（机械制造及其自动化专业论文）面向拆卸与回收设计关键技术的研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 摘要 yt 2 5 铆 ( 工业化文明给人类带来丰富的物质享受的同时，对环境造成了极大 的破坏。面对来自资源、能源、环境的挑战，伴随着人类对可持续发展 的渴求，绿色设计与制造技术在二十世纪末日益发展起来_ 口 面向拆卸与回收的设计是绿色设计的重要内容。本论文根据环境现 状、国内外成功经验，运用d f x 基本方法，建立了面向拆卸与回收设计 的体系。对拆卸与回收过程中拆卸方向、拆卸序列、拆卸时间、回收层 次、材料的回收性能、材料的标识等关键技术进行了分析，提出了用扩 展的动作序列图进行拆卸过程建模的方法，运用模糊类聚法对产品回收 中的分类问题进行了探讨。在对产品的可拆卸性与可回收性进行分析的 基础上归纳了设计指南，提出了可操作的评价指标，并进行了面向拆 卸与回收设计的软件的开发。 ) 擘键词：拆卸 回收面向拆卸与回收的设计绿色设计与制造 南京理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t l n d u s t r i a lc iv i l i z a t i o nb r i n g sag r e a ta m o u n to fw e a l t hf o r h u m a n b e i n g s a tt h es a m e t i m e ， i t s e r i o u s l yd a m a g e s t h e e n v i r o n m e n t i nt h e e n do f1 a s t c e n t u r y ，w i t ht h ec h a l l e n g eo f r e s o u r c e ，e n e r g ya n de n v i r o n m e n t ，g r e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g h a y eb e e nd e v e l o p e df o rt h ed e m a n do ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t d e s i g nf o rd i s a s s e m b l ya n dr e c y c l i n g ( d f d & r ) i st h ei m p o r t a n t c o n t e n to fg r e e nd e s i g n t h i sp a p e r ，t h ef r a m e w o r ko fd f d & ri s r a n g e do u to nt h eb a s iso ft h et h e o r yo fd f x t h ek e y t e c h n o l o g y o fd i s a s s e m b l y a n d r e c y c l i n g is a n a l y z e d 。s u c h a s d i s a s s e m b l y d i r e c t i o n ，d i s a s s e m b l ys e q u e n c e ，d i s a s s e m b l yt i m e ，r e c y c l i n g l e v e l a ne x e n d e d o p e r a t i o np r o c e s sg r a p hu s e d t od e s c r i b e d i s a s s e m b l ys e q u e n c ea n dam e t h o du s e df u z z yt h e o r i e st oc l a s s i f y p r o d u c t s a r e p u t f o r w a r d a f t e r a n a l y z i n gt h ea b i l i t y o f d is a s s e m b l ya n d r e c y c l in g ，t h es u g g e s t i o na n ds i m p l ya s s e s s m e n t 0 fp r o d u c td e s i g na r ec o n c l u d e d i nt h ee n d ，t h ep e r t i n e n ts o f t w a r e m o d u l ei s d e v e l a p e d k e y w o r d s ：d i s a s s e m b l y ：r e c y c l i n g ：d e s i g nf o rd is a s s e m b l ya n d r e c y c li n g ：g r e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g 。气一 i i 塑塞堡三查兰堕主兰垡篓壅 羔三! l ，坠 1 概述 1 1 环境与资源的挑战 环境问题可以说是自古就有，伴随着人类社会发展的每个阶段。