汽車曲軸可再制造性評價方法

劉明生

（內江職業技術學院，電氣電子工程系，四川 內江641100）

綠色裝備技術

汽車曲軸可再制造性評價方法

劉明生

（內江職業技術學院，電氣電子工程系，四川 內江641100）

曲軸是汽車發動機的重要零件之一。實施再制造前，對曲軸的可再制造性進行分析與評價是關系舊曲軸能否進行再制造的關鍵。概要介紹了可再造性的相關概念及其主要的評價參數，歸納總結了可再制造性評價的基本方法，并對曲軸的剩余壽命評估技術進行了必要的探討。

再制造；可再制造性；評價方法；剩余壽命評估；曲軸

再制造是國家倡導的循環經濟中“再利用”的高級形式，它既是制造的創新，也是經營模式的創新，也成為現代制造服務業的重要內容［1］。

目前產品壽命終結后的處理方法主要有：回收、再利用和再制造。無疑最有利于環保和可持續發展的便是產品的再制造。因為再制造時，產品的幾何形狀能保持原狀，零件和產品的功能得以保持，而產品和零件中的附加值得以保留。因此，正確有效地評價曲軸的可再制造性，不僅可以評判曲軸是否值得再制造和可再制造性的大小，同時還可以為曲軸設計者在設計初期就考慮其可再制造性提供有效的技術支持。文中主要通過對產品可再制造性的相關參數的分析并結合曲軸剩余壽命評估技術，歸納出曲軸可再制造性的定性和定量評價方法，最終以量化的指標客觀上反映廢舊曲軸是否適合再制造。

1　再制造性的基本概念

1.1再制造性R（a）

是指廢舊產品在規定的條件下和規定的費用內，按規定的程序和方法進行再制造時，恢復或升級到規定性能的能力，可以用概率表示為：0＜R（a）＜1，評價產品的再制造性包括從廢舊產品的回收至再制造產品的銷售整個階段，其具有地域性、時間性和環境性等特性。

1.2再制造性參數

再制造性參數是度量再制造性的尺度，常見的再制造性參數主要有：

（1）再制造費用參數。是最重要的再制造性參數，它直接影響廢舊產品的再制造的經濟性，決定了再制造企業的經濟效益，所以應用最廣。具體可以用平均再制造費用Rˉmc、最大再制造費用Rmaxc、再制造費用中值R?mc、再制造產品價值Vrp及再制造環保價值Vre等指標來考量，其中平均再制造費用是最基本的參數，可按下式進行計算：

式中，Ci為規定條件下完成再制造的實際費用；N為再制造廢舊產品的個數；mc為平均再制造費用。

（2）再制造時間參數。再制造時間參數能反映再制造的人力和機時消耗，可以用再制造時間Rt、平均再制造時間t和最大再制造時間Rmaxt等指標來考量。

（3）再制造性環境參數。可以用材料質量回收率Rw、零件價值回收率Rv和零件數量回收率RN等指標來考量。

總之，產品再制造具有巨大的經濟、社會和環境效益，實現再制造及時、有效、經濟、環保，不僅是再制造階段應當考慮的問題，而且必須從產品的全系統、全壽命周期進行考慮［2］。

1.3曲軸的再制造建模

建立再制造模型其目的是用模型來表達系統與各單元再制造性的關系、再制造性的參數與各設計及保障要素參數之間的關系，供再制造分配、預計及評定使用。曲軸的再制造模型通常分為物理模型和數學模型兩種。其物理模型通常用再制造工藝流程圖、系統功能層次框圖等來表達。曲軸再制造工藝流程圖如圖1所示。

圖1　曲軸再制造工藝流程圖

曲軸的再制造性數學模型主要有再制造性函數和系統再制造費用計算模型兩種，前者表達了規定條件下產品再制造概率與費用的關系，后者主要用來解決再制造費用的計算問題。曲軸的再制造作業主要包括拆解、分類、清洗、檢測、加工、裝配等活動，因此可以看作是串行再制造作業，其職能流程圖如圖2所示。

圖2　曲軸串行再制造作業職能流程圖

式中：C為曲軸某次再制造費用；ci為每項基本的再制造作業費用。

曲軸某次再制造費用可用下式進行計算：

2　曲軸可再制造性評價方法

國內外相關學者在如何分析產品的再制造可行性這一問題上進行了相關研究，WINIFRED等［3］將影響產品再制造性的因素歸納為產品再制造的技術可行性、經濟可行性、環境可行性以及產品服役性等四個方面；DU等［4］提出了廢舊機床可再制造性評估的方法；張國慶等［5］通過建立技術性和經濟性兩大模型，綜合判斷產品的可再制造性。在此基礎上，劉赟等［6］提出了用［0，1］區間上連續的函數來表示再制造性的大小。

