再制造設計在食品機械中的應用

張 丹 于福才 - 廖 攀 周朝賓 - 蔡宗琰 -

(1. 長安大學工程機械學院，陜西 西安 710061；2. 蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

市場競爭的日益激烈與技術環境的日漸復雜，和可持續發展的急迫性與重要性，對食品機械企業的產品創新研制提出了更高要求。環境友好設計方法急需引入食品機械設計中，提升企業綠色產品設計能力。綠色設計指對食品機械結構及零件使用面向再制造設計(Design for Remanufactu-ring)，使設備在設計初始便考慮其后續再制造可行性，令設備在生命周期末端獲得優良的再制造能力。鮑宏等[1]將面向再制造設計思維和創新設計兩者結合，面向設備生命周期再制造性能多角度開展產品設計方法研究及應用。

1 面向再制造設計概述

1.1 中國食品機械現狀

中國食品機械行業起步較晚，高起點企業較少，仍存在一些問題，例如，創新點弱，低水平產品較多，沒有自主研發品牌，一些技術被國外壟斷，需從國外進口大量食品機械，甚至一整套生產線。從事食品機械的研發團隊較少，國家在該領域投入的科研經費、人力物力不足，導致食品機械更新換代較慢，生產線較為落后。由于食品機械質量欠缺，無法長時間服役，導致大量設備以及零部件廢棄。進口設備消耗了國家大量資金，如果能將這些廢舊設備回收再利用，將為國家以及企業節省一大筆開支[2]。

1.2 面向再制造設計概念

再制造設計是依據再制造設計要求，利用先進的技術與設計方法，針對產品自身再制造屬性和再制造生產流程中各個生產環節、技術單元以及資源使用進行全方位規劃，得到最優再制造方案的全部過程。再制造設計的研究重點是產品設計初始的再制造性和驗證評價；再制造系統涵蓋了人員、設備及技術的功能、構成、構建、及運作規律的優化設計方法等。再制造設計的最終目的是運用全系統全生命過程理論，使用先進的科學技術法與手段，設計出擁有優良再制造性的產品。

再制造設計相比傳統設計具有更高難度和技術要求，它有特殊約束條件和更高層次技術難度。利用再制造設計，依據設備情況，對再制造經濟性與資源有害程度進行前期計算和預判，確定具體技術單元，最終得到面向廢棄資源的最優再制造方案。在保證再制造品品質的前提下，完成了再制造資源回收最大化，環境污染最小化，是廢舊產品進行再制造的科學依據[3]。

1.3 再制造性與再制造度

再制造性為物體所固有，作為設備進行再制造的先決條件，是再制造研究的基礎。相同設備在不同條件下具有不同的再制造性，再制造性不能脫離具體條件。設計初始無論是否面向再制造設計，產品的再制造性都客觀存在，隨著時間的推移再制造性會產生變化，并且由于智能化，創新化的技術發展，再制造性隨之增加。

設備回收體現了再制造性，設備價值回收作為一個隨機變量，它隨外部條件變化，因此使用再制造度來定量描述。再制造度指以指定時間和條件為前提，設備服役完畢，考慮在環境技術等諸多因素的前提下，利用再制造所得到利潤和再制造品價值比，可用Rn表示[4]。

(1)

式中：

Cr——再制造設備自身價值；

Ce——再制造環境效益價值；

Cc——過程總投入成本。

若Rn<0，則說明Cc大于Cr+Ce(即再制造得到的所有價值)，再制造有所虧損。若Cc>Cr，再制造環境效益價值Ce值大時，再制造能夠通過尋求資金支持開展，例如政府。在此條件下，再制造得到了環保價值，政府為主要投資者，企業利潤由政府再制造補助得到。

2 面向食品機械再制造設計內容

2.1 再制造設計與評價理論

傳統的食品機械設計通常考慮設備可靠性、運行平穩性、可維護性等，為了提高設備在生命周期末端可用于再制造的能力，需對設備自身的再制造屬性進行綜合設計，即在設備設計初期需面向再制造整體過程進行設備結構等系列設計，并且對設計指標評估與校驗，全面提升食品機械設備的再制造能力和效率。所以，需基于設備屬性設計的相關方法和理論，建立再制造設計指標體系和新設備設計初始再制造設計和評價理論[5-6]。

機械與電子產品失效曲線類似于浴盆形狀，見圖1。在設備服役前期需調試，處于磨合期，失效率較高，但此時間段內維修簡單，成本低廉；磨合期結束后為設備平穩運行階段，此階段偶發故障，多由于人工操作失誤，維修較為容易；曲線第三階段為損耗期，此階段維修頻次與維修成本上升。面向再制造設計考慮到零部件替換與核心零部件保護等，可延長設備偶發故障期，使損耗期故障率下降，減少零部件更換難度與維修難度，降低維修成本，使核心零部件重復利用，最終為企業節省成本[7-9]。

