邵曉軍,白躍偉
(上海第二工業(yè)大學(xué) a.環(huán)境與材料工程學(xué)院;b.智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)
近年來,隨著汽車保有量的逐年快速增加,使用時間較長的車輛逐漸開始進入報廢期。報廢汽車(scrap cars)是指或已經(jīng)達到國家報廢標(biāo)準,或車輛重要部件(如發(fā)動機、底盤、變速器等)嚴重損壞,不能通過國家規(guī)定的機動車運行安全技術(shù)條件的車輛。在過去十年,我國汽車行業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展階段,目前仍處于快速增長狀態(tài)。根據(jù)《中國橡膠工業(yè)年鑒2013—2014》統(tǒng)計的數(shù)據(jù)(參見表1)可以看出,我國汽車產(chǎn)量增長顯著。如果按照年平均增長率10%計算,2018年底我國汽車保有量將達到2.09億輛。如果按照我國現(xiàn)有的汽車報廢率6%~8%測算,到2018年底我國報廢汽車的數(shù)量將達到1 254~1 672萬輛。
表1 2013–2014年我國汽車產(chǎn)量與保有量Tab.1 Scrap car production and ownership in the past 2013–2014
汽車的回收處理分2種情況:① 達到報廢標(biāo)準,這類汽車主要是進行材料回收,無害化處理;②汽車功能喪失,但未達到報廢標(biāo)準,這類汽車主要是進入再制造流程。報廢或功能喪失的汽車如果不及時妥善拆解回收(dismantling and reuse method,DRM),不僅會占用大量的土地資源來存放,還會對環(huán)境造成危害,浪費大量的金屬或非金屬資源。目前,評價報廢汽車拆解回收(scrap cars dismantling and reuse,SCDR)技術(shù)優(yōu)劣主要還是依靠SCDR處置流程的后期運行效果,即從評價DRM工藝方案的合理性、DRM生產(chǎn)線的布局合理性、DRM現(xiàn)場環(huán)境處置技術(shù)水平、材料回收質(zhì)量與效率等方面入手。但是,這些方法具有滯后性,對改進現(xiàn)狀和應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)還是不夠的。從循環(huán)經(jīng)濟理念出發(fā),采取科學(xué)的DRM方法,在汽車產(chǎn)品設(shè)計的早期就將針對報廢車輛的DRM策略/措施/方法引入,可在很大程度上緩解這一問題[1]。因此,開展SCDR的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)研究具有積極的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。
本文基于這樣的目的,通過對國內(nèi)萬方數(shù)據(jù)資源庫以及國外的Springer LINK外文全文數(shù)據(jù)庫、Engineering Village數(shù)據(jù)庫等相關(guān)電子資源,利用相關(guān)關(guān)鍵詞(報廢汽車,DRM等)進行檢索,將近年來本領(lǐng)域面向SCDR相關(guān)技術(shù)的文獻進行了分析,并對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。這將對來自該領(lǐng)域的設(shè)計院、制造公司、報廢汽車處置企業(yè)的工程技術(shù)人員有一定的借鑒作用。
近年來,面向產(chǎn)品全生命周期(product lifecycle)的設(shè)計、制造、服務(wù)的新概念/理念在產(chǎn)品制造的各個環(huán)節(jié)廣泛滲透,催生了許多全新的設(shè)計,改變了產(chǎn)品制造、服務(wù)與使用的全過程。產(chǎn)品的全生命周期是指自產(chǎn)品的設(shè)計、制造開始,經(jīng)過銷售、使用、維護等階段后,產(chǎn)品進入報廢期的所有環(huán)節(jié)和流程。根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟理論,復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)報廢后,要合理利用功能和物理性能還完好的零部件(稱為“再制造”),而不是簡單地將這些產(chǎn)品進行粗暴拆解,簡單分離零部件材料后進行回收。
