再制造設(shè)計在食品機(jī)械中的應(yīng)用

張 丹 于福才 - 廖 攀 周朝賓 - 蔡宗琰 -

(1. 長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710061；2. 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

市場競爭的日益激烈與技術(shù)環(huán)境的日漸復(fù)雜，和可持續(xù)發(fā)展的急迫性與重要性，對食品機(jī)械企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新研制提出了更高要求。環(huán)境友好設(shè)計方法急需引入食品機(jī)械設(shè)計中，提升企業(yè)綠色產(chǎn)品設(shè)計能力。綠色設(shè)計指對食品機(jī)械結(jié)構(gòu)及零件使用面向再制造設(shè)計(Design for Remanufactu-ring)，使設(shè)備在設(shè)計初始便考慮其后續(xù)再制造可行性，令設(shè)備在生命周期末端獲得優(yōu)良的再制造能力。鮑宏等[1]將面向再制造設(shè)計思維和創(chuàng)新設(shè)計兩者結(jié)合，面向設(shè)備生命周期再制造性能多角度開展產(chǎn)品設(shè)計方法研究及應(yīng)用。

1 面向再制造設(shè)計概述

1.1 中國食品機(jī)械現(xiàn)狀

中國食品機(jī)械行業(yè)起步較晚，高起點企業(yè)較少，仍存在一些問題，例如，創(chuàng)新點弱，低水平產(chǎn)品較多，沒有自主研發(fā)品牌，一些技術(shù)被國外壟斷，需從國外進(jìn)口大量食品機(jī)械，甚至一整套生產(chǎn)線。從事食品機(jī)械的研發(fā)團(tuán)隊較少，國家在該領(lǐng)域投入的科研經(jīng)費、人力物力不足，導(dǎo)致食品機(jī)械更新?lián)Q代較慢，生產(chǎn)線較為落后。由于食品機(jī)械質(zhì)量欠缺，無法長時間服役，導(dǎo)致大量設(shè)備以及零部件廢棄。進(jìn)口設(shè)備消耗了國家大量資金，如果能將這些廢舊設(shè)備回收再利用，將為國家以及企業(yè)節(jié)省一大筆開支[2]。

1.2 面向再制造設(shè)計概念

再制造設(shè)計是依據(jù)再制造設(shè)計要求，利用先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)計方法，針對產(chǎn)品自身再制造屬性和再制造生產(chǎn)流程中各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)、技術(shù)單元以及資源使用進(jìn)行全方位規(guī)劃，得到最優(yōu)再制造方案的全部過程。再制造設(shè)計的研究重點是產(chǎn)品設(shè)計初始的再制造性和驗證評價；再制造系統(tǒng)涵蓋了人員、設(shè)備及技術(shù)的功能、構(gòu)成、構(gòu)建、及運作規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計方法等。再制造設(shè)計的最終目的是運用全系統(tǒng)全生命過程理論，使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)法與手段，設(shè)計出擁有優(yōu)良再制造性的產(chǎn)品。

再制造設(shè)計相比傳統(tǒng)設(shè)計具有更高難度和技術(shù)要求，它有特殊約束條件和更高層次技術(shù)難度。利用再制造設(shè)計，依據(jù)設(shè)備情況，對再制造經(jīng)濟(jì)性與資源有害程度進(jìn)行前期計算和預(yù)判，確定具體技術(shù)單元，最終得到面向廢棄資源的最優(yōu)再制造方案。在保證再制造品品質(zhì)的前提下，完成了再制造資源回收最大化，環(huán)境污染最小化，是廢舊產(chǎn)品進(jìn)行再制造的科學(xué)依據(jù)[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(shè)備進(jìn)行再制造的先決條件，是再制造研究的基礎(chǔ)。相同設(shè)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(shè)計初始無論是否面向再制造設(shè)計，產(chǎn)品的再制造性都客觀存在，隨著時間的推移再制造性會產(chǎn)生變化，并且由于智能化，創(chuàng)新化的技術(shù)發(fā)展，再制造性隨之增加。

設(shè)備回收體現(xiàn)了再制造性，設(shè)備價值回收作為一個隨機(jī)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(shè)備服役完畢，考慮在環(huán)境技術(shù)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(shè)備自身價值；