2.2 食品機械梯度壽命設計

傳統食品機械設備屬于單周期產品，利用再制造技術可使其達到多壽命周期循環使用。面向再制造設計的食品機械多壽命周期是一種新型的設備服役模式，因而設計要求不同于傳統的食品機械，其設計核心為針對再制造運用壽命梯度理論，以食品機械服役條件及時間作為基礎進行零件梯度壽命設計。使價值較低，需要反復更換的零件服役時間等于設備單次服役時間；高價值可多次利用的零件服役時間根據工況與性能要求設計為設備單次服役時長的不同梯度倍數。那么在某種食品機械的第N次再制造中僅需更換一次壽命與已達到設計倍數服役年限的零件，簡化了該設備再制造過程中零件剩余壽命評估與再制造工藝的使用。梯度壽命設計見圖2[10-12]。

圖1 浴盆曲線Figure 1 Tub curve

圖2 梯度壽命設計流程Figure 2 Gradient life design flow

3 面向再制造的食品機械設計

3.1 易于拆卸

拆解是進行再制造的必要過程。再制造拆解不同于一般拆卸，要求盡量多地保留拆卸下的零部件使其不受損壞，并保留核心零部件。部分企業已意識到此問題，開始運用卡式與接入式接頭、模塊化零部件，此類型零件更易被拆卸，大大縮短了拆解與裝配耗時。拆卸需要按照一定的順序進行，同一個設備有幾種不同的拆卸順序，面向再制造設計應該考慮拆卸順序合理性，以下列舉幾種易拆卸結構[13-15]。

(1) 如圖3所示，Snap-fit結構可以替代食品機械中的傳統螺栓連接，并且能夠確保連接有效。

圖3 Snap-fit結構Figure 3 Snap-fit structure

(2) 圖4為一種重力連接結構，使用時將一側的接頭擱置于槽孔中，結構的穩定性依靠重力維系，該結構又稱為：擱置式重力連接結構。該結構可以取代傳統結構，不會產生破壞性拆卸。

(3) 圖5為插銷緊扣連接，銷軸2被固定于管接頭1上，管接頭3有開口，當銷軸插入接口并旋轉一定程度后，兩者連接，如需拆修，同樣只需旋轉一定角度即可完成拆卸。

(4) 圖6為普通卡扣。

圖4 重力連接結構Figure 4 Gravity connection structure

1. 管接頭 2. 銷軸 3. 管接頭圖5 插銷緊扣連接Figure 5 Latches tightly connected

圖6 普通卡扣Figure 6 Ordinary buckle

3.2 易于運輸

再制造是將處于生命周期末端的設備進行回收，為再制造品提供原材料。面向再制造設計的食品機械應盡量節省運輸過程中所占空間，避免過多突出部分，因為結構突出部分易被損壞或需要獨立空間。結構設計合理在裝載過程中也具有優勢，盡量使底面接觸部分面積足夠[16]。

3.3 易于分類

零件合理分類，對再制造設備質量有直接影響。合理并且快速地分類可以優化回收庫存成本，縮短再制造時間。在面向再制造設計時應盡量使用標準件，避免出現過多零部件種類，使設備盡可能簡化。為了使分類迅速進行，分類明朗化，應對相同零部件使用可識別記號進行標記，縮短分類耗的時[17]。

3.4 易于清洗

清洗為再制造中至關重要的一步，影響再制造后續修復成功與否。由于拆卸下的零部件存在幾何尺寸受損和螺紋結構等，加之食品機械所處的環境，使零部件易被油垢、食品殘渣等污染，需徹底清洗才能提高再制造品的質量。面向再制造設計應盡量使設備表面光滑，易于清洗。可適當使用表面涂料等方法，減少由于清洗所造成的零部件損傷。

3.5 易于修復

設備的修復和升級是再制造的一個重要程序，使其到達新品，甚至高于新品的質量，從而提升設備的市場競爭力。面向再制造設計時應增加零件可靠性，盡可能降低材料與結構的磨損與折斷，銹蝕與污垢堆積。設計的部件應易于替換，有較好的升級性[18-20]。

4 設計實例

4.1 實例1

圖7為食品機械中常用的齒輪連接結構。改進前，該齒輪連接結構的螺母7聯合軸端限位將零件1與齒輪3串連在軸5上；零件2和零件6是限位所用套筒，4為鍵。齒輪屬于易損零件，常被用于食品機械中，服役過程中需經常維護或更替，改進前對齒輪3進行維護或更換時，需要反復拆裝零件6、7、1、2，加大作業量，過程中如有不慎，會損壞周圍零部件，造成額外損失。

