廢舊產(chǎn)品綠色拆解特征建模技術(shù)與應(yīng)用*

鄭加德，楊 勇，丁慶瑋

(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266555)

0 引言

拆解是產(chǎn)品回收和再制造重用的前提，產(chǎn)品拆解的性能好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品在后期重用過程中的維護(hù)以及廢棄淘汰后的有效回收和再制造。產(chǎn)品的拆解是產(chǎn)品綠色制造體系［1－2］中的重要組成部分，深入研究產(chǎn)品的拆解將對環(huán)境友好型產(chǎn)品的設(shè)計［3－5］開發(fā)、生產(chǎn)、使用和回收起到至關(guān)重要的作用。同時在生命周期［6－7］過程中，拆解作為一個重要環(huán)節(jié)將影響產(chǎn)品生命周期的評價發(fā)展。

綠色拆解是建立在傳統(tǒng)拆解基礎(chǔ)之上，不僅追求拆解零部件的完整性和無損性，還要進(jìn)一步考慮對環(huán)境影響以及人體安全與健康，從而實現(xiàn)機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。當(dāng)前，隨著大量廢舊產(chǎn)品的產(chǎn)生，如果不采取綠色拆解回收方式，必然會導(dǎo)致資源大量浪費，生態(tài)環(huán)境影響惡劣。因此，針對機(jī)電廢舊產(chǎn)品回收和再制造，深入研究綠色拆解技術(shù)具有十分重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者在綠色拆解方面進(jìn)行了大量的研究。德國的Kahmeyer給出了產(chǎn)品設(shè)計的草圖階段。詳細(xì)設(shè)計階段的可拆卸性設(shè)計準(zhǔn)則，并指出每項準(zhǔn)則對于手工拆卸、自動化拆卸、維修、再制造和材料回收等階段的影響程度。美國的Mok等提出的設(shè)計準(zhǔn)則根據(jù)打分的方法給予量化［8］。例如楊宏建立了拆解方向的數(shù)學(xué)模型，并利用該來解決關(guān)于綠色拆解方向的某些問題［9］。U．Buker等人研究了一種基于視覺控制和視覺導(dǎo)航的自動化拆卸系統(tǒng)，該系統(tǒng)用一個自動的立體攝像機(jī)系統(tǒng)作為視覺傳感器，通過對象輪廓識別和位置測量相結(jié)合的方法來進(jìn)行工具的自動準(zhǔn)確的定位，系統(tǒng)可對汽車輪轂螺母進(jìn)行自動拆卸而且可以不依賴于車輪的類型、大小以及車輪上螺母的數(shù)量［10］。王偉琳針對選擇性拆卸序列規(guī)劃及評價問題進(jìn)行研究，采用圖模型結(jié)合啟發(fā)式算法的方法對拆卸規(guī)劃關(guān)鍵問題進(jìn)行求解，力圖探索提高拆卸效率的新方法［11］。

綜合以上對拆解技術(shù)的研究可看出，有關(guān)拆解技術(shù)的研究主要集中在拆解方向、拆解方法和拆解序列等方面，缺乏對拆解過程的整體性和系統(tǒng)性研究，而面向節(jié)能環(huán)保特性的綠色拆解技術(shù)更是少有報道。將應(yīng)用綠色設(shè)計制造理論和技術(shù)，深入研究綠色拆解技術(shù)，構(gòu)建綠色拆解特征，為進(jìn)行綠色拆解奠定基礎(chǔ)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)拆解工藝在節(jié)能環(huán)保方面的不足。

1 綠色拆解特征模型建立

1．1 綠色拆解特征的表達(dá)

傳統(tǒng)拆解往往建立在目標(biāo)拆解基礎(chǔ)之上，而目標(biāo)拆解只考慮拆解的經(jīng)濟(jì)性，表現(xiàn)在材料的回收價值、拆解成本及達(dá)到快速拆解的技術(shù)要求。傳統(tǒng)拆解理論雖然可以快速實現(xiàn)拆解目標(biāo)，但是拆解的零部件有的已經(jīng)失去再使用或者再制造，因此存在嚴(yán)重的資源浪費，對環(huán)境和水體造成嚴(yán)重污染。綠色拆解是建立在傳統(tǒng)拆解理論基礎(chǔ)上，雖然傳統(tǒng)拆解理論信息表達(dá)上與綠色拆解信息存在一定的差異，但是兩者也存在一些相通的地方。綠色拆解把對環(huán)境的影響性、零部件再制造等特性作為重點考慮的準(zhǔn)則，如拆解排放、噪聲、零部件精度和表面粗糙度等特性。如何從一般產(chǎn)品的拆解過程中提取綠色信息，提出了“綠色拆解特征”，該特征是對大量拆解信息的集成與表達(dá)。