Ce——再制造環(huán)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(huán)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(huán)保價值，政府為主要投資者，企業(yè)利潤由政府再制造補助得到。

2 面向食品機(jī)械再制造設(shè)計內(nèi)容

2.1 再制造設(shè)計與評價理論

傳統(tǒng)的食品機(jī)械設(shè)計通?？紤]設(shè)備可靠性、運行平穩(wěn)性、可維護(hù)性等，為了提高設(shè)備在生命周期末端可用于再制造的能力，需對設(shè)備自身的再制造屬性進(jìn)行綜合設(shè)計，即在設(shè)備設(shè)計初期需面向再制造整體過程進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)等系列設(shè)計，并且對設(shè)計指標(biāo)評估與校驗，全面提升食品機(jī)械設(shè)備的再制造能力和效率。所以，需基于設(shè)備屬性設(shè)計的相關(guān)方法和理論，建立再制造設(shè)計指標(biāo)體系和新設(shè)備設(shè)計初始再制造設(shè)計和評價理論[5-6]。

機(jī)械與電子產(chǎn)品失效曲線類似于浴盆形狀，見圖1。在設(shè)備服役前期需調(diào)試，處于磨合期，失效率較高，但此時間段內(nèi)維修簡單，成本低廉；磨合期結(jié)束后為設(shè)備平穩(wěn)運行階段，此階段偶發(fā)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(shè)計考慮到零部件替換與核心零部件保護(hù)等，可延長設(shè)備偶發(fā)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(fù)利用，最終為企業(yè)節(jié)省成本[7-9]。

2.2 食品機(jī)械梯度壽命設(shè)計

傳統(tǒng)食品機(jī)械設(shè)備屬于單周期產(chǎn)品，利用再制造技術(shù)可使其達(dá)到多壽命周期循環(huán)使用。面向再制造設(shè)計的食品機(jī)械多壽命周期是一種新型的設(shè)備服役模式，因而設(shè)計要求不同于傳統(tǒng)的食品機(jī)械，其設(shè)計核心為針對再制造運用壽命梯度理論，以食品機(jī)械服役條件及時間作為基礎(chǔ)進(jìn)行零件梯度壽命設(shè)計。使價值較低，需要反復(fù)更換的零件服役時間等于設(shè)備單次服役時間；高價值可多次利用的零件服役時間根據(jù)工況與性能要求設(shè)計為設(shè)備單次服役時長的不同梯度倍數(shù)。那么在某種食品機(jī)械的第N次再制造中僅需更換一次壽命與已達(dá)到設(shè)計倍數(shù)服役年限的零件，簡化了該設(shè)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(shè)計見圖2[10-12]。

圖1 浴盆曲線Figure 1 Tub curve

圖2 梯度壽命設(shè)計流程Figure 2 Gradient life design flow

3 面向再制造的食品機(jī)械設(shè)計

3.1 易于拆卸

拆解是進(jìn)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(yè)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(jìn)行，同一個設(shè)備有幾種不同的拆卸順序，面向再制造設(shè)計應(yīng)該考慮拆卸順序合理性，以下列舉幾種易拆卸結(jié)構(gòu)[13-15]。

(1) 如圖3所示，Snap-fit結(jié)構(gòu)可以替代食品機(jī)械中的傳統(tǒng)螺栓連接，并且能夠確保連接有效。

圖3 Snap-fit結(jié)構(gòu)Figure 3 Snap-fit structure

(2) 圖4為一種重力連接結(jié)構(gòu)，使用時將一側(cè)的接頭擱置于槽孔中，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性依靠重力維系，該結(jié)構(gòu)又稱為：擱置式重力連接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)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(dāng)銷軸插入接口并旋轉(zhuǎn)一定程度后，兩者連接，如需拆修，同樣只需旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)備進(jìn)行回收，為再制造品提供原材料。面向再制造設(shè)計的食品機(jī)械應(yīng)盡量節(jié)省運輸過程中所占空間，避免過多突出部分，因為結(jié)構(gòu)突出部分易被損壞或需要獨立空間。結(jié)構(gòu)設(shè)計合理在裝載過程中也具有優(yōu)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(shè)備質(zhì)量有直接影響。合理并且快速地分類可以優(yōu)化回收庫存成本，縮短再制造時間。在面向再制造設(shè)計時應(yīng)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件，避免出現(xiàn)過多零部件種類，使設(shè)備盡可能簡化。為了使分類迅速進(jìn)行，分類明朗化，應(yīng)對相同零部件使用可識別記號進(jìn)行標(biāo)記，縮短分類耗的時[17]。