利用再制造設計原理對圖7(a)所示結構改進設計，將軸5 左側螺紋連接鏡像地設計在右側，改進后對齒輪4進行維護時，避免了反復拆、裝的問題。

面向再制造設計還可對一些其它結構進行改進設計，圖8 為食品機械中的一種換熱結構，零件2、3與零件1間有三層連接。圖8(a)所示結構1的兩側零件無法獨立裝卸，同樣出現維護不便的情況。對該結構進行面向再制造設計后，如圖8(b)所示，兩邊的板管可獨立裝卸[21-22]。

4.2 實例2

4.2.1 面向再制造的月餅自動刷油扎孔機設計 通過對陜西省咸陽市紅星軟香酥廠調研了解到，在烤制時為了確保餅體不粘盤，且徹底烤熟，需在餅體表面刷油，并扎孔，而該程序完全依賴人工進行，耗時費力。現利用面向再制造設計原理設計針對該操作的自動刷油扎孔機。

對月餅自動刷油扎孔機進行面向再制造創新設計，設備示意圖見圖9。

1. 換熱器殼 2. 板管 3. 板管圖8 換熱結構改進對比圖Figure 8 Comparison chart of heat transfer structure improvement

1. 凸輪 2. 支架 3. 轉軸 4. Snap-fit 5. 電機 6. 傳送帶 7. 餅體 8. 油刷 9. 刷盤2 10. 針 11. 針盤 12. 支架

圖9 月餅自動刷油扎孔機結構圖

Figure 9 Automatic structure of moon cake

設備通過Snap-fit結構4固定在傳送帶的一側，或對稱的兩側，視產量而定。刷盤9可繞軸3在水平面做180°轉動，生產旺季時可連續刷油，淡季可間歇刷油，當轉離傳送帶時可粘取定量食用油。支架12與針盤11在凸輪機構的帶動下做上下往復運動。刷油結束，支架12帶動針盤11對餅體扎孔，針盤上升過程中，由于刷盤9的阻擋，避免了針盤將餅體帶離。設備整體結構簡單合理，針盤獨立，針與針盤采用螺紋連接，更換簡單。設備連接處采用Snap-fit易拆卸機構，設備整體再制造性強。

圖10為設備刷盤結構，刷盤共16個正圓孔，孔上裝有油刷，孔直徑應略小于餅體直徑，以傳統月餅為例，直徑在5～8 cm，研究取月餅直徑為7 cm，則刷孔直徑設計為6.7 cm，0.3 cm的直徑差可保證刷盤向上運動時不帶走餅體。刷盤上的油刷與油刷孔采用螺紋旋接，方便清洗時油刷的拆卸，同樣為油刷的替換提供了便利條件。刷盤可繞軸在水平面做180°轉動，運動范圍可根據實際情況調整。裝置兩側或者單側放置食用油，每次刷盤運動食用油處蘸取適量油進行刷油工作。

圖10 刷盤Figure 10 Brush plate

圖11為針盤結構，針的覆蓋直徑應等于或略小于刷盤上孔的直徑，研究取6.6 cm，以便針順利進行扎孔作業。

圖11 針盤Figure 11 Needle plate

圖12為針盤整體圖。針盤同樣使用螺紋連接固定于支架間隙中，該設計便于拆卸與位置調整。

圖12 針盤整體Figure 12 The overall image of the dial

圖13為支架與刷盤裝配圖，支架凹槽內使用凸輪結構，凸輪帶動針盤做上下往復運動。

4.2.2 設備仿真 圖14為面向再制造設計的月餅自動刷油扎孔機三維圖。設備可根據實際生產需要安裝在傳送帶一側，或是兩側，研究使裝置安裝在傳送帶一側。

圖13 裝配圖Figure 13 Assembly Figure

圖14 整體三維圖Figure 14 Whole 3D graph

5 結語

本文通過對面向再制造設計理論的分析，結合實際情況，對現有食品機械設備中存在的一些不合理結構，例如齒輪與換熱結構，利用面向再制造設計理論進行改進設計，使其結構更加合理，便于拆卸，提升其再制造價值。并利用該理論對月餅自動刷油扎孔機進行創新設計，將傳統需要人工操作的工序自動化，設備連接處采用易拆卸結構，整體結構設計合理，再制造性強，提升企業效益的同時，使廢舊設備最大程度地投入再制造循環使用，節約了更多資源。

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