产 业革命后，这一问题表现得尤为突出。 过去的2 0 世纪，特别是7 0 年代以来。工业生产的发展为世界经济 发展和人民生活水平的提高做出了巨大贡献，但也带来了相当大的负面 影响。世界各国在经济迅猛发展的同时，随之而产生的环境问题也日趋 严重。资源消耗型经济发展模式对环境产生了前所未有的影响，工业废 弃物的大量增加、资源和能源的巨大消耗。人类赖以生存的地球生态环 境正日趋恶化。 将资源转变为产品的制造过程、产品的使用过程以及废弃物处理过 程是当前环境污染的主要根源。据统计，全世界制造业每年约产生5 5 亿吨无害废物和7 亿吨有害废物，占全球环境 污染排放物的7 0 以上。种类繁多的日用消费 品进入千家万户，新产品的源源不断推出、更 新换代速度的加快，使得产品的生命周期日 趋缩短。大量产品在并未丧失其使用功能时， 便被更新的产品所替代，造成废弃物的增加、 资源的浪费。在欧洲，每年约有8 0 万吨旧的 电视机、收音机、计算机设备、测量仪器和 3 0 0 万吨废旧汽车丢进垃圾场。在美国由家庭 和工业企业产生的城市固体废弃物( w s m ) 已 达到每人每天近2 公斤。 中国有9 6 0 万平方公里疆域，1 3 亿人口。资源总量多，但人均占有 量低；品种较为齐全，而分布很不均衡。由于我国二次资源利用率低， 资源消耗量大，资源、能源的缺口逐年加大。1 9 9 8 年，我国能源生产总 量约为1 2 4 0 0 0 万吨标准煤，而消费总量为1 3 6 0 0 0 万吨，能源缺口为1 2 亿吨标准煤。至2 0 0 0 年我国已成为矿产资源进口大国，钢的进口量达 塑室堡三查兰堡主兰堡堡塞 箜二兰塑垄 1 0 0 0 万吨，铜的进口量约2 0 万吨，水泥约9 0 0 0 万吨。我国每单位国民 生产总值所消耗的矿物原料比发达国家高2 4 倍，二次资源利用率仅相 当于世界先进水平的1 4 一l 3 。大量废旧物资未得到回收利用。每年约 有3 0 0 万吨废钢铁，6 0 0 万吨废纸未得到有效的回收利用。近年来，经 济迅猛发展，而再生工业体系发展缓慢，废旧物资回收利用的压力越来 越大，资源、能源呈现供不应求的状况。”1 与此同时，中国正处在工业化的发展时期，对自然资源开发强度日 益增大，污染物排放量急剧增大，环境形势十分严峻。空气污染、水体 污染、土地的沙漠化、生物物种的锐减等一系列问题急待解决。 早在工业化过程中，人们就开始注意环境污染的问题，但当时采用 的方法主要是针对废弃物的“末端治理”。经历了上个世纪的实践，人们 越来越意识到环境问题的“始段预防”的重要性。 人们逐渐意识到以牺牲资源和环境为代价的工业文明是难以持久 的。1 9 9 2 年联合国召开了世界环境大会，通过了 面向拆卸与回收设计的基本框架i 对产品的设计方法进行分析， 形成一套面向拆卸与回收设计的方法体系，并对面向拆卸回收的 设计与其它设计方法的集成进行研究： 面向拆卸与回收设计的设计指南：分析归纳影响产品可拆卸性与 可回收性的因素，建立面向拆卸与回收的设计指南； 面向拆卸与回收设计的评价方法：对产品的可回收性、可拆卸性、 回收经济性等指标进行定义，分别从定性与定量两种角度研究并 形成这些指标的评价方法： 拆卸模型的建立与拆卸序列的优化；对产品的结构特征进行分 析，建立产品面向拆卸与回收的信息模型，便于设计者进行拆卸 序列的分析与拆卸方法的优化； 基于对设计理论和方法的研究，进行面向拆卸与回收设计辅助工 具的开发。 6 一 堕室矍三查兰堡主堂垡堕奎 塑三兰堡鱼堡! 生! 型垄 2 绿色设计与绿色制造 2 1 绿色设计与制造系统构成 图2 1绿色设计制造系统构成 绿色设计与制造是一个考虑环境影响和资源消耗的现代设计、制造 模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理 的整个生命周期对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业的经 济效益和社会效益协调发展。设计过程与制造过程是密不可分的，绿色 产品必须由绿色设计方法获得。 绿色设计与制造系统的构成如图2 1 所示。绿色设计制造理论的出现将制造理论 又向前推进了一步，最显著的变化是决策体 系的变化。绿色设计制造以t q c s e ，即最， 快的上市速度t i t i l e 、最好的质量q u a l i t y 、 最低的成本c o s t 、最周到的服务s e r v e 、最 小的环境影响e n v i r o n m e n t ，为目标来组织 设计、制造、销售、运输、使用、维护、回 收过程，来满足不同用户对产品的需求和社 会可持续发展的要求，使企业经济效益和社 会效益协调发展。 图2 2 绿色设计制 造系统决策体系 f - 7 南京理工大学硕士学位论文 第二章绿色设计与制造 2 2 绿色设计 2 2 1 绿色设计与传统设计的比较 绿色设计是绿色设计与制造系统中的核心环节通常又称生态设计 ( 印) 、面向环境的设计( d f e ) 、环境意识设计( e c d ) 。它是一种在产品 全生命周期内，考虑产品的环境属性( 可拆卸性、可回收性、可维护性、 可重复利用性等) ，并将其作为重要设计目标，使产品既具有预期的功能、 使用寿命、质量，又在全生命周期内对环境的影响最小的设计。 