開展產(chǎn)品全生命周期的汽車設(shè)計,需要建立一個全閉環(huán)的回收系統(tǒng)處置策略,由系統(tǒng)來支持和引導(dǎo)部署相關(guān)技術(shù)活動,而不能由一個開環(huán)的、無監(jiān)控和無改進措施的流程或系統(tǒng)來推動報廢產(chǎn)品處置。根據(jù)傳統(tǒng)的汽車總體設(shè)計方法和相關(guān)文獻,通過歸納分析,給出了下面幾個應(yīng)注意的主要技術(shù)保障措施。
開展面向產(chǎn)品全生命周期的汽車總體設(shè)計,首先需要建立一個綜合性的目標(biāo)模型。目標(biāo)模型會直接影響產(chǎn)品的總體設(shè)計方案,例如,產(chǎn)品參數(shù)與配置方案、發(fā)動機工作模式、汽車的電子系統(tǒng)及控制策略等;這個綜合目標(biāo)模型分解后,形成一系列的子目標(biāo),子目標(biāo)的實施又會對各個部件的具體設(shè)計產(chǎn)生重大影響。因此,建立綜合性的目標(biāo)模型不僅需要考慮產(chǎn)品的功能、性能,還需要從社會需求、產(chǎn)品維護維修、甚至產(chǎn)品的報廢拆解、零部件再制造等方面進行考慮,基于新概念/理念驅(qū)動汽車的總體設(shè)計技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,建立如圖1所示的閉環(huán)模型。由圖中可以看出,目標(biāo)模型的建立、設(shè)計方案的生成以及用戶反饋都是圍繞報廢產(chǎn)品需求驅(qū)動這個核心開展的。
圖1 需求驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計閉環(huán)模型Fig.1 Demand-driven product design closed-loop model
開展面向產(chǎn)品全生命周期的汽車總體設(shè)計,其次需要建立一個綜合評價指標(biāo)評價體系(見圖2)。其作用是對綜合性汽車設(shè)計的目標(biāo)模型的可用性進行評價,其中包括功能/性能評價指標(biāo)、可制造性指標(biāo)、產(chǎn)品可維修性指標(biāo)、產(chǎn)品的經(jīng)濟性指標(biāo)、產(chǎn)品生命周期末期的SCDR可實施性指標(biāo)等。綜合指標(biāo)體系中的指標(biāo)可能相互約束,如果不能科學(xué)地尋找到平衡點,就會顧此失彼。
圖2 需求驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計綜合評價指標(biāo)Fig.2 Comprehensive evaluation index of demand drivenproduct design
開展面向產(chǎn)品全生命周期的汽車總體設(shè)計,還需要考慮如何有效融合最新的科學(xué)技術(shù)以及相關(guān)的信息通信技術(shù)產(chǎn)品,將有關(guān)的新技術(shù)、新方法及時融合到產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中。例如,在設(shè)計階段,有效融合虛擬現(xiàn)實VR/AR等技術(shù),更加合理地設(shè)計出符合人體工程學(xué)的汽車及其功能布局,其仿真模型可以很好地延伸到維修維護階段,降低維修維護成本;在重要或敏感零部件的設(shè)計過程中,合理應(yīng)用無污染、易處理、無危害的新型功能材料,這樣當(dāng)產(chǎn)品到達SCDR處置階段后,就可以更好地分離和回收材料;在設(shè)計過程中,要考慮如何有效支持產(chǎn)品的制造,以便在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)能夠方便地應(yīng)用智能制造技術(shù),進一步降低產(chǎn)品制造成本,并自動記錄產(chǎn)品制造過程的相關(guān)機電系統(tǒng)的物理參數(shù),將其自動延時推廣到產(chǎn)品維護維修階段,有效延長產(chǎn)品的使用壽命,減少不必要的制造活動,節(jié)約制造資源等。
