再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度不確定性測度及應用研究*

劉從虎，劉明周，邢玲玲，劉長義

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2.安徽工程大學管理工程學院，蕪湖 241000)

?

2015060

再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度不確定性測度及應用研究*

劉從虎1,2，劉明周1，邢玲玲1，劉長義1,2

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2.安徽工程大學管理工程學院，蕪湖 241000)

本文中對發動機曲軸再制造生產過程的不確定性進行研究。首先，從回收曲軸損傷不同、修復工藝不同導致軸頸表面粗糙度存在差異的角度，分析了再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性的內涵，以軸頸最佳粗糙度為參考基準，對其不確定性測度進行了研究；然后，考慮到軸頸表面粗糙度不確定性與發動機質量的非線性、模糊和灰色關系，構建了兩者的灰關聯映射模型，揭示了再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度不確定性與產品質量之間的耦合機理；最后，通過某再制造發動機質量數據驗證了該方法的可行性和有效性。

再制造；曲軸軸頸；表面粗糙度；不確定度

前言

再制造是工業領域全面推行循環型生產方式的關鍵技術，已成為解決資源危機、環境污染問題的有效方式之一，對建設資源節約型、環境友好型社會具有十分重要的意義[1-2]。我國“十二五”發展規劃中明確要求“開發應用再制造等關鍵技術，推廣循環經濟典型模式”。2010年10月，再制造產業被國家列為戰略性新興產業。我國經濟社會發展對再制造具有十分迫切的需求，再制造的初步應用也已取得了非常明顯的節能減排效果。但目前再制造產業規模小、范圍窄和再制造產品質量與服役安全性能存在的問題與不足成為再制造產業規模化發展的瓶頸。

由于再制造工程誕生時間較短、多學科交叉，仍然存在一些基礎技術問題沒有解決，有關再制造不確定性理論就是其中之一。查閱國內外與再制造相關文獻，發現“不確定性(uncertainty)”是頻次最高的一個詞語，絕大多數文獻僅僅把“不確定性”作為一種現象進行分析，鮮有文獻對再制造不確定性的內涵與測度進行研究[3-5]。再制造的實施面臨多重不確定性，現有的文獻主要是把不確定性作為一個背景或者約束條件來處理，包括：回收產品的時間與數量不確定[6-8]、再制造生產計劃不確定[9-10]、回收產品質量等級的不確定[11]和再制造加工路徑不確定[12]等。另一方面，不確定環境下再制造生產過程質量控制機制的研究也相對較少：如文獻[13]中從質量改進、產品生命周期和質量環等機理入手，提出基于“廣義PLC”、“生態質量環”處理再制造的思想；文獻[5]中研究了面向不確定性和質量目標的再制造零件公差分級選配方法；文獻[14]中基于模糊層次分析法提出了量化廢舊輪式裝載機零部件可重用度的質量評價模型。以上研究為再制造產業的發展提供了支持。再制造生產過程的高不確定性，正表明對再制造過程的某些環節或認識還不夠深入細致，或很難做到精確定量。再制造不確定性研究就是要在這種情況下，設法獲得盡可能多的有用信息，用于監測再制造生產過程，并據此做出恰當的判斷或決策。因此，再制造加工過程不確定性科學問題的研究，成為再制造規模化和產業化亟待解決的理論基礎。

本文中對再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度的不確定性內涵和測度進行研究和探索。

1 再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性度量

1.1 再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性分析

軸頸磨損是發動機曲軸的主要失效形式之一。發動機曲軸軸頸磨損包括主軸頸和連桿軸頸的磨損。由于工作機理不同，連桿軸頸磨損相對較大。主軸頸磨損后尺寸變小，并呈橢圓形，在向著連桿軸頸的部位磨損尤其嚴重。另外由于潤滑油中存在雜質和潤滑系統故障，曲軸軸頸處會產生擦傷、劃痕、磨料磨損和粘著磨損等現象。根據曲軸和連桿的結構、材質和工作環境不同，導致其損傷程度也不同。因此，采用的再制造修復技術方式也不同。目前再制造曲軸主要采用鍍鉻、鍍鐵或熱噴涂等工藝[15-16]。不同的修復技術使再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度與新品相比存在著差異，而這些差異，也正是再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度不確定性的關鍵所在。

1.2 再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性測度

根據再制造曲軸軸頸表面粗糙度存在的差異性和可測性，本文中建立如下再制造曲軸軸頸表面粗糙度的不確定性測度。

(1) 令曲軸表面粗糙度按照測試工具的能力分為以下n個等級：

(1)

則整體曲軸軸頸的表面粗糙度不確定性測度指數為

(2)

2 曲軸軸頸表面粗糙度不確定度與質量灰關聯映射描述

2.1 可行性分析

不確定環境下再制造發動機的裝配過程中，存在著動態、非線性和模糊的相互作用，不同程度地影響最終產品的質量和性能。由于受處理方法和工具的限制，不能客觀地反映出各個零部件質量屬性與產品性能之間的映射關系。