绿色设计与传统设计的区别主要体现在三个方面： 1 ) 设计目标的差异。绿色设计设计目标是，在产品的整个生命周期 内，不仅要实现产品的基本属性( 预期的设计功能要求、质量、寿命、 成本等) ，还要考虑产品的环境属性( 可拆卸性、可回收性等) 的实现。 2 ) 产品生命周期的延伸。传统的设计中产品的生命周期是到产品使 用报废为止，而绿色设计中的产品的生命周期不仅包括传统生命周期的 全部时间，而且包括产品失去基本属性后其零、部件回收再使用的回用 时间。 3 ) 设计过程的不同。传统的设计过程一般是串行过程；绿色设计过 程是一个并行闭环过程，其并行特征体现在按并行工程思想构建的设计 流程，闭环特征体现在绿色设计涉及的内容贯穿产品的“从摇篮到再现”c 的全过程。 图2 3产品的生命周期 8 塑室型三查兰堡! ：兰垡笙苎 兰三兰堡鱼丝旦：! ! 塑堕 2 2 2 绿色设计的内容 绿色设计的主要内容包括：绿色产品的描述与建模；绿色设计的材 料选择与管理；面向拆卸与回收的设计：绿色产品的成本分析：绿色设 计数据库等。 1 绿色产品的建模与评价 准确全面她描述绿色产品，建立系统的绿色产品模型，并在此基础 上建立面向产品全生命周期的评价体系是绿色设计的关键。 2 绿色设计的材料选择与管理 绿色设计要求产品设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不 仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须 了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染的材料以及易回收、可重用、 易降解的材料。绿色设计对材料的要求也为材料科学的发展提出了新的 挑战，即能提供或生产出适合绿色产品设计的绿色材料。除合理选材外， 同时还应加强材料管理。绿色产品设计的材料管理包括两方面内容：一 方面不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；另一方面，基 本使用功能丧失的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用 一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降低到最低限度。 3 面向拆卸与回收的设计 可拆卸与回收性设计包括以。下几方面的主要内容：可回收材料及其 标志：拆卸规划；回收工艺与方法；可拆卸与回收的结构设计；面向拆 卸与回收的设计指南；面向拆卸与回收评价。 在本论文的其他各章中将详细介绍。 4 绿色产品的成本分析 绿色产品的成本分析与传统的成本分析不同。由于在产品设计初期， 就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析时，就必须考虑 污染物的处理成本，产品拆卸、重复利用成本，特殊产品相应的环境成 本等。对企业来说，是否支出环保费用，也会形成产品成本上的差异： 同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用。也会形成企业间成本的 差异。因此，在每一设计决策时都应进行绿色产品成本分析，以便设计 出的产品“绿色程度”高且总体成本低。 ， 5 绿色设计数据库 9 塑室里三查兰塑! ，兰竺堡苎 丝三塞堡鱼望盐皇! i 堕 绿色设计数据库是一个庞大复杂的数据库。该数据库对绿色产品的 设计过程起着举足轻重的作用。它应包括产品生命周期中与环境、经济 等有关的一切数据，如材料成分，各种材料对环境的影响值，材料自然 降解周期，人工降解时间、费用，制造、装配、销售、使用过程中所产 生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准 等。 2 3 绿色设计制造技术的发展趋势 绿色设计制造技术在未来的一段时间内仍将集中于单元技术的研 究，未来的研究方向主要集中在以下几个方面： 1 从产品设计角度，改变设计理念和方法。在面向制造与使用环节 设计的基础上，在设计的初步考虑产品的可拆卸性与可回收性，采用面 向拆卸与回收设计等绿色设计的思想和方法，使产品的“绿色程度”提 高，易于维护、拆卸和回收。 2 运用现代制造理论，建立清洁化流程，使得制造过程对环境的负 作用最小。 3 在评价手段和系统组成上运用神经网络、模糊理论和技术、人工 智能技术，以使评价过程趋于合理、与现实更为接近。 4 采用虚拟现实技术，对产品的全过程进行仿真，在虚拟的环境下 生成产品原型，对其绿色度进行评价，对设计制造方案进行修改。 5 运用先进的计算机技术和网络技术，对产品的相关数据、相关知 识进行有效的管理，建立较为完整、具有学习功能的数据库知识库管理 系统。 6 从整体技术来看，绿色设计制造技术将向集成化、并行化、智能 化方向发展，绿色设计制造技术需要集成制造系统的支撑、并行系统的 工作模式、智能化的决策手段。 7 绿色设计制造不仅是技术问题，更重要的方面它是一种绿色的思 想、是一种协调发展的理念。它涉及到很多社会问题，它需要立法和行 政规定的支撑，需要企业和用户环境意识的加强，关系到人类与自然的 协调发展，关系到社会的可持续发展。 - 1 0 查窒些三叁兰堡兰兰垡丝兰 笙三兰亘塑堑塑皇旦坚竺墨! ! 