2.1再制造性的定性評價

產品的再制造性評估主要有兩種方式：（1）在再制造前對廢舊產品進行再制造合理性評估；（2）在新品設計時進行再制造性評估。針對廢舊產品的定性評價，德國的Rolf Steinhilper教授［7］提出了8個方面的標準，美國的Lund R.教授［8］總結出7條判斷準則。以上這些定性評價方法主要依靠評估者的再制造經驗來進行，因此有一定的局限性。

2.2再制造性的定量評價

廢舊曲軸的再制造特性定量評價是一個綜合的系統工程，研究其評價體系及其方法，建立合理的再制造評價模型，是進行再制造的前提。目前應用比較成熟的定量評價方法主要有：

（1）費用-環境-性能評價法。該評價方法主要是把不同技術方案的費用、技術及環境效能進行比較分析，為再制造方案決策提供依據，并在實施方案過程中，對分析評價的結果反復地進行驗證與反饋。其核心的內容是分析費用-環境-性能因子，主要的技術要點有：

1）確定各因子的評價指標。根據再制造的全周期，將評價體系分為技術、經濟、環境三個方面，并建立相關的評價因子體系結構模型，如圖3所示。

圖3　再制造性評價指標體系結構模型

2）費用-環境-性能評價。通過建立數據庫，輸入相關的要求而獲得不同工藝技術條件下的性能、經濟、環境因子，如圖4所示。

圖4　產品再制造性各因子的評定方法

①技術因子的計算。對i條技術j條工藝情況下的的預測產品的某幾個重要性能如曲軸的彎曲疲勞強度（r）、扭轉疲勞強度（m）、磨損量（e）以及剩余疲勞壽命（f）作為技術因子的主要評價因素，建立技術因子P的一般評價因素集：

建立原產品的技術因子Po的評價因子集：

將Pij1和Po中各對應的評價因素相比，可以得出無量綱評價指標：

建立再制造產品技術因子評價因素集：

化簡得：

則第i種技術第j種工藝條件下的技術因子可以計算為：

式（9）中，Pij＞1時，表明再制造產品的綜合性能優于原品。與此同時，借助于計算的技術因子按式（10）可以預測再制造后產品的價值.

式中，

Cij為第i種技術第j種工藝條件下生成的再制造產品的價值；

Cm為原品的價值；

Pij為第i種技術第j種工藝情況下的技術因子；

a為系數。

②經濟因子的計算。假設再制造過程分為n個階段，每個階段的支出費用分別為Ck，則全階段的支出費用為：

式中，a1，a2，a3，a4分別為rijo，mijo，eijo，fijo的權重系數，且滿足.建立各評價因素的權重系數：

③環境因子的計算環境因子的評價主要采用黑盒方法，通過對比建立環境因子Eij，其值越小，說明再制造的環境性越好，同時參照相關環境因素的評價，計算環境收益Ceij.

④確定再制造性量值。通過對技術、經濟、環境因子的求解，可獲得在第i種技術第j種工藝情況下的再制造性量值Rnij.

由此可見，Rnij的值介于0與1之間，值越大，說明再制造性就越好，其經濟利潤越好。通過反復循環求解，即可求出在有效技術工藝下的最佳再制造性量Rnb.

綜上所述，通過再制造性的評價方法，可以確定不同的再制造技術工藝路線，提供不同的再制造方案，計算出最佳再制造性量值，最終確定產品再制造方案。

（2）模糊綜合評價法。是借助于模糊集理論對某一廢舊產品再制造性進行綜合評價的一種方法，該方法的優勢在于能用定量的數學方法處理那些對立或有差異、沒有絕對界限的定性概念。其核心思想是通過建立因素集→權重集B→評價集V→模糊評價矩陣→整體綜合評價得到隸屬函數C：

隸屬函數值C就是產品的再制造性評價值，與評價集V中的評價范圍對照，即可得到產品再制造性的評價等級。

（3）層次分析法（簡稱AHP）。最早由美國匹茲堡大學T.L.Satty教授提出來，是分析多目標、多準則的復雜系統的有效手段，并能將再制造性的定性分析和定量分析有機結合起來［9］。該方法的核心在于能有效建立起模糊評價與精確評價之間的邏輯關系。其主要參數指標包括：AHL標度、AHL一致性檢驗，兩者相互依存。