考慮到灰色關聯分析法是根據各因素變化曲線幾何形狀的相似程度，來判斷因素之間關聯程度的方法，且使用的數據量具有要求較低、分辨率高等特點[17]，本文中采用灰色系統關聯分析法描述再制造曲軸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量映射關系，探索再制造發動機系統內部不確定性的發展變化過程。

2.2 灰關聯映射模型

對不同批次再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度進行無量綱化處理后得

X1={x1(1),x1(2),x1(3),…,x1(n)}；

X2={x2(1),x2(2),x2(3),…,x2(n)}；

…

Xi={xi(1),xi(2),xi(3),…,xi(n)}；

…

式中：Xi為第i個軸頸表面粗糙度序列；xi(j)表示序列Xi的第j個不確定度值；n為測量曲軸的樣本數值。

對應批次的再制造發動機質量屬性(功率、轉速、耗油量和轉矩)的不合格率無量綱化處理后分別為

功率：Y1={y1(1),y1(2),y1(3),…,y1(n)}

轉速：Y2={y2(1),y2(2),y2(3),…,y2(n)}

耗油量：Y3={y3(1),y3(2),y3(3),…,y3(n)}

轉矩：Y4={y4(1),y4(2),y4(3),…,y4(n)}

令Yl為參考序列，Xj為比較序列，yl(k)和xj(k)分別為Yl與Xj的第k個點的數，其中Yl表示集合{Y1,Y2,Y3,Y4}中的其中一個。

(3)

2.3 映射關系描述

令：r(yl(k),xj(k))=rlj

(4)

則再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量屬性映射關系矩陣為

(5)

有鑒于軸頸表面粗糙度不確定性與發動機質量的非線性、模糊和動態映射關系，本文中采用灰關聯分析法，構建出再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量屬性(功率、轉速、耗油量、轉矩)灰色映射矩陣，定量化描述兩者之間的內在關系，如圖1所示。

通過再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機產品質量的灰關聯映射關系矩陣，可以明確不確定環境下再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度與產品質量之間的關系，揭示再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機產品質量的耦合機理，進而指導再制造曲軸的加工和裝配過程，提高再制造發動機的產品質量和服役安全性。

3 實例分析

本文中以某企業再制造發動機曲軸(型號：AMSTM-32)為例進行分析。回收到企業的發動機，經過拆卸后，對曲軸進行全面檢查，根據檢查數據將曲軸分類處理為再利用件、可再制造件和不可修復廢棄件3類。其中曲軸再加工過程中主要是針對軸頸磨損和軸頸表面裂紋、劃痕與燒傷。經過清洗油脂和除銹后，送到曲軸再加工生產線。在曲軸磨床上精磨主軸頸和連桿軸頸，保證軸頸表面粗糙度要求。但由于各個軸頸磨損和損傷形式不一樣，軸頸精磨的方式和程度也各有不同，導致各個軸頸表面粗糙度的不確定性高。

企業采用基于PC的表面粗糙度測量儀為測量平臺，該測量儀粗糙度輪廓圖形放大倍率為10-500 000自動調整，粗糙度測量范圍為0.01-10μm。為了便于認讀、測量和計算，設定測試工具的單位刻度值b=1μm。

收集2012年6-12月共計6個月的AMSTM-32再制造曲軸，如圖2所示。軸頸表面粗糙度不確定度抽樣測試數據和該批次再制造發動機質量數據，如表1所示。

表1 再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定度抽樣測試數據和再制造發動機質量數據

注：Xj為不確定度；Yl為再制造發動機中因曲軸(直接原因和間接原因)而導致的質量不合格的比率。

根據表1數據，運用灰關聯計算再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量屬性映射關系矩陣為

根據再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量屬性映射關系矩陣，可以得到如下結論：

(1) 連桿軸頸X4和主軸軸頸X1的表面粗糙度不確定性對Y1(功率)的關聯較大；

(2) 連桿軸頸X4和主軸軸頸X1的表面粗糙度不確定性對Y2(轉速)的關聯較大；

(3) 主軸軸頸X9和主軸軸頸X7的表面粗糙度不確定性對Y3(耗油量)的關聯較大；

(4) 連桿軸頸X6和連桿軸頸X8的表面粗糙度不確定性對Y4(轉矩)的關聯較大；

(5) 連桿軸頸X4和X6的表面粗糙度不確定性對再制造發動機整體質量關聯較大。

通過再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量屬性映射關系矩陣，能夠定量化描述再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性對再制造發動機產品質量的影響，指導曲軸再制造加工，為提高再制造發動機產品質量提供有力支持。

4 結論

提升再制造產品質量和服役安全性能是再制造產業規模化發展的瓶頸，而再制造生產過程不確定性研究是提升再制造產品質量和服役安全性的關鍵。本文中以再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度不確定性為研究對象，分析了再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性的內涵，研究了再制造曲軸軸頸表面粗糙度不確定性測度方法；建立了曲軸主軸頸和連桿軸頸的表面粗糙不確定度與再制造發動機質量屬性(功率、轉速、耗油量、轉矩)灰關聯映射模型，明確不確定環境下再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度與產品質量之間的關系，揭示了再制造發動機曲軸軸頸表面粗糙度不確定性與產品質量之間的耦合機理。

實例驗證結論表明，通過再制造曲軸各個軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發動機質量屬性映射關系矩陣，能夠明確描述不確定性對再制造發動機產品質量的影響，指導再制造發動機曲軸的加工和裝配，為提升再制造產品質量和服役安全性提供決策支持。

[1] 徐濱士.再制造工程的現狀與前沿[J].材料熱處理學報,2010,31(1):10-14.