堕 3 面向拆卸与回收的设计体系 3 1 面向拆卸与回收设计的理论基础 3 1 1 工业生态系统 自然界是由动物、植物微生物以及与它们相互联系的各种物质和能 量构成的生态系统。我们把自然界中的生态系统定义为在一定空间内 生物与非生物成分通过物质循环、能量流动及信息交换，而构成的生态 学功能单位。生态系统不管大小，其组成均包括四个基本成分，即生产 者、消费者、分解者( 以上三个属于生命系统) 和非生物环境( 包括水、 氧气、二氧化碳、光、有机物等) 。” 工业系统也是一个生态系统。它由制造商( 生产者) 、用户( 消费者) 、 拆卸回收企业( 分解者) 和各种材料、能量、信息等( 非生命物质) 组 成。人只是这个工业生态系统的一部分。人与赖以生存的自然环境、对 人们行为进行约束和管理的社会及经济构成了庞大的工业生态系统。 微观上，某一产品的整个生命周期循环过程，就构成一个产品生态 系统。从宏观来看整个工业系统，包括各种产品、各种资源、能源、各 种制造企业、各种消费群体、物资回收企业以及相关的各种信息、物资 循环载体，构成一个庞大的工业生态系统。以往人们片面的强调发展生 产、刺激消费，强调征服自然、改造自然，而没有注意到工业系统是一 个闭环的循环型的生态系统；系统中某一个或几个环节的过度发展，会 使整个工业生态系统失衡，造成了资源过度开发、环境日益恶化。 面向拆卸与回收设计作为绿色设计的一个重要组成部分，其目的是 通过在产品全生命周期内考虑产品的拆卸与回收性能，最终使工业生态 系统趋于和谐。面向全生命周期、面向工业生态系统的每一个环节是面 向拆卸与回收设计的重要设计原则。 3 1 2d f x d f x 是d e s i g nf o rx ( 面向产品生命周期各某环节的设计) 的缩写。 正如生物的诞生、成长直到消亡构成其生命周期一样，人类有意识 地创造出来的人工物，包括各种产品也被赋予了生命。产品同样具有诞 堕室矍三查兰堡主兰垡笙兰 苎三皇堕塑堑塑兰竖些竺堡盐竺墨 生、成长、消亡的过程。只是产品的诞生过程被称为产品开发过程，产 品的成长过程对应着产品使用过程，产品的消亡过程即为产品报废与回 收处理过程。这些过程构成了产品的生命周期。 x 可以代表产品生命周期或其中某一环节，如装配、加工、使用、 维修、拆卸、回收、报废等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力 的因素，如质量、成本、时间等等。而这里的设计不仅仅指产品的设计， 也指产品开发过程和系统的设计。 在产品设计时，不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑与产 品整个生命周期各阶段相关的因素。包括制造的可能性、高效性、环境 友善、经济性等。其目标是在保证产品质量的前提下缩短开发周期降低 成本。 d f x 是并行工程( c u r r e n te n g i n e e r i n g ，简称c e ) 的关键环节。它 是c e 的思想核心，是c e 的支撑工具。 d f x 是一种哲理、方法、手段、工具。首先，产品开发人员应该认 识到，在设计阶段尽早地考虑产品全生命周期将有益于产品竞争力的提 高。其次。产品设计人员，产品开发管理人员应该积极在产品设计中应 用d f x 方法。最后借助计算机实现的d f x 工具可以有效地辅助产品设计 人员按照d f x 方法进行产品设计。 d f x 是一种设计方法论。但d f x 本身不是设计方法，不直接产生设 计方案，而是对设计方案进行评价分析，为设计提供依据。d f x 方法的 应用最终通过再设计实现产品的优化。d f x 对设计方案或者现有产品的 设计方案运用d f x 方法迸行分析，从而为再设计提供改进建议，最终得 到新的改进的设计方案。同时，d f x 方法不仅用于改进产品本身，而且 用于改进产品相关过程( 比如，装配过程，加工过程等) ，它强调产品 设计和过程设计的同时进行。 面向拆卸与回收的设计，作为d f x 的一种，与d f x 的其他形式一样， 应遵循并行工程的思想，以产品的设计、制造、使用、报废、再生全过 程作为研究范畴开展研究。 3 2 回收与拆卸 面向拆卸与回收的设计需要在设计初步就考虑产品的可拆卸与可回 1 2 堕塞里三查堂堡主兰垡丝苎 塑三兰堕塑堑塑兰旦! 堂堡生! ! 量 收性以及拆卸与回收过程中的要求。 3 2 1回收 回收是一个“古老”的话题，而传统意义上的回收主要是指对有限 的材料的回收。虽然这种回收对社会发展、废物利用起到了积极的作用， 但已难以满足日益发展的社会需求和可持续发展的要求。主要体现在以 下几个方面： ( 1 )企业只注重新产品的开发，而忽视废旧产品的有效回收利用。 ( 2 )较多的强调防止“环境污染”，而资源再生方面重视不够。 ( 3 )强调对材料简单回收，而忽视产品零部件甚至是产品级的重 复利用。 ( 4 )缺乏使用回收产品的意识和健全的回收市场机制。 广义的回收指不仅考虑最基本的材料回收，而且考虑在产品级、部 件级、零件级、材料级四个层次上的再生利用，以及能量的回收和废弃 物的填埋。以汽车为例，在回收过程中的多种再生形式见表3 1 。 