根據(jù)集合理論［13］，綠色拆解特征是一組有關(guān)零部件在拆解過程中綠色信息量化的集合，可以用公式描述如式(1):

式中:FT=﹛Ti，i=1 to n|拆解預(yù)處理，拆解裝夾，拆解工序變化……﹜;FI=﹛Ij，j=1 tom|零部件1，零部件2，零部件3……﹜;FG=﹛Gk，k=1 to p|環(huán)境影響因子，資源量化因子，可再造因子……﹜;GF表示廢舊產(chǎn)品綠色拆解特征，如環(huán)境影響特征、資源特征、可再制造特征等。

綠色拆解特征的三元組合包含了產(chǎn)品拆解的所有過程，保證了綠色拆解信息的完整性。更重要的是綠色拆解特征的三元組合定義具有很高的柔性，適合在拆解方案中存在大量不確定信息的要求。

1．2 拆解信息的表達(dá)

面向再制造的綠色拆解特征建立包含三個層面的信息，首先是時間層面，綠色拆解特征涵蓋了產(chǎn)品在拆解工藝流程中的拆解預(yù)處理、拆解裝夾、拆解工序變化、拆解工位調(diào)整、零部件分類等信息。綠色拆解目的只有兩個，①在拆解過程中實現(xiàn)重要部件的無損傷或者適合再制造;②在拆解過程中對環(huán)境不造成危害，并且利于材料的回收，循環(huán)使用，形成一個閉環(huán)的過程。其次是結(jié)構(gòu)深度層面，一個機(jī)械產(chǎn)品可以按照產(chǎn)品層、功能層、裝置層和零部件層;最后是影響約束層面，綠色拆解特征實現(xiàn)方案是通過產(chǎn)品拆解信息與綠色拆解特征之間的映射約束函數(shù)實現(xiàn)的。這三個層面的信息共同作用、集合構(gòu)成了產(chǎn)品的綠色拆解特征。筆者提出以“矩陣”的形式表達(dá)各個層面上的信息，并通過“矩陣相乘”方式來實現(xiàn)綠色拆解特征的表達(dá)。

將時間層面上信息FT與結(jié)構(gòu)深度信息FI進(jìn)行集合后的結(jié)果定義為面向再制造拆解信息矩陣IT。IT矩陣是數(shù)學(xué)當(dāng)中廣義拆解信息矩陣，它將涉及到綠色拆解的內(nèi)容，包括材料信息、結(jié)構(gòu)信息、配合信息、回收信息等按照時間層面上的各個階段依次排列構(gòu)成拆解信息矩陣。如圖1所示為零部件層的拆解信息矩陣。

圖1 零部件層的拆解信息矩陣

建立的拆解信息矩陣中，列向量表示產(chǎn)品拆解過程中的各個階段，包括廢產(chǎn)品拆解預(yù)處理、拆解裝夾、拆解工序變化、工位調(diào)整、零部件回收分類。如圖1中I1T1表示在目標(biāo)拆解零部件1的預(yù)處理相關(guān)信息，包括零部件材料信息、結(jié)構(gòu)特征、聯(lián)接方式、拆解方向和拆解深度等信息。由于不同產(chǎn)品在信息統(tǒng)計的時候會有個別差異，這時要對應(yīng)的增加或者減少列向量。根據(jù)產(chǎn)品在拆解過程中分為產(chǎn)品層、功能層、裝置層和零部件層，如圖2所示。

圖2 面向綠色拆解特征拆解方案信息表達(dá)

由于有些產(chǎn)品的拆解方案中只是針對某個特定層，例如有些傳動裝置拆解信息只是針對功能層。另外，結(jié)構(gòu)深度層面上的四個層次存在包含關(guān)系，因此匯總信息的時候不能重復(fù)統(tǒng)計。同時如果過多的考慮綠色拆解信息，必然會導(dǎo)致計算繁雜，因此統(tǒng)計綠色拆解信息的時候要考慮主要影響因素，舍輕取重。