[2] Liu M, Liu Conghu, Zhu Q. Optional Classification for Reassembly Methods with Different Precision Remanufactured Parts[J]. Assembly Automation,2014,34(4):315-322.

[3] Ramesh Subramoniam, Donald Huisingh, Ratna Babu Chinnam. Remanufacturing for the Automotive Aftermarket-strategic Factors: Literature Review and Future Research Needs[J]. Journal of Cleaner Production,2009,17:1163-1174.

[4] Mehmet Ali Ilgin, Surendra M Gupta. Environmentally Conscious Manufacturing and Product Recovery (ECMPRO): A Review of the State of the Art[J]. Journal of Environmental Management,2010,91:563-591.

[5] Liu M, Liu C, Xing L, et al. Study on a Tolerance Grading Allocation Method Under Uncertainty and Quality Oriented for Remanufactured Parts[J]. Int J Adv Manuf Technol,2013,1-8.DOI 10.1007/s00170-013-4826-z.

[6] Qiang Q, Ke K, Anderson T, et al. The Closed-loop Supply Chain Network with Competition, Distribution Channel Investment, and Uncertainties[J]. Omega,2013,41:186-194.

[7] Amin S H, Zhang G. A Three-stage Model for Closed-loop Supply Chain Configuration Under Uncertainty[J]. International Journal of Production Research,2013,51(5):1405-1425.

[8] Inderfurth K. Impact of Uncertainties on Recovery Behavior in a Remanufacturing Environment: a Numerical Analysis[J]. International Journal of Physical Distribution & Logistics Management,2005,35(5):318-336.

[9] Kenné J P, Dejax P, Gharbi A. Production Planning of a Hybrid Manufacturing-remanufacturing System Under Uncertainty Within a Closed-loop Supply Chain[J]. International Journal of Production Economics,2012,135(1):81-93.

[10] 蘇春,沙洋娟.基于混合不確定性和證據理論的再制造生產計劃[J].東南大學學報(自然科學版),2010(40):712-716.

[11] Ferguson Mark, Guide V Daniel, et al. The Value of Quality Grading in Remanufacturing[J]. Production and Operations Management,2009,18:300-314.

[12] 李成川,李聰波,曹華軍,等.基于 GERT 圖的廢舊零部件不確定性再制造工藝路線模型[J].計算機集成制造系統,2012,18(2):298-305.

[13] 陳翔宇,梁工謙,馬世寧.基于PMLC再制造產品的持續質量改進[J].中國機械工程,2007,1(18):170-174.

[14] Zhou Jun, Huang Panling, Zhu Yaguang, et al. A Quality Evaluation Model of Reuse Parts and Its Management System Development for End-of-life Wheel Loaders[J]. Journal of Cleaner Production,2012,35:239-249.

[15] 黃邦戈,陸宇衡,謝德錦.發動機曲軸再制造工藝研究[J].裝備制造技術,2011(5).

[16] 梁秀兵,陳永雄,白金元,等.自動化高速電弧噴涂技術再制造發動機曲軸[J].中國表面工程,2010,23(2):112-115.

[17] 劉思峰,黨耀國,方志耕.灰色系統理論及其應用[M].北京:科學出版社,2004.

A Research on the Uncertainty Measure and Its Application tothe Journal Surface Roughness of Remanufactured Engine Crankshaft

Liu Conghu1,2, Liu Mingzhou1, Xing Lingling1& Liu Changyi1,2

1.MechanicalandAutomotiveEngineeringInstitute,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009；2.DepartmentofManagementEngineering,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000

The uncertainty of engine crankshaft remanufacturing process is studied in this paper. Firstly, the uncertainty connotation of the surface roughness of remanufactured crankshaft journals is analyzed from the angle of the existing discrepancy in journal surface roughness caused by the differences of the impairs and repair processes of crankshaft, and with the optimum journal surface roughness as reference base, the uncertainty measure of journal surface roughness is studied. Then with consideration of the nonlinear, fuzzy and grey relations between the uncertainty of journal surface roughness and the quality of engine, a model for the grey correlation mapping between them is established to reveal the coupling mechanism between the surface roughness uncertainty of crankshaft journal and the product quality of remanufactured engine. Finally the feasibility and effectiveness of the method proposed is verified with the quality data of remanufactured engine.

remanufacturing; crankshaft journal; surface roughness; uncertainty

*國家973計劃項目(2011CB013406)和安徽省高校省級科學研究項目(KJ2012B018)資助。

原稿收到日期為2013年5月29日，修改稿收到日期為2013年9月2日。