表3 1汽车回收再生方式 回收再回收再回收再生前 生形式生层次的产品 回收再生后的产品 零件点火器作为配件维修使用 同化再使用 产品整车作为二手车进入调剂市场 部件汽车音响改装为家用音响 异化再使用 部件蓄电池其他日常照明 同化再利用材料车身再生材料用作车身原材料 异化再利用材料发动机回收材料 在进行产品设计时，需要充分考虑产品零部件及材料回收可能性、 回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与可回收性有关 的一系列问题，以达到零部件及材料、资源和能源的充分利用，并在回 收过程中对环境污染最小。 3 2 2 拆卸 合理的拆卸是有效回收的前提。 拆卸是采用一定的工具和手段，解除对零部件造成约束的各种联接， 1 3 堕塞些三查兰堡主兰垡丝苎 苎三兰耍塑堑塑皇旦些塑堡生! 苎墨 将产品零部件逐个分离的过程。 拆卸有两种基本方式。一种是逆装配法，即非破坏性拆卸。如果紧 固件是旋入的，则将其旋出；如果是用快捷联接，则将快捷联接打开。 另一种是强力法，即破坏性拆卸。在拆卸过程中将产品的外壳切割开， 去除铆钉的铆接，分离焊点等造成一些零部件损坏的拆卸方法均属此类。 根据拆卸的分解水平，拆卸也可分为两种形式。一种是完全拆卸， 即将构成产品的所有零件完全分离，这种拆卸往往不够经济。回收过程 中的拆卸往往是另一种形式，不完全拆卸，拆卸进行到一定程度就停止 拆卸操作。一般停止拆卸有三种原因：其一，某些部件具有可重复利用 价值，在部件级进入再制造或维修：其二，各拆卸部分已经获得单一的 材料，可以在材料级进入循环利用；其三，从经济性角度出发，随着产 品拆卸的深入，拆卸费用增加，当总回收利润下降到预期值时，停止拆 卸。 3 3 面向拆卸与回收的设计体系 面向拆卸与回收的设计( d f d r ) 是绿色设计的重要组成部分， 又是d f x 的关键环节之一。需要运用d f x 的方法，体现并行设计的思 想和方法，面向整个设计生命周期进行设计。 面向拆卸与回收饷设计d f d & r 应具备两大功能： c 1 在设计循环中与d f m 、d f a 等共同对设计过程形成影响。 ( 1 ) 对设计过程中目标形成有影响的可拆卸与回收设计的性能指标； ( 2 ) 为设计过程提供在线帮助的设计指南： ( 3 ) 为改进设计方案提供依据的可拆卸性与可回收性评价与决策支 持。 2 面向拆卸与回收过程提供与拆卸和回收过程相关的工艺信息，包 括，拆卸方向的确定、拆卸序列、拆卸过程的优化、回收方案、回收工 艺的编排等。 1 4 壹室墨三奎兰堡主兰些丝塞： 蔓三兰亘塑篓塑兰旦堕堕望! ! 笪墨 图3 1面向拆卸与回收的设计体系 图3 1 为面向拆卸与回收的设计体系图。一方面，d f d r 与d f m ， d f a 等共同构成对设计过程的影响。另一方面，d f d r 通过拆卸序列 的优化、回收方案的确定、回收工艺的安排等实现对拆卸回收过程的影 响。 d f d r 对设计过程的影响主要通过设计目标、设计指南、设计评 价三种途径来实现。 ( 1 ) 面向拆卸与回收的设计目标与市场需求、政策法令等共同影响 产品开发过程的设计目标的确定； ( 2 ) 设计指南在设计开发过程中实时提供应遵循的设计准则等参考 信息； ( 3 ) 设计评价在产品初步设计方案形成时就提供必要的评价，以便 对设计方案进行修改完善。 d f d r 对拆卸回收过程的影响的关键技术包括，拆卸方向的确定、 拆卸序列的规划、回收层次的确定、回收工艺的优化、拆卸与回收过程 的经济性分析。 - 1 5 南京理丁_ 大学硕i ：学位论文 第四章拆卸分析 4 拆卸分析 4 1 拆卸方向 拆卸方向的计算是拆卸分析中的重要问题。首先要自动生成拆卸方 向，才能以此为基础生成拆卸序列，进行拆卸评价。 现假设零部件拆卸方向是一直线，并且拆卸方向保持不变。( 实际拆 卸过程中拆卸动作通常是空间运动，相当复杂。) 根据拆卸方向不能指向 实体内部的原则，当某一装配体中零件a 和零件b 平面接触时，零件b 相对于零件a 的可能拆卸方向如图4 1 所示。可能的运动方向而和接触 面切线f 的夹角y 的范围为：0 。y 1 8 0 。，可能的拆卸方向和接触面法 线亓的点积 而而0 若零件a 和零件b 的接触为曲面，如图，则接触面上每一点的法线 方向n ( x ) 均不同，可能拆卸方向应与接触面上各点法线的点积应为非负 数，即 而再( x ) 0 图4 1零件拆卸方向与接触表面的关系 在装配体中，当一个零件与其他零件接触有k 个接触面时，每个表 面限定的可能拆卸方向可以用集合m 。来表示。 m = f 而i 而再( x ) 0 ，x d ) 其中，i n 为某一可能拆卸方向，d 为接触面i 的接触区域，n ( x ) 为接触区 域上各点的法线。 零件实际拆卸方向m 为m 。的交集。 由以上分析，零部件的拆卸方向仅仅依赖于它与装配体上相贴合的 - 1 6 - 堕塞堡三查兰堡主兰堡垒奎 笺婴皇墨塑坌堑 表面，称该表面为配合表面，则零部件拆卸方向可以被映射到一个高斯 球上( 如图4 2 ) 。图中m ，m ：分别为两个配合表面所限定的拆卸方向，m 为m ，与儿的交集，即零件的可能拆卸方向。 r 、= 弛嗨 m 图4 2拆卸方向的生成 由于产品结构的复杂性，要判断一个零件能否在顺利地拆卸，还要 作干涉检查，也就是要判断在拆卸过程中是否与其他没有直接接触的零 件发生干涉。 若m 。m 是零件p 的一个可能的拆卸方向，r ( p ，m ) 表示接触面边界 上的点沿m ；的射线集，如果r ( p ，m ) 与其他零件边界不相交，则说明零 件p 沿该拆卸方向可拆。 