1．3 綠色拆解特征映射關(guān)系分析

一個產(chǎn)品的綠色拆解特征是該產(chǎn)品綠色性的重要體現(xiàn)。依據(jù)綠色拆解理念可以把綠色拆解特征分為生態(tài)影響特征、可再制造特征、能源特征和拆解性能特征三方面。

其中生態(tài)影響特征主要考慮大氣影響［13］、水體影響、致癌物質(zhì)影響、固體廢棄物影響、噪音和粉塵;可再制造特征主要考慮零部件磨損、軸線變形和裂紋;能源特征主要考慮電能和化石能源;拆解性能特征主要考慮拆解工具、拆解力和可達(dá)性。由于針對某些特定廢舊產(chǎn)品的綠色拆解特征可以相應(yīng)的減少或者增加必要的考慮因子，從這方面也體現(xiàn)了綠色拆解特征的柔性，為后期的綠色拆解特征提取簡化。

(1)生態(tài)影響特征量化分析 拆解過程中對生態(tài)的影響多種多樣，影響也是各不相同，如何將其量化是一個比較棘手的問題。筆者采用定性加定量的方法來量化各項指標(biāo)。例如大氣影響中采用溫室氣體度量致使全球變暖能力的方法為GWP法，根據(jù)現(xiàn)在普遍認(rèn)為CO2是造成溫室效應(yīng)的主要原因，故拆解過程中產(chǎn)生的各種溫室氣體折算成二氧化碳，用g表示CO2的含量。

(2)可拆解性能特征量化分析 由于拆解過程中有些數(shù)據(jù)難以獲取，不適合后期快速評價，故主要采用定性量化模型。例如拆解工具量化，自動化程度高的就用數(shù)字9表示，人工拆解或使用普通簡單五金工具拆解用1表示，具體情況需要特別處理。

(3)能源特征量化分析 采用電能消耗來表示能源消耗，對于化石能源(煤、石油、天然氣)可根據(jù)相應(yīng)的折算系數(shù)轉(zhuǎn)化為電能。

(4)可再制造特征量化分析

①零件的表面磨損是相對于軸類產(chǎn)品而言或者有相對滑動的零部件，可用磨損率表示，其中磨損率取值為磨損尺寸占原尺寸的比例，用公式表示為:

②軸線變形也是針對軸類零部件且具有塑性，這里選用最大變形偏差與軸的總長度比值來表示:

③裂紋深度是判斷可再制造的一個重要標(biāo)志，根據(jù)零件拆解后是否存在裂紋，可通過目測、敲擊和磁粉探傷方法。筆者以裂紋深度與截面直徑比例g表示裂紋深度。

按照上述建立的綠色拆解特征量化因子，對于不同的產(chǎn)品需要相應(yīng)的增加或者減少列。如式(5)所示建立的綠色拆解特征篩選矩陣。

1．4 綠色拆解特征模型建立

本文將綠色拆解特征定義中的三個層面上的信息以矩陣形式表示。這三個矩陣相乘篩選就得到綠色拆解特征。這里的矩陣相乘雖然并不是嚴(yán)格意義上的矩陣相乘，但也要滿足矩陣相乘時左邊矩陣的列等于右邊矩陣的行。如圖3所示。

圖3 綠色拆解特征模型

產(chǎn)品的綠色特征要經(jīng)過最終的聚合，將同類綠色特征下的量化指標(biāo)進(jìn)行聚合，即矩陣中的每一列進(jìn)行疊加就得到產(chǎn)品的綠色拆解量化特征數(shù)值。如式(5):

由式(5)得出各個特征因子下的數(shù)值，再根據(jù)層次分析法確定各個特征因子的權(quán)重，從而確定拆解方案的綠色性。如式(6):

式中:Wk為相關(guān)因子交互值的權(quán)重

該模型具有簡單、容易理解并且具有很高的柔性，但是對數(shù)據(jù)的采集是最困難的。根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過相應(yīng)的函數(shù)求出對應(yīng)的數(shù)值。筆者通過對不同的拆解方案的綠色信息進(jìn)行提取，并相應(yīng)地聚合為綠色拆解特征?；谠撃Ｐ涂蔀楹笃诘牟鸾夥桨高M(jìn)行快速評價，并得出最優(yōu)的拆解方案。因此該模型具有很高的實用性。