文獻[2-3]中試圖從一個系統(tǒng)的角度提出相關(guān)的技術(shù)活動,但它們還是局限于產(chǎn)品全生命周期的某個環(huán)節(jié)和幾個階段的組合,不能從全局的角度去考慮產(chǎn)品的設(shè)計。雖然現(xiàn)在有學(xué)者提出了面向產(chǎn)品全生命周期的汽車設(shè)計概念,但是具體付諸實施的實際案例和具有相關(guān)報道的文獻還比較有限,其主要原因是汽車制造商和汽車設(shè)計研究院目前主要關(guān)注“如何經(jīng)濟地制造出汽車產(chǎn)品”,以及在用戶后續(xù)的使用過程中,制造商如何通過維修維護環(huán)節(jié),在零部件方面獲取更大經(jīng)濟利益。近年來,國家加大了對報廢汽車處置方面法律法規(guī)的制訂和實施力度,并且隨著這些政策法規(guī)進一步細化和監(jiān)管落實,關(guān)于面向產(chǎn)品全生命周期的汽車設(shè)計理論、技術(shù)方法的研究問題,將會有越來越多的學(xué)者和研究機構(gòu)參與,與之相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計實踐和相關(guān)文獻報道也將越來越豐富和深入。
根據(jù)上文所述,將其概括為圖3所示的模型。從模型中可看出,基于報廢產(chǎn)品處置需求驅(qū)動的汽車設(shè)計技術(shù),即要求在產(chǎn)品設(shè)計、制造、銷售、使用、維護階段就應(yīng)當(dāng)將再循環(huán)理念融入其中,形成一個綠色閉環(huán)鏈,實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期各個階段的節(jié)能環(huán)保。首先,在產(chǎn)品設(shè)計中,主要考慮產(chǎn)品的參數(shù)、配置方案以及控制策略來達到功能/性能評價指標(biāo)、可制造性指標(biāo)等綜合評價指標(biāo)的要求,確保在設(shè)計前端就將循環(huán)理念引入其中。其次,在產(chǎn)品制造過程中,應(yīng)當(dāng)力求生產(chǎn)設(shè)備成本低,能耗小,加工制造技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展的思想,在制造完成后還需進行裝配檢驗,防止產(chǎn)品因為裝配問題而造成資源的浪費,因此,在生產(chǎn)制造過程中,采用精益化理念作為指導(dǎo)方案,達到人、機、料、法、環(huán)等有效協(xié)調(diào)、高效利用、節(jié)能環(huán)保。最后在產(chǎn)品的使用以及維護階段,要考慮產(chǎn)品使用的消耗及費用、服務(wù)模式等,更要考慮在產(chǎn)品壽終正寢之際如何實現(xiàn)材料以及零部件的再利用、再制造、再循環(huán)。針對產(chǎn)品全生命周期過程存在的技術(shù)問題,結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及客戶需求,本文提出采用VR/AR/RT仿真技術(shù),為產(chǎn)品全生命周期設(shè)計理念與汽車產(chǎn)品信息管理、新概念驅(qū)動、循環(huán)經(jīng)濟理論的交互建立可操作的實踐平臺,在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)新知識以及新理念快速和動態(tài)地獲取、共享、復(fù)制和傳統(tǒng)設(shè)計的顛覆。
圖3 面向汽車產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計模型Fig.3 Product life cycle design model for cars