3.4 易于清洗

清洗為再制造中至關(guān)重要的一步，影響再制造后續(xù)修復(fù)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(jié)構(gòu)等，加之食品機(jī)械所處的環(huán)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(zhì)量。面向再制造設(shè)計應(yīng)盡量使設(shè)備表面光滑，易于清洗。可適當(dāng)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(fù)

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

4 設(shè)計實例

4.1 實例1

圖7為食品機(jī)械中常用的齒輪連接結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前，該齒輪連接結(jié)構(gòu)的螺母7聯(lián)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(jī)械中，服役過程中需經(jīng)常維護(hù)或更替，改進(jìn)前對齒輪3進(jìn)行維護(hù)或更換時，需要反復(fù)拆裝零件6、7、1、2，加大作業(yè)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(shè)計原理對圖7(a)所示結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，將軸5 左側(cè)螺紋連接鏡像地設(shè)計在右側(cè)，改進(jìn)后對齒輪4進(jìn)行維護(hù)時，避免了反復(fù)拆、裝的問題。

面向再制造設(shè)計還可對一些其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，圖8 為食品機(jī)械中的一種換熱結(jié)構(gòu)，零件2、3與零件1間有三層連接。圖8(a)所示結(jié)構(gòu)1的兩側(cè)零件無法獨立裝卸，同樣出現(xiàn)維護(hù)不便的情況。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行面向再制造設(shè)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(jī)設(shè)計 通過對陜西省咸陽市紅星軟香酥廠調(diào)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(jìn)行，耗時費力?，F(xiàn)利用面向再制造設(shè)計原理設(shè)計針對該操作的自動刷油扎孔機(jī)。

對月餅自動刷油扎孔機(jī)進(jìn)行面向再制造創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)備示意圖見圖9。

1. 換熱器殼 2. 板管 3. 板管圖8 換熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)對比圖Figure 8 Comparison chart of heat transfer structure improvement

1. 凸輪 2. 支架 3. 轉(zhuǎn)軸 4. Snap-fit 5. 電機(jī) 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(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 9 Automatic structure of moon cake

設(shè)備通過Snap-fit結(jié)構(gòu)4固定在傳送帶的一側(cè)，或?qū)ΨQ的兩側(cè)，視產(chǎn)量而定。刷盤9可繞軸3在水平面做180°轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)旺季時可連續(xù)刷油，淡季可間歇刷油，當(dāng)轉(zhuǎn)離傳送帶時可粘取定量食用油。支架12與針盤11在凸輪機(jī)構(gòu)的帶動下做上下往復(fù)運動。刷油結(jié)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(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡單合理，針盤獨立，針與針盤采用螺紋連接，更換簡單。設(shè)備連接處采用Snap-fit易拆卸機(jī)構(gòu)，設(shè)備整體再制造性強(qiáng)。

圖10為設(shè)備刷盤結(jié)構(gòu)，刷盤共16個正圓孔，孔上裝有油刷，孔直徑應(yīng)略小于餅體直徑，以傳統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)動，運動范圍可根據(jù)實際情況調(diào)整。裝置兩側(cè)或者單側(cè)放置食用油，每次刷盤運動食用油處蘸取適量油進(jìn)行刷油工作。

圖10 刷盤Figure 10 Brush plate

圖11為針盤結(jié)構(gòu)，針的覆蓋直徑應(yīng)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(jìn)行扎孔作業(yè)。

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(shè)計便于拆卸與位置調(diào)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(nèi)使用凸輪結(jié)構(gòu)，凸輪帶動針盤做上下往復(fù)運動。

4.2.2 設(shè)備仿真 圖14為面向再制造設(shè)計的月餅自動刷油扎孔機(jī)三維圖。設(shè)備可根據(jù)實際生產(chǎn)需要安裝在傳送帶一側(cè)，或是兩側(cè)，研究使裝置安裝在傳送帶一側(cè)。

