再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度不確定性測度及應(yīng)用研究*

劉從虎，劉明周，邢玲玲，劉長義

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009； 2.安徽工程大學(xué)管理工程學(xué)院，蕪湖 241000)

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2015060

再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度不確定性測度及應(yīng)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(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009； 2.安徽工程大學(xué)管理工程學(xué)院，蕪湖 241000)

本文中對發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造生產(chǎn)過程的不確定性進(jìn)行研究。首先，從回收曲軸損傷不同、修復(fù)工藝不同導(dǎo)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(nèi)涵，以軸頸最佳粗糙度為參考基準(zhǔn)，對其不確定性測度進(jìn)行了研究；然后，考慮到軸頸表面粗糙度不確定性與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的非線性、模糊和灰色關(guān)系，構(gòu)建了兩者的灰關(guān)聯(lián)映射模型，揭示了再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度不確定性與產(chǎn)品質(zhì)量之間的耦合機(jī)理；最后，通過某再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量數(shù)據(jù)驗(yàn)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(yè)領(lǐng)域全面推行循環(huán)型生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，已成為解決資源危機(jī)、環(huán)境污染問題的有效方式之一，對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)具有十分重要的意義[1-2]。我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中明確要求“開發(fā)應(yīng)用再制造等關(guān)鍵技術(shù)，推廣循環(huán)經(jīng)濟(jì)典型模式”。2010年10月，再制造產(chǎn)業(yè)被國家列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對再制造具有十分迫切的需求，再制造的初步應(yīng)用也已取得了非常明顯的節(jié)能減排效果。但目前再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、范圍窄和再制造產(chǎn)品質(zhì)量與服役安全性能存在的問題與不足成為再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的瓶頸。

由于再制造工程誕生時(shí)間較短、多學(xué)科交叉，仍然存在一些基礎(chǔ)技術(shù)問題沒有解決，有關(guān)再制造不確定性理論就是其中之一。查閱國內(nèi)外與再制造相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)“不確定性(uncertainty)”是頻次最高的一個(gè)詞語，絕大多數(shù)文獻(xiàn)僅僅把“不確定性”作為一種現(xiàn)象進(jìn)行分析，鮮有文獻(xiàn)對再制造不確定性的內(nèi)涵與測度進(jìn)行研究[3-5]。再制造的實(shí)施面臨多重不確定性，現(xiàn)有的文獻(xiàn)主要是把不確定性作為一個(gè)背景或者約束條件來處理，包括：回收產(chǎn)品的時(shí)間與數(shù)量不確定[6-8]、再制造生產(chǎn)計(jì)劃不確定[9-10]、回收產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)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(huán)境下再制造生產(chǎn)過程質(zhì)量控制機(jī)制的研究也相對較少：如文獻(xiàn)[13]中從質(zhì)量改進(jìn)、產(chǎn)品生命周期和質(zhì)量環(huán)等機(jī)理入手，提出基于“廣義PLC”、“生態(tài)質(zhì)量環(huán)”處理再制造的思想；文獻(xiàn)[5]中研究了面向不確定性和質(zhì)量目標(biāo)的再制造零件公差分級(jí)選配方法；文獻(xiàn)[14]中基于模糊層次分析法提出了量化廢舊輪式裝載機(jī)零部件可重用度的質(zhì)量評價(jià)模型。以上研究為再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了支持。再制造生產(chǎn)過程的高不確定性，正表明對再制造過程的某些環(huán)節(jié)或認(rèn)識(shí)還不夠深入細(xì)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(shè)法獲得盡可能多的有用信息，用于監(jiān)測再制造生產(chǎn)過程，并據(jù)此做出恰當(dāng)?shù)呐袛嗷驔Q策。因此，再制造加工過程不確定性科學(xué)問題的研究，成為再制造規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化亟待解決的理論基礎(chǔ)。

本文中對再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度的不確定性內(nèi)涵和測度進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主要失效形式之一。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸磨損包括主軸頸和連桿軸頸的磨損。由于工作機(jī)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(yán)重。另外由于潤滑油中存在雜質(zhì)和潤滑系統(tǒng)故障，曲軸軸頸處會(huì)產(chǎn)生擦傷、劃痕、磨料磨損和粘著磨損等現(xiàn)象。根據(jù)曲軸和連桿的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作環(huán)境不同，導(dǎo)致其損傷程度也不同。因此，采用的再制造修復(fù)技術(shù)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(fù)技術(shù)使再制造發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度不確定性的關(guān)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(jù)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(gè)等級(jí)：

(1)

則整體曲軸軸頸的表面粗糙度不確定性測度指數(shù)為

(2)