產(chǎn)品服務(wù)性能指標(biāo)有很多,產(chǎn)品在維修維護階段的易拆性是其中的一個重要評價指標(biāo)。其原因在于,這個指標(biāo)不僅要考慮如何通過裝配來實現(xiàn)特定的功能以及滿足所需的性能,還要從維修維護的角度去考慮如何方便拆解產(chǎn)品。這有兩個方面的情況可能涉及:一方面是當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障時,應(yīng)方便地更換有問題的零部件;另一方面,產(chǎn)品制造商/服務(wù)商要考慮到當(dāng)產(chǎn)品報廢時,如何方便分離各個零部件,然后高效、高質(zhì)量地回收零部件材料。汽車產(chǎn)品是一個復(fù)雜的機電一體化的系統(tǒng),其中有易于拆解的零部件(如機械部件,發(fā)動機等),也有不方便拆解的部件(如電瓶等),甚至還有根本就不能拆解的且具有一定危險性的部件(如安全氣囊等),這些零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在早期就要考慮到,否則不僅后期處置費時費力,而且還會造成資源浪費、環(huán)境污染等問題。
用易拆性指標(biāo)來指導(dǎo)汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計,要綜合考慮零部件的材料屬性、功能屬性、環(huán)境安全屬性等因素,針對不同的對象應(yīng)用不同的設(shè)計原則。其中概述如下:
(1)通過合理的結(jié)構(gòu)布局,盡量減少拆解工作量。通過集成部件功能,減少產(chǎn)品中的零部件材料種類,可以有效解決產(chǎn)品SCDR環(huán)節(jié)的拆解工作量。
(2)合理設(shè)計零部件的聯(lián)接方式和零部件空間布局,在維修拆卸階段,保證拆卸使用的工具和拆卸運動方式都比較簡單;選用剛性較好的聯(lián)接結(jié)構(gòu),有效降低零部件的聯(lián)接失效現(xiàn)象。
(3)合理選用同質(zhì)材料,便于識別和分離、分類,減少零部件長期使用過程中出現(xiàn)的零部件結(jié)構(gòu)變異的現(xiàn)象;避免使用易老化的材料,以及避免易腐蝕材料組合的結(jié)構(gòu),有效提高產(chǎn)品部件的使用壽命。
目前的文獻主要圍繞兩個方面的問題開展了研究。① 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品可拆性的關(guān)系的研究,例如,Shivakumar等[4]通過量化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因素來判斷該部件可拆解性;Desai等[5]則從產(chǎn)品可拆性綜合分析模型建模入手,通過分解綜合模型中的影響因素,建立了產(chǎn)品可拆性與影響因素間的關(guān)系函數(shù),具有一定的工程應(yīng)用指導(dǎo)價值。② 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可拆性分析方法的研究。例如,Kroll等[6-7]通過考慮拆卸時間、拆卸類型、拆卸力、以及拆卸可達性等指標(biāo),構(gòu)建了一個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可拆性綜合評價模型;Veerakamolmal等[8]、G¨ung¨or[9]則從約束模型出發(fā),分析零件拆解序列,以高效完成拆解任務(wù)為目標(biāo)開展了相關(guān)的研究;文獻[10-12]中則從最優(yōu)拆解序列研究切入,通過圖論來分析裝配約束,以此來建立零部件的目標(biāo)拆解有向圖模型。
目前的研究大部分還停留在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計技術(shù)階段,或者說稍有超前,將產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)該考慮的因素延伸到維修維護階段,但還是不能延伸到汽車產(chǎn)品報廢拆解階段所要考慮的因素,這樣就導(dǎo)致了國內(nèi)汽車拆解行業(yè)在材料回收利用、機械零部件重用、汽車等壽命使用等方面與國外相比還有較大差距。
理想的汽車產(chǎn)品使用的效果是等壽命報廢,這樣就可以在SCDR階段,僅針對材料重用問題,通過有效分離、分選材料,方便地實現(xiàn)對報廢汽車的處置。但是,由于零部件的功能差異、不同材料等多種因素,通過汽車產(chǎn)品設(shè)計的方法來達到等壽命,這是一個比較困難的課題。在這樣的情況下,它直接帶來的一個問題就是零部件的再利用(再制造)。對于可以通過再制造實現(xiàn)重用的零部件,在SDRC階段最大限度地開展實施“再制造”,不僅可以降低汽車產(chǎn)品制造過程中的資源消耗,從循環(huán)經(jīng)濟的角度出發(fā),還可以創(chuàng)造出有利于人類可持續(xù)發(fā)展的許多可重用的零部件。