圖13 裝配圖Figure 13 Assembly Figure

圖14 整體三維圖Figure 14 Whole 3D graph

5 結(jié)語

本文通過對面向再制造設(shè)計理論的分析，結(jié)合實際情況，對現(xiàn)有食品機(jī)械設(shè)備中存在的一些不合理結(jié)構(gòu)，例如齒輪與換熱結(jié)構(gòu)，利用面向再制造設(shè)計理論進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)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(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，將傳統(tǒng)需要人工操作的工序自動化，設(shè)備連接處采用易拆卸結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，再制造性強(qiáng)，提升企業(yè)效益的同時，使廢舊設(shè)備最大程度地投入再制造循環(huán)使用，節(jié)約了更多資源。

[1] 鮑宏, 劉志峰, 胡迪, 等. 應(yīng)用TRIZ的主動再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2016, 52(5): 33-39.

[2] 朱勝, 徐濱士, 姚巨坤. 再制造設(shè)計基礎(chǔ)及方法[J]. 中國表面工程, 2003(3): 27-31.

[3] 張凱, 陳浩. 包裝與食品機(jī)械發(fā)展及相關(guān)問題闡述[J]. 中國高新區(qū), 2017(2): 104.

[4] 張秀芬, 蔚剛, 劉行. 支持再制造設(shè)計的產(chǎn)品失效模式信息傳遞模型[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2017, 53(3): 201-208.

[5] YAO Ju-kun, ZHU Sheng, CUI Pei-zhi. Design for remanufacturing and remanufacturability based on process[J]. Advanced Materials Research, 2011, 1 452(338): 18-21.

[6] 王中營, 任寧, 武文斌, 等. TQLZ型往復(fù)振動篩動力學(xué)模型與虛擬樣機(jī)仿真[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(2): 67-70.

[7] 龍哲, 申桂香, 張英芝, 等. 基于浴盆曲線的數(shù)控機(jī)床早期故障試驗時間研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2017, 45(11): 175-178.

[8] 邱海飛. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)部件動態(tài)分析與仿真研究[J]. 食品與機(jī)械, 2017, 33(6): 101-104.

[9] WU Zhi-qiao, KWONG C K, AYDIN Ridvan, et al. A cooperative negotiation embedded NSGA-II for solving an integrated product family and supply chain design problem with remanufacturing consideration[J]. Applied Soft Computing, 2017, 57: 19-34.

[10] 姚巨坤, 朱勝, 時小軍, 等. 再制造設(shè)計的創(chuàng)新理論與方法[J]. 中國表面工程, 2014, 27(2): 1-5.

[11] 宋守許, 劉明, 劉光復(fù), 等. 現(xiàn)代產(chǎn)品主動再制造理論與設(shè)計方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2016, 52(7): 133-141.

[12] 王剛令, 王國棟, 李媛. 面向再制造的快速機(jī)加工系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 科技風(fēng), 2017(3): 121.

[13] 李東旭. 面向拆卸的液晶顯示器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及可靠性研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2013: 40-49.

[14] ROSI A, ZERBINI C, PELLEGRINI N, et al. How to improve food choices through vending machines: the importance of healthy food availability and consumers’ awareness[J]. Food Quality and Preference, 2017, 62: 262-269.

[15] YANG S S, KONG S, NEE A Y C. A decision support tool for product design for remanufacturing[J]. Procedia CIRP, 2016, 40: 144-149.

[16] 王軍. 面向制造和裝配的食品機(jī)械設(shè)計相關(guān)探討[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2016(4): 17.

[17] 付宏生, 張景黎, 梁凱. 新型食品機(jī)械開發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 食品研究與開發(fā), 2013, 34(1): 117-120.

[18] 劉亞軍. 常用再制造修復(fù)技術(shù)探討[J]. 山西焦煤科技, 2015, 39(1): 51-53, 56.

[19] 白曉麗, 伍毅. 面向制造和裝配的食品機(jī)械設(shè)計[J]. 食品與機(jī)械, 2012, 28(1): 146-147.

[20] 楊明. 基于TRIZ的可拆卸連接結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2010: 17-21.

[21] 宋守許, 劉明, 劉光復(fù), 等. 現(xiàn)代產(chǎn)品主動再制造理論與設(shè)計方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2016, 52(7): 133-141.

[22] 吳雨唐, 羅書強(qiáng), 楊明金, 等. 往復(fù)式切割器的切割性能仿真研究[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(6): 87-90.