2 曲軸軸頸表面粗糙度不確定度與質(zhì)量灰關(guān)聯(lián)映射描述

2.1 可行性分析

不確定環(huán)境下再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配過程中，存在著動(dòng)態(tài)、非線性和模糊的相互作用，不同程度地影響最終產(chǎn)品的質(zhì)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(gè)零部件質(zhì)量屬性與產(chǎn)品性能之間的映射關(guān)系。

考慮到灰色關(guān)聯(lián)分析法是根據(jù)各因素變化曲線幾何形狀的相似程度，來判斷因素之間關(guān)聯(lián)程度的方法，且使用的數(shù)據(jù)量具有要求較低、分辨率高等特點(diǎn)[17]，本文中采用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析法描述再制造曲軸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量映射關(guān)系，探索再制造發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部不確定性的發(fā)展變化過程。

2.2 灰關(guān)聯(lián)映射模型

對不同批次再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度進(jìn)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(gè)軸頸表面粗糙度序列；xi(j)表示序列Xi的第j個(gè)不確定度值；n為測量曲軸的樣本數(shù)值。

對應(yīng)批次的再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性(功率、轉(zhuǎn)速、耗油量和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速：Y2={y2(1),y2(2),y2(3),…,y2(n)}

耗油量：Y3={y3(1),y3(2),y3(3),…,y3(n)}

轉(zhuǎn)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(gè)點(diǎn)的數(shù)，其中Yl表示集合{Y1,Y2,Y3,Y4}中的其中一個(gè)。

(3)

2.3 映射關(guān)系描述

令：r(yl(k),xj(k))=rlj

(4)

則再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性映射關(guān)系矩陣為

(5)

有鑒于軸頸表面粗糙度不確定性與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的非線性、模糊和動(dòng)態(tài)映射關(guān)系，本文中采用灰關(guān)聯(lián)分析法，構(gòu)建出再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性(功率、轉(zhuǎn)速、耗油量、轉(zhuǎn)矩)灰色映射矩陣，定量化描述兩者之間的內(nèi)在關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的灰關(guān)聯(lián)映射關(guān)系矩陣，可以明確不確定環(huán)境下再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系，揭示再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的耦合機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)再制造曲軸的加工和裝配過程，提高再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量和服役安全性。

3 實(shí)例分析

本文中以某企業(yè)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸(型號(hào)：AMSTM-32)為例進(jìn)行分析?；厥盏狡髽I(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過拆卸后，對曲軸進(jìn)行全面檢查，根據(jù)檢查數(shù)據(jù)將曲軸分類處理為再利用件、可再制造件和不可修復(fù)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(jīng)過清洗油脂和除銹后，送到曲軸再加工生產(chǎn)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(gè)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(dǎo)致各個(gè)軸頸表面粗糙度的不確定性高。

企業(yè)采用基于PC的表面粗糙度測量儀為測量平臺(tái)，該測量儀粗糙度輪廓圖形放大倍率為10-500 000自動(dòng)調(diào)整，粗糙度測量范圍為0.01-10μm。為了便于認(rèn)讀、測量和計(jì)算，設(shè)定測試工具的單位刻度值b=1μm。

收集2012年6-12月共計(jì)6個(gè)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(shù)據(jù)和該批次再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)和再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量數(shù)據(jù)

注：Xj為不確定度；Yl為再制造發(fā)動(dòng)機(jī)中因曲軸(直接原因和間接原因)而導(dǎo)致的質(zhì)量不合格的比率。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)計(jì)算再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性映射關(guān)系矩陣為

根據(jù)再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性映射關(guān)系矩陣，可以得到如下結(jié)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(guān)聯(lián)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(zhuǎn)速)的關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)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(zhuǎn)矩)的關(guān)聯(lián)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(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量關(guān)聯(lián)較大。

通過再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性映射關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，指導(dǎo)曲軸再制造加工，為提高再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量提供有力支持。

4 結(jié)論

提升再制造產(chǎn)品質(zhì)量和服役安全性能是再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的瓶頸，而再制造生產(chǎn)過程不確定性研究是提升再制造產(chǎn)品質(zhì)量和服役安全性的關(guān)鍵。本文中以再制造發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性(功率、轉(zhuǎn)速、耗油量、轉(zhuǎn)矩)灰關(guān)聯(lián)映射模型，明確不確定環(huán)境下再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系，揭示了再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸表面粗糙度不確定性與產(chǎn)品質(zhì)量之間的耦合機(jī)理。

實(shí)例驗(yàn)證結(jié)論表明，通過再制造曲軸各個(gè)軸頸表面粗糙度不確定度與再制造發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量屬性映射關(guān)系矩陣，能夠明確描述不確定性對再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，指導(dǎo)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工和裝配，為提升再制造產(chǎn)品質(zhì)量和服役安全性提供決策支持。

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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(jì)劃項(xiàng)目(2011CB013406)和安徽省高校省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)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。