2 實例分析

汽車發(fā)電機(jī)是汽車中的一個重要零件。汽車報廢后，發(fā)電機(jī)它可以作為獨立的終端產(chǎn)品回收，回收再利用價值相對較高，因此綠色拆解至關(guān)重要。本文選用型號為JFZ1906廢舊汽車發(fā)電機(jī)進(jìn)行綠色特征建模技術(shù)的應(yīng)用研究。

2．1 目的和量化因子確定

將廢舊發(fā)電機(jī)綠色拆解信息的提取限定在發(fā)電機(jī)拆解過程中，包括能源資源消耗、噪聲、排放物、水耗等。

圖4 發(fā)電機(jī)拆解過程

本實例旨在通過這個模型把拆解信息按照一定的函數(shù)提取出來，并用數(shù)值表示綠色性，從而用于拆解方案的比較。

2．2 拆解信息表達(dá)

廢舊汽車發(fā)電機(jī)作為小型的通用設(shè)備，在具體的拆解過程中可以把發(fā)電機(jī)分為:緊固螺母、帶輪、前后端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、整流板、電刷架和整流罩八個主要部分。其中拆解過程中每個階都包含著各類拆解信息，筆者把各類拆解信息按照集合的理論進(jìn)行匯總，由于發(fā)電機(jī)簡單對大氣、水體等影響較小可以忽略，故主要考慮拆解能耗、淡水消耗、粉塵、噪音、磨損和裂紋。由于拆解信息有的難以收集，所以需要估計和參考有關(guān)文獻(xiàn)來收集信息［12］，所以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫勢在必行。

按照上述所述的拆解信息表達(dá)模型進(jìn)行匯總，可得1臺廢舊汽車發(fā)電機(jī)的拆解信息表達(dá)矩陣，如圖5所示:其中:化石資源消耗、水耗的單位為kg;能耗的單位為kWh;拆解粉塵的單位為mg·m－3;噪音的單位是dB;固體廢棄物單位為kg，空白的信息表示該位置無對應(yīng)信息，或者對結(jié)果影響不大、可以忽略的信息;“總計”表示該列所有對應(yīng)信息的集合。

圖5 發(fā)電機(jī)拆解信息

2．3 影響約束類型量化信息及綠色拆解特征的建立

由于不同的產(chǎn)品的約束影響信息不同，需要根據(jù)實際情況相應(yīng)的增加或者減少，廢舊汽車發(fā)電機(jī)的影響約束量化因子分為七種，分別如上述表示，能源、水消耗、固體廢棄物、噪音、粉塵、磨損、裂紋深度。有些數(shù)據(jù)是實際測得，經(jīng)過換算，然后按照綠色拆解特征表達(dá)模型可建立如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)影響約束類型

按照綠色拆解特征定義每一列相加表示在該拆解方案下對應(yīng)的特征值，如表1所列。運用層次分析法可以得到各個量化因子的權(quán)重，如表2。

表1 發(fā)電機(jī)綠色拆解特征

表2 拆解特征因子權(quán)重

則該拆解方案下的綜合綠色性為:

13．6 ×0．28+5 ×0．08+100 ×0．13+33 ×0．09+0．34 ×0．11+0．42 ×0．12+6 ×0．19=21．4058

綠色拆解特征主要適用于大規(guī)模拆解作業(yè)時，確定拆解方案的綜合綠色性，通過數(shù)值的比較可客觀的評價拆解方案的優(yōu)劣，從而排除對環(huán)境影響比較大，且容易損壞零部件的拆解方案，具有重要的用途。

3 結(jié)論

(1)提出了“綠色拆解特征”的概念，建立了綠色拆解特征模型，將產(chǎn)品的信息按照時間層面和結(jié)構(gòu)層面上以矩陣的形式表達(dá)。

(2)針對某一拆解方案將拆解信息進(jìn)行約束篩選、提取和聚合，最終求出該拆解方案的綜合綠色性。通過比較各個方案的綜合綠色性可以快速得出拆解方案的優(yōu)劣。

(3)以廢舊汽車發(fā)電機(jī)為實例進(jìn)行應(yīng)用，得出了該電機(jī)的綜合綠色性，驗證了模型的適用性。

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