3　再制造曲軸毛坯剩余壽命評估技術

再制造生產的對象是達到一定服役年限的產品。再制造前，必須評估廢舊零件的損傷程度，預測其剩余壽命，以便篩選出值得再制造的廢舊零件。目前預測曲軸毛坯剩余壽命的方法有：

（1）力學方法。該方法通過建立疲勞宏觀力學反應量之間關系的理論模型來預測壽命，但預測的壽命結果與工況環境下的實際壽命會有較大差距，因此，實際應用價值并不大。

（2）有限元仿真模擬計算法。該方法主要通過建立曲軸有限元模型并結合應力、應變壽命曲線和適當的損傷累積法則，進行構件的疲勞壽命預測。國內外的專家學者在這方面進行了大量的研究與實踐，宋守許［10］等提出了強度亢余的概念，利用零部件“設計、服役、再制造”階段的性能退化規律，提取出表征零部件再制造性的定量指標；劉明生等人［11～13］結合傳統的疲勞壽命預測方法、損傷力學和Miner疲勞損傷積累準則提出了曲軸剩余疲勞壽命的計算公式：

式中，

Nr為曲軸的剩余疲勞壽命；

Nmax為最大載荷下的疲勞壽命；

Ne為最大載荷下的當量壽命；

ni為某一給定循環載荷下的實際循環次數。

Ni為某一給定循環載荷下所能承受的最大循環次數。

其曲軸疲勞壽命預測方法如圖5所示。

圖5　曲軸疲勞壽命預測方法

溫海駿［14］等人則通過建立RS-TOPSIS再制造曲軸質量評價模型，得到回收曲軸的質量分類貼近度區間，為快速高效評價再制造毛坯質量提供了一條可靠有效的途徑。

（3）無損檢測方法。無損檢測方法有很多種，下面重點介紹近年新出現的金屬磁記憶檢測和超聲相控陣技術。

1）金屬磁記憶技術（MMMT）。該技術最為突出的優勢在于可以發現鐵磁材料由于隱性不連續造成的應力集中位置，實現早期診斷。董世運等人［15］在該技術應用方面做了有效的探索，其研究成果證實了金屬磁記憶技術應用于曲軸壽命評估的可行性，由此提出了磁信號表征疲勞裂紋萌生壽命的計算公式：

式中：系數a、b為由載荷控制的參量。

董麗虹［16］等人通過對曲軸應力集中部位采集疲勞損傷過程中的電磁損傷信息進行監測，得出了新品曲軸與廢舊曲軸在疲勞試驗過程中磁信號的變化曲線（見圖6）。

圖6　不同曲軸的磁記憶檢測信號

隨后董麗虹［17］發明了曲軸再制造壽命評估系統及方法。利用該發明可以計算退役曲軸的裂紋面積隨疲勞周次的裂紋面積擴展規律，并因此確定退役曲軸的剩余疲勞壽命。

2）超聲相控陣技術。超聲相控陣換能器的設計基于惠更斯原理。超聲相控陣聲束的發射和接收過程如圖7所示。

圖7　超聲相控陣信號的發射與吸收過程

閆曉玲等人［18］采用該技術能檢測出曲軸裂紋的位置和長度。其檢測結果如圖8所示。

圖8　超聲相陣檢測結果

4　結束語

（1）曲軸的可再制造性評價方法分為定性評價與定量評價。其中采用費用-環境-性能評價法能比較全面的評價曲軸的可制造性。

（2）針對再制造前曲軸毛坯的檢測，采用金屬磁記憶技術和超聲相控陣技術都有一定的推廣、應用前景。

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Evaluation Method of Remanufacturing Automotive Crankshaft

LIU Ming-sheng
（Neijiang Vocational&Technical College，Department of Electrical and Electronic engineering，Neijiang Sichuan 641100，China）

Crankshaft is one of the important parts of the engine.Before implementing the remanufacture，the remanufacture of crankshafts for analysis and evaluation is key to remanufacturing old crankshaft can.Summary introduction the concept related to renewable and main evaluation parameters，summarized the remanufacture of the basic method，residual life assessment techniques and the crankshaft is a necessary discussion.

remanufacturing；manufacturing；evaluation；remaining life assessment；crankshaft

U464.133

A

1672-545X（2016）07-0114-05

2016-04-09

四川省教育廳理工重點課題（14ZA0337）

劉明生（1966-），男，重慶江津區人，本科，副教授，研究方向：機電一體化技術、綠色制造技術。