在实际拆卸过程中，拆卸不一定沿直线路径。另外，拆卸的可能性 还与拆卸空间等很多因素有关，具体分析时应根据装配体的实际情况、 拆卸工具的不同情况确定。 4 2 拆卸规划 产品的拆卸需要按一定的步骤进行。拆卸操作的先后次序的安排、 拆卸的分解水平( 深度) 是否合理关系到回收的经济性。 4 2 1 拆卸过程建模 目前，拆卸规划的研究大多采用a n d o r 图来进行产品装配拆卸结 构建模利用图形搜索法自顶向下进行完全拆卸序列的研究，对拆卸过 程的终点未以考虑，对回收的经济性考虑较少。为了获得最大回收利润， 产品的拆卸过程常采用不完全拆卸。不完全拆卸过程与完全拆卸过程相 比难点在于如何确定拆卸操作终止点。总的回收利润在拆卸进程中是一 个动态的值。为了反映拆卸过程，本文采用扩展的动作序列图陆”代替 a n d o r 图，建立如图4 3 的拆卸过程模型。 - 1 7 南京理工大学硕士学位论文 第四章拆卸分析 顶点 弧 图4 3 拆卸过程模型( 扩展动作序列图) 与产品结构模型不同，在此模型中用顶点表示拆卸过程的5 种状态： 起点、选择、分离、拆卸、终点。其中 o 匿鄢表示拆卸的起点。在拆卸过程中起点不一定只有一个，若一 个零部件没有紧前件。就可以认为是拆卸的起点。 町d 表示拆卸过程的终止。在拆卸过程中，终止拆卸有多种原因。 由于不同的回收目标，可能是为了获得最大的回收利润，可能是为了获 得较高回收价值的零部件，可能是为了分离有毒有害的材料，在目标实 现时拆卸即可终止。 表示分离。在该点子装配体会发生分离，形成两个或两个以上的 部分。 o 表示选择。表示在该节点处将发生选择过程，有两种或两种以上 的优先级相同的选择项可供选择。 n1 表示第i 个拆卸操作。 用弧表示三种不同的联系，其中实线表示相连接的两个操作的优先 权：单向虚线用来联接操作顶点和终点，表示拆卸过程的终止；双向虚 1 8 。兰 南京理工大学硕士学位论文 第四章拆卸分析 线表示两种可能的顺序，换言之，在分解过程中一个装配体可以被并行 地拆卸，而无优先级别的差异。 4 2 2 拆卸过程优化 扩展的动作序列图建立的产品拆卸过程模型为研究基于最大回收利 润的拆卸序列的规划提供了方便。 ( 1 ) 扩展的动作序列图可以用g = ( n ，a ) 来描述，其中 n 一一表征拆卸操作的顶点集： a 一一弧集( 包括实线、单向虚线、双向虚线) ； ln l = n ( 顶点数) ： ia | - m ( 弧的总数) 。 ( 2 ) 用矩阵t = t 。， 来描述产品结构，其中 h ，j 分别为零件或子装配体序号和拆卸操作序号； t ，的取值经操作j 获得零件( 子装配体) ht = l 经操作j 分解子装配体ht h j = 一l 其他 t 。= o 。 厂、 ( 3 ) 最大回收利润表达式为：m a x i r h z ，+ 勺 ，其中 ，j， 靠一一从零部件h 可获得的收益或费用( 正值或负值) ， c ，一一当i 是j 的紧前步操作时，操作j 的拆卸费用( 负值) ， z ，一一当操作j 实施则取i ，其他取0 ， x 。一一若j 在i 之后完成取1 ，其他取0 。 ( 4 ) 辅助参数的引入 为了反应操作间优先权结构，引入两个辅助参数p 、q ，用y ；和y ? 表 示对计算过程的影响。并且有如下关系： p = n 一1 ， k 为拆卸起点( s o u r c e ) ； y ? 一y ：= z ， j n 赡= z ， k 为终止顶点( s i n k ) i 1 9 堕塞翌三查兰堡主兰垡丝苎j 韭堕生型! ! ! 塑 y ? 一y ：= 一z ， j ； + y ? ) = ( ”- 1 ) z ， j n ， y ：一y ? z ， u 比v 的优先级高 -o， y ；+ y ? 胛一1 ， i ，j 连接选择顶点： j y f p + j ，? = ( 拧一1 ) x f 其中z ，h o ，l ，y ；，圩为非负整数。 0 0 4 8 1 7 6 1 4 10 0 12 4 1 53 8 5 0 1 21 4 5 图4 4a 0 子装配体拆卸树图 以复印机的回收为例，子装配体a 。为复印机中的一个部件，由1 2 个零件和1 个子装配体a 。构成( 如图4 4 ) 。若不进行拆卸，a 。的处理费 用为￥6 4 4 ，进行如图拆卸后，总的拆卸费用为￥1 0 2 2 ，回收利益为 ￥l i 2 2 ，l 、2 、a 的处理费用为￥1 7 6 ，总利润为一0 7 6 。与拆卸前相 比费用下降。当规划拆卸序列，进行予装配体a 。的拆卸与直接处理选择 时，应选择对其继续拆卸操作。 2 0 一 南京理工大学硕士学位论文 第四章拆卸分析 4 3 拆卸时间的计算 拆卸时间是决定拆卸成本的主要因素。 拆卸时间的长短与零部件间联接方式、拆卸工具、操作空间、更换 工具的时间、拆卸工人的熟练程度等有关。它包括基本拆卸时间和辅助 时间。基本拆卸时间是指松开联接件、将待拆零件和相关联接件分离所 花时间：辅助时间是指为完成拆卸工作所作的辅助工作所花费的时间， 如拆卸工具或人手接近拆卸部位的时间等。产品的某一部件单元可能由 多个联接方式组合而成，此时该部件的拆卸时间就是完成这些联接所消 耗的时间总和。一般来说，产品的拆卸时间越长，产品的复杂程度越高， 产品的拆卸性能越差。 