优化和决策。 2 3 面向拆卸设计的信息模型 产品的拆卸是一个复杂的动态过程，要在产品设计的初始阶段， 对产品寿命终结以后的拆卸性和回收型进行评估，需要大量确定的或 不确定的有关产品的信息( 零件信息，连接信息，功能信息，材料信息， 使用条件，使用地点，维修信息，改变信息，拆卸方法，回收方法， 回收率，回收产物等) ，需要建立产品的信息模型( p r o d u c ti n f o r m a t i o n 1 2 山东轻工业学院硕士学位论文 m o d e l ，p m ) 3 3 - 3 4 1 。 2 3 1 拆卸设计信息来源 拆卸分析所需的信息主要有：拆卸过程信息、产品零件信息、零 件关系信息、拆卸约束信息，如图2 3 所示。 图2 3 拆卸分析所需信息 ( 1 ) 拆卸过程信息 拆卸过程信息主要包括拆卸时间、拆卸能量、拆卸的可达性等。 产品由多个连接方式组合而成，拆卸时间就是完成所有这些连接的拆 卸所消耗的时间总和。它包括基本拆卸时间和辅助拆卸时间。拆卸时 间越长，表明该结构的复杂程度越高，产品的可拆卸性就越差。拆卸 能量指对某个连接进行拆卸所消耗的能量，产品的拆卸能量是产品所 有连接单元拆卸能量的总和。拆卸能量越大，表明产品的拆卸越困难。 拆卸可达性是指在对连接部位进行拆卸、切断、切割等操作时，拆卸 对象易于观察、接近及易于拆卸的程度。由于零件的几何可达性与其 可以拆卸的方向范围密切相关，因此可以采用拆卸方向范围来对其进 行近似的定量描述。 ( 2 ) 产品零件信息 产品零件信息，是指描述构成产品零件的信息。零件特征可分为 总体特征、形状特征、材料特征等几类。 ( 3 ) 零件关系信息 零件关系信息，指零件问装配关系的有关信息，装配关系有连接 关系、接触关系、装配尺寸关系等。 ( 4 ) 拆卸约束信息 第二章面向拆卸设计的准则及信息模型 拆卸约束信息，指拆卸某个零件时，该零件与其它零件间的约束 信息，主要包括空间几何约束信息、工夹具约束等。由于拆卸某个零 件的过程中，在空间上可能受到6 个方向上的阻碍，即3 个移动方向 和3 个转动方向的阻碍。这些阻碍直接决定了该零件拆卸的几何可行 性。可采用3 4 的制约矩阵来对拆卸约束来进行描述。 2 3 2 由实体图创建产品网络图模型 产品网络图模型主要有以下几个方面： ( 1 ) 构造产品网络图模型 将产品实体图转换为产品网络图模型，可为拆卸决策提供直接依 据。产品网络图模型是采用图形描述构成产品的每个零件间相互关系 的一种方法。该图定义为d = c ，研，其中c 为构成装配体的零件集合， r 为装配体中各零件问的相互关系集，该图的顶点为零件集c 中的元 素，顶点间的相互连线代表构成装配体各零件相互间的关系，为关系 集合兄中的元素。 例如，对于图2 4 所示的柴油机网络图模型，在该模型中，零件 集c 中的元素，应包括该零件的编号、名称、材料、重量等参数，关 系集e 中的元素，除了表达零件间相互几何关系外，还包括零件间配 合信息、紧固类型、紧固力大小等参数。 图2 4k m l 3 8 b d - 1 0 型柴油机网络图模型 ( 2 ) 零件问相互关联类型 在对零件进行拆卸分析对，将零件闯相互关联的类型定义为三类， 即直接关联关系，间接关联关系，和自由关系。其中，直接关联关系， 指两零件实体间存在物理接触关系：间接关联关系，指两零件实体间 没有物理接触关系，但当其中某一零件沿某一方向移动时，两零件相 互问有干涉：自由关系，指两零件实体间没有物理接触关系，且当其 中某一个零件沿任一方向移动时，另一零件对其不产生干涉。在零件 出东轻工亚学院硕士学位论文 间的间接关联关系和零件间的自由关系中，与选定的坐标系有关。如 图2 5 所示。 i 2 ( a ) 直接关寰美蔡 田田 口口 ( b ) 搦接关联共篡 ( c ) 自由关系 图2 5 零件间的关联关系 ( 3 ) 零件可拆卸方向范围的定量描述 拆卸的可达性包括人力可达和几何可达。人力可达主要考虑手工 拆卸操作时，拆卸劳动强度是否在人的承受范围之内。人力可达，可 采用拆卸能量来对其进行定量描述。几何可达包括以下几个方面： 1 ) 视角可达，在拆卸操作时，操作者应能看到内部的拆卸操作， 并有足够的空间允许拆卸人员进行不同角度的观察。 2 ) 实体可达，即拆卸过程中。操作人员身体的某一部位或工具能 够接触到被拆卸对象或拆卸部位。 3 ) 空间可达，即对拆卸的部位进行拆卸操作时，其周围要有足够 的拆卸操作空间，以方便拆卸工作，空间可达主要包括工具空间可达， 分离空间可达。工具空间主要指拆卸时工具操作的空间；分离空间指 连接件或工件能顺利取出的空间。 鉴于几何可达性的量化非常困难，而零件的几何可达性与其可以 拆卸的方向的范围密切相关，因此可采用拆卸方向范围来对其进行近 似的定量描述。 拆卸方向范围：将要拆卸的零部件所有可拆卸的方向影射到高斯 球上( e p 单位半径的球体) ，在高斯球上的这些方向就称为该零部件的 拆卸方向范围。 拆卸的方向范围可能情况： 1 ) 零件只能沿单一方向拆卸，映射到高斯球上只是其球面上的点 ( 如图2 6 ( a ) 和( b ) ) 。 2 ) 零件可沿某个平面上的一系列方向拆卸，映射到高斯球上则为 其球面上的一条弧线( 如图2 6 ( c ) ) 。 3 ) 零件可沿某个球匿上的一系列方向拆卸，映射到高斯球上为其 球面上的某一局部表面( 如图2 6 ( ) 。 上述各种类型以点、弧、表面表示拆卸方向范围的，不能进行直 接的比较。因此必须用统一的方式来表示它们，以实现拆卸方向范围 的直接比较。为了实现这一点，对单位高斯球的表面进行离散化，将 其划分为一系列面积相同的方格，以统一各种类型拆卸方向范围表示。 方格的长、宽均选定为t “，其厩积为1 “2 。对一个零件而言，定义 覆盖高斯球上拆卸方向范围的方格的数目为g 。为了简化研究工作， 在本文中，“被赋值为2 。 c a )( b ) 留。矽国 图2 6 零件可拆卸方向范围的定量描述 拆卸方向范围所对应的高颠球上表面表示为g 。在图2 6 ( a ) 中， 零件2 的拆卸方向仅仅只能沿一个方向，影射到高斯球上只有一个方 格。因此，g i 的值是1 。图2 6 ( b ) 中待拆卸零件2 的g ；值是2 ，因为零 件2 沿两个方向都可以拆下来。在图2 6 ( c ) 中，拆卸方向范围由若干 个方向组成，这些方向的终点在高斯球上形成一个圆。为了覆盖拆卸 方向范围，形成宽度为1 “的方格所组成的一条带并且全长为助，相 应的g 。值是2 , x u