再制造的2種主要實現(xiàn)形式是:① 通過拆卸、清洗、檢測、裝配后,可以直接使用。② 通過拆卸、清洗、檢測后,還需要對部分特征重新進行加工,然后再通過檢測、裝配后使用。通常將再制造后可重用的零部件,作為備品備件使用,而不是直接在新車產(chǎn)品中使用。用零部件重用性指標(biāo)來指導(dǎo)汽車設(shè)計主要需考慮如下的原則。
(1)產(chǎn)品壽命平衡原則。從理想的汽車產(chǎn)品使用角度出發(fā),汽車產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)該支持等壽命,但是如果不能實現(xiàn)這個理想情況,那么需要建立一個平衡規(guī)則。例如,在材料選用時,一方面,不能簡單地從等壽命設(shè)計思想出發(fā),選擇材料性能差、不易后期處置的“等壽命”材料;另一方面,也不能為了提高使用壽命,而選用與“易拆性原則”抵觸的材料。
(2)功能部件等壽命原則。根據(jù)布局功能部件的設(shè)計要求,在一個較小的范圍內(nèi),對具有相同或類似功能作用的零件進行等壽命設(shè)計,應(yīng)用先進的有限元技術(shù)與計算機仿真技術(shù),合理設(shè)計功能部件。同時,在局部功能布局的范圍內(nèi),合理選用“等壽命”新型功能材料。當(dāng)產(chǎn)品整體功能不能正常工作的情況下,如果通過分析得出特定功能部件可以完整拆卸、修復(fù)后實現(xiàn)重用的結(jié)論,就可以將功能部件整體處理回收,從而可以實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品部件級回收。
(3)功能部件易拆卸原則。無論是可以再制造的零部件,還是需要材料回收的零部件,都需要能夠方便拆卸,因此,在功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,需要從拆卸工具、拆卸方法、拆卸路徑規(guī)劃、拆卸力矩、拆卸環(huán)境要求等諸多方面進行綜合考慮,從產(chǎn)品有效回收角度來改進功能部件的裝配和拆卸方案。
圍繞該主題,Gaidajis等[13]針對功能部件汽車機油濾清器的再制造開展了討論,由于這個功能部件是一個非運動部件,不存在磨損等受外力、或形變而發(fā)生性能降低的情況,因此是一個比較適合采用“再制造技術(shù)”實現(xiàn)部件功能重用的一個課題,對類似的功能部件重用技術(shù)研究具有一定的借鑒意義;Santini等[14]則是針對汽車座椅這樣的功能部件,通過分析座椅的失效形式、功能性能降低的產(chǎn)生原因,提出了非運動部件的典型功能零部件重用技術(shù);金曉紅等[15-16]、郭廷正等[17]則從一個較為宏觀的分析角度和方法入手,對汽車產(chǎn)品回收的數(shù)據(jù)進行分類匯總,利用概率統(tǒng)計技術(shù)(如威布爾分布模型等)進行零部件回收、重用變量的隨機分布預(yù)測,并利用歷史數(shù)據(jù)對比模擬了(如歐洲汽車市場)零部件回收和重用的情況,建立產(chǎn)品系統(tǒng)回收率與各個分量間的影響分析模型,對于實現(xiàn)行業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展,具有較為重要的理論研究意義和應(yīng)用借鑒價值。
再制造是一種面向產(chǎn)品全生命周期設(shè)計理念的綠色制造,將已報廢或發(fā)生失效的機械產(chǎn)品及其關(guān)鍵零部件按照順序拆卸后,應(yīng)用先進制造工藝進行檢查、修復(fù)和升級改造,使其質(zhì)量、性能等恢復(fù)到原產(chǎn)品甚至超過原產(chǎn)品。拆卸是報廢產(chǎn)品再制造的首要關(guān)鍵步驟,但真實環(huán)境下,產(chǎn)品拆卸存在很多難點問題,如因產(chǎn)品裝配層次未知性(比如模塊化組合等)導(dǎo)致產(chǎn)品因拆卸順序混亂而難以拆卸或因產(chǎn)品裝配的穩(wěn)定性導(dǎo)致拆卸過程中對人身造成危險或是拆卸效率未能通過相關(guān)理論直觀體現(xiàn)。為了解決這些問題,采用拆卸仿真技術(shù),構(gòu)建拆卸仿真系統(tǒng),通過仿真系統(tǒng)找出操作過程中出現(xiàn)的問題和最佳操作路徑。同時,仿真系統(tǒng)在完成產(chǎn)品拆卸的同時,也能進行產(chǎn)品的再制造評估。