拆卸时间可由下式表示： t d = e t 女+ n r ：+ to i = li = 1 其中乃一一总的拆卸时间； 一一分离零件i 所花费的时间； 。一一与某一联接有关的紧固件的数量： ”一一装配体( 子装配体) 零件总数； m 一一联接件总数； 。 f 。一一移去紧固件i 所花费的时间； ，。一一辅助时间。 不同的联接方式，其拆卸时问的计算方法不同。如单个螺栓联接可 用下式计算： 。 t = 五+ 正 其中，r 一一总拆卸时间 正= l ( n + p ) 一一拆卸螺栓的时间 瓦= k ，+ 正一一其他时间。包括分离联接件的时间及辅助时间 一一螺旋长度： ”一一螺纹头数； p 一一螺纹的螺距： k ，一一辅助时间修正系数。 2 1 塑室里三查兰堡主堂垡丝奎 塑巴兰垂塑! 堕 在拆卸过程中，拆卸工具、工人熟练程度、结构的复杂程度、产品 在使用过程中的磨损、腐蚀程度都对拆卸时间有不同程度的影响，可根 据具体情况调整修正系数。 实践中，由于设计时并不能确切的知道拆卸时间，拆卸时间常常用 估算的方法获得。首先确定各种拆卸操作的理想拆卸时间，然后通过各 种修正因子对理想拆卸时间进行修正，得出与实际情况较为接近的时间。 此处引用英国m a n c h e s t e rm e t r o p o l i t a n 大学及美国r h o d ei s l a n d 大 学关于拆卸操作时间的研究成果“”。为了使实验结果具有普遍适用 性，他们选取了各种类型的机电产品，包括家用电器、计算机、复印机、 电话、传真等。采用了两种实验途径，一种是集中式的批量拆卸，即对 一批产品( 体积较小的产品) 的拆卸由各个工人相对独立地进行所有的 拆卸操作：另一种是流水线式拆卸，即对同一产品( 体积较大的产品) 的拆卸由不同的工人顺序作业共同完成。对于每一类产品，对多组工人 的操作时间进行统计，对不同产品的同一类操作时间进行加权平均，通 过与理论计算值比对、修正得到以下实验结果。 拆卸操作是由零部件问的联接关系、位置关系决定的。在拆卸过程 中经常出现的操作有：移除( r e m o v a l ) 、螺纹联接的拆除( s c r e w r e m o v a l ) 、快捷联接的打开( o p e n i n go fs n a p f i t s ) 、折断( b r e a k i n g ) 、 剪断( c u t t i n g ) 、拔出( p u l l i n g ) 以及放置与更换工具。在理想拆卸条件 下( 没有任何困难的情况下) 试验结果见表4 1 。 实际拆卸过程中，由于拆卸空间的限制，联接件不易接触，被拆卸 的零件生锈等原因会造成拆卸时间的延长。根据不同的障碍造成的拆卸 时间的延长程度不同，对拆卸障碍进行分类分级。( 修正系数如表4 2 所 示。) 1 ) 易达性：用易达性来表示联接被触及的方便程度。根据情况分为 五个等级： 0 b l 一一容易触及； o b 2 一一沿着障碍物需要有两个或两个以上方向的移动； 0 8 3 一一有o b 2 的情况并且伴有视觉障碍： 0 8 4 一一需要使用辅助延长件才能触及； o b 5 一非常困难。 2 ) 操作的困难程度：操作的困难程度表示拆卸的进行受到阻力、操 2 2 - 塑室墨三查兰堡圭兰堡丝苎 作空间以及可能的联接失效造成的拆卸时间的延长。 为四个等级： r d l 一一没有困难； r d 2 一一困难较小； r d 3 一一困难较大； r d 4 一一困难很大。 表4 1拆卸操作与拆卸时间 第四章拆卸分析 操作的困难程度分 一2 3 - 塑塞里三查兰堡兰垡垒苎一一苎璺皇堑! ! ! 塑生 表4 2 拆卸时间修正系数 4 4 拆卸成本的确定 零部件问的联接方式、产品使用环境不同，拆卸的难易程度也不同， 拆卸费用也表现为不同的量值。拆卸费用包括拆卸人工费用和设备使用 费用。拆卸人工费用主要指工人工资，其单价与本地区的经济发展水平、 行业规范、劳动力市场供求关系等因素有关。设备使用费用包括拆卸所 需的工具、央具及辅助装置的费用，拆卸操作费用，材料识别、分类运 输及存储费用等。拆卸费用是衡量产品可拆卸可回收性好坏的主要指标 之一。一般来说，拆卸费用越小，零部件单元的回收重用价值就越高。 拆卸费用可用下式表示： c 。= k 。c i t ，+ k 2 c 2 s i l l 式中c 。总拆卸费用； k 。劳动力成本系数； k ，工具费用系数： i 拆卸操作的序号： c 。拆卸操作i 的当前劳动力成本； ，拆卸操作i 所花费的时间： c ，拆卸操作i 的当前工具成本消耗； s ，拆卸操作i 的工具利用率。 2 4 - 南京理工大学硕士学位论文 第五章回收分析 5 回收分析 5 1 回收方式与回收系统 产品的回收贯穿产品制造、使用、报废全过程，根据所处的阶段不 同可划分为三种类型： ( 1 ) 前期回收这种回收方式中的回收者位于生命周期前段，通 常指制造商对产品生产阶段所产生的废弃物和材料( 边角料、切削液等) 进行回收利用。 ( 2 ) 中期回收通常指在产品首次使用后，对其进行换代或大 修，使产品恢复其原有功能和性能，甚至通过模块的扩充，获得新的功 能。 ( 3 ) 后期回收这主要指产品在丧失其基本功能后，对产品进 行分解、材料回收、部分零部件的重复利用。 本论文所研究的回收问题主要指中期与后期回收。