圍繞該主題,李六柯等[18]提出了一種Pareto免疫遺傳算法與仿真技術(shù)相結(jié)合的求解方法,表明所提方法能有效降低等待和堵塞造成的無效作業(yè)時間,提高拆卸效率。陶小剛等[19]提出一種基于專家系統(tǒng)的智能裝配及工具庫拆卸拾取技術(shù)。Junior等[20]提出一種考慮再制造環(huán)境中隨機路徑的拆卸主生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型,這一結(jié)果有助于理論和實踐的發(fā)展,填補了對生產(chǎn)計劃與調(diào)度(production plan and control,PPC)系統(tǒng)使用知識的空白,開發(fā)了一種可以在電子表格中很容易實現(xiàn)的數(shù)學(xué)方法。Capraz等[21]旨在評估電子廢棄物(waste electrical and electronic equipment,WEEE)拆卸系統(tǒng)(WEEE disassembly systems,WDS)的替代布局配置。在此背景下,通過使用仿真模型,將各種配置與預(yù)定義的性能標(biāo)準進行了比較。Ito等[22]選擇產(chǎn)品,并在計算機仿真的幫助下對回收公司的生產(chǎn)活動進行模擬,設(shè)計并分析了拆卸使用的產(chǎn)品一些決策政策,避免了過多庫存和新材料的使用,提出了最有效的決策。Deng等[23]開發(fā)了一種基于Unigraphics的減速器拆卸和裝配的虛擬仿真實驗和設(shè)計的新實驗項目。
報廢產(chǎn)品處置受到需求驅(qū)動的影響,因此設(shè)計方法也在發(fā)生相應(yīng)變化,其中在以“節(jié)能減排”需求驅(qū)動下的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)發(fā)展較快,而由于我國仿真技術(shù)起步晚,一些技術(shù)還不夠成熟,還需要較長的一段時間探索仿真技術(shù)在再制造工程中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代建模技術(shù)、計算機技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、人工智能、仿生技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展,建議從事汽車設(shè)計領(lǐng)域的專家應(yīng)該把研究重點放在以下幾方面:
(1)運用計算機仿真與智能制造技術(shù)來為汽車設(shè)計階段、汽車制造階段以及汽車報廢回收階段提供一定的技術(shù)支持。
(2)研究利用汽車全生命周期設(shè)計理念來指導(dǎo)設(shè)計、制造、維修等過程,建立基于報廢產(chǎn)品處置需求驅(qū)動汽車設(shè)計仿真模型,為智能制造以及仿真技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的實踐平臺。
(3)采用系統(tǒng)動力學(xué)研究方法開展報廢產(chǎn)品拆卸仿真技術(shù)與再制造技術(shù)的融合,保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定,延長產(chǎn)品的使用壽命,使資源以及能源得到充分利用,減少報廢產(chǎn)品帶來的資源及能源流失。
報廢產(chǎn)品處置需求驅(qū)動的設(shè)計技術(shù)將是未來的主要研究方向,無論是對經(jīng)濟效益還是環(huán)境效益,它都具有比較大的積極作用,根據(jù)文獻報道和總結(jié),也將看到今后面向SCD的汽車設(shè)計技術(shù)將與傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)有著很大的區(qū)別。
上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報2018年3期