前期回收的问题 在绿色设计与制造系统中有“清洁化生产过程”专题研究。 传统产品的生命周期是一个开环直线型的方式。产品由生产者通过 生产过程而进入流通领域。由销售商将产品销售给消费者。消费者使用 产品直至产品生命周期终了，或被新产品替代而淘汰。最终产品成为废 弃物置于一边。 回收设计要求改变这种模式，将开环直线型的生命周期变成闭环的 生命周期。理想的废旧产品回收过程应与制造系统的各个环节紧密联系 的。( 如图5 1 ) 从产品的回收层次来看，产品的回收有六个层次，即产品级、部件 级、零件级、材料级、能量级、填埋级。其中产品级是指产品被不断的 更新升级得以反复使用、或进入二手市场。从环境保护和节约资源能源 角度来看，产品级的回收再利用层次是最高的。部件级和零件级的回收 是在产品拆卸分解后，可以重新利用的部分经过翻新和检测，进入在制 造环节或进入零配件市场。对于拆卸后无法进入上述三个层次回收的零 件或产品可作为材料回收，经过材料分离、在制造产生回收材料供给原 材料生产企业。产品中不能有效的进行以上四种回收的部分，一部分经 2 5 堕室堡三查堂堡圭兰堡堡壅墨至兰里堂! ! ：塑 焚烧获得能量，剩余残渣被填埋，最终被自然分解。 图5 1闭环循环的回收系统 5 2 材料的回收与重用 5 2 1 材料的回收再生性能 不同材料的回收再生性能各不相同。为了充分有效地使用材料，在 设计阶段就要考虑材料的回收和处理性能，以便最大程度地利用现有资 源。 表5 1 材料的回收性能 好 一一宴。二三矗壹荛一j 二二蠢 贵重金属：金、银、白有色金属：黄铜、镍有色金属：铅、锌 金、钯热塑性塑料热固性塑料 ， 其他有色金属：锡、铜、木纤维制品、纸 陶瓷 ， 铝合金玻璃橡胶 黑色金属：氯化阻燃剂、涂层、填充物 钢及其合金焊接、粘接在一起的不一致 材料 表5 1 将常见材料按其回收性能分好、中、差三类，在目前技术条 件下，金属材料的可回收性比较好，而非金属材料的可回收性较差；塑 料中热塑性材料可重复利用，而热同性塑料的分解和回收比较困难；单 一材料回收技术较为成熟，而复合或混合材料的回收较难。以汽车中的 2 6 南京理工大学硕士学位论文 第五章回收分析 各种材料为例，其中金属部分几乎可以完全回收，而塑料和橡胶部分则 是回收的难点。这里以汽车轮胎的回收再利用为例，讨论其回收问题a 在汽车整个生命周期内轮胎的消耗量是巨大的。1 8 3 9 年g o o d y e a r 发明了橡胶硫化之后，1 8 9 6 年运用于四轮汽车中。在随后的一百年里全 球汽车工业迅速发展，轮胎工业也突飞猛进的更新换代。在给人类文明 作出了积极的贡献的同时，大量废旧轮胎的堆积，对环境造成的影响也 逐步为人们所关注。 据文献 7 1 报道，1 9 9 2 年美国以拥有超过2 5 亿套废旧轮胎，而且 以每年2 亿套的数量增大。全球1 9 9 2 年的报废轮胎总重量高达6 8 0 万吨， 其中中国居于第二位达9 0 万吨。 轮胎等橡胶制品的回收利用是汽车回收工程中非常重要的现实问题 和关键环节。近三十年来世界汽车轮胎的主要消费国家都致力于这一课 题的研究，以减少对环境的污染和资源的消耗。 解决废旧轮胎问题的回收方法按目前国际发展状况来看，有如下几 种： ( 1 ) 减少废料 减少废料的产生是一种主动的回收策略，通过优化橡胶制品的生产 过程，提高原材料的利用率、提高成品率，减少在生产环节的废料的产 生。同时力求提高产品的使用寿命，改善路面状况，降低轮胎的磨损。 减少使用阶段废料的产生。 ( 2 ) 整体再生 整体再生的最主要的方法是轮胎翻新。轮胎在使用过程中最普遍的 破坏方式是胎面的磨损，而胎体大多是完好或基本完好的。旧轮胎经过 打磨一一清理一一浇注橡胶一一模压成型，进行翻新。翻新后的轮胎与 新轮胎的性能相差很少，价格仅为新轮胎的3 0 5 0 ，而且翻新轮胎过 程能量消耗小，大大的节约了资源和能源。在德国，每年翻新轮胎的总 产量为1 万吨，卡车轮胎翻新比例为4 8 。 ( 3 ) 回收再生 废旧轮胎的回收再生有两种方法：1 ) 通过机械方法将废旧轮胎粉碎 或研磨成微粒，即胶粒或胶粉；2 ) 通过脱硫技术破坏化学网链制成再生 橡胶。 胶粒或胶粉是目前废旧轮胎处理中最有前途的方法之一。将废旧轮 - 2 7 塑室墨三查兰堡主兰堡堡苎 苎墨兰旦坚坌堑 胎通过切割一一粉碎一一分离一一筛选一一研磨等工序制造胶粒或胶 粉。 再生胶制造是将废旧轮胎切碎成块甚至在胶粉基础上，利用高温蒸 汽、化学、微波、辐射、超生波、微生物等脱硫技术，将一s x 一、一s 。 一、一c s 一、一c c 一等化学网键切断，制成可再硫化的橡胶，橡胶 工业曾一直在开发和使用这种再生橡胶，特别是开发初期，再生胶占有 很高的耗胶比例，而现在世界各国出于成本上的考虑以及环境污染问题 ( 尤其是气味) ，使再生胶的产量大大降低。 ( 4 ) 热裂解回收 废旧轮胎经过热裂解，可以提取出具有高热值的燃气、富含芳烃的 石油以及炭黑等有价值的化学产品。在高温裂解炉中于5 0 0 9 0 0 下裂 解废旧轮胎，可以生产液化石油气、油和粗炭黑的混合物。液化石油气 经进一步的纯化后装罐；混合油经酸洗、碱中和、水洗和白粘土吸附后 再经蒸馏，可制得各种石油产品；粗黑炭经粉粹、磁分离、二次研磨、 磁分离和空气分离可制得各种粒度的炭黑。 ( 5 ) 填埋储能 填埋储能的方法实际是一种消极的措施，由