废旧产品绿色拆解特征建模技术与应用*

郑加德，杨 勇，丁庆玮

(青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266555)

0 引言

拆解是产品回收和再制造重用的前提，产品拆解的性能好坏直接关系到产品在后期重用过程中的维护以及废弃淘汰后的有效回收和再制造。产品的拆解是产品绿色制造体系［1－2］中的重要组成部分，深入研究产品的拆解将对环境友好型产品的设计［3－5］开发、生产、使用和回收起到至关重要的作用。同时在生命周期［6－7］过程中，拆解作为一个重要环节将影响产品生命周期的评价发展。

绿色拆解是建立在传统拆解基础之上，不仅追求拆解零部件的完整性和无损性，还要进一步考虑对环境影响以及人体安全与健康，从而实现机械制造业的可持续发展模式。当前，随着大量废旧产品的产生，如果不采取绿色拆解回收方式，必然会导致资源大量浪费，生态环境影响恶劣。因此，针对机电废旧产品回收和再制造，深入研究绿色拆解技术具有十分重要的意义。

国内外学者在绿色拆解方面进行了大量的研究。德国的Kahmeyer给出了产品设计的草图阶段。详细设计阶段的可拆卸性设计准则，并指出每项准则对于手工拆卸、自动化拆卸、维修、再制造和材料回收等阶段的影响程度。美国的Mok等提出的设计准则根据打分的方法给予量化［8］。例如杨宏建立了拆解方向的数学模型，并利用该来解决关于绿色拆解方向的某些问题［9］。U．Buker等人研究了一种基于视觉控制和视觉导航的自动化拆卸系统，该系统用一个自动的立体摄像机系统作为视觉传感器，通过对象轮廓识别和位置测量相结合的方法来进行工具的自动准确的定位，系统可对汽车轮毂螺母进行自动拆卸而且可以不依赖于车轮的类型、大小以及车轮上螺母的数量［10］。王伟琳针对选择性拆卸序列规划及评价问题进行研究，采用图模型结合启发式算法的方法对拆卸规划关键问题进行求解，力图探索提高拆卸效率的新方法［11］。

综合以上对拆解技术的研究可看出，有关拆解技术的研究主要集中在拆解方向、拆解方法和拆解序列等方面，缺乏对拆解过程的整体性和系统性研究，而面向节能环保特性的绿色拆解技术更是少有报道。将应用绿色设计制造理论和技术，深入研究绿色拆解技术，构建绿色拆解特征，为进行绿色拆解奠定基础，弥补传统拆解工艺在节能环保方面的不足。

1 绿色拆解特征模型建立

1．1 绿色拆解特征的表达

传统拆解往往建立在目标拆解基础之上，而目标拆解只考虑拆解的经济性，表现在材料的回收价值、拆解成本及达到快速拆解的技术要求。传统拆解理论虽然可以快速实现拆解目标，但是拆解的零部件有的已经失去再使用或者再制造，因此存在严重的资源浪费，对环境和水体造成严重污染。绿色拆解是建立在传统拆解理论基础上，虽然传统拆解理论信息表达上与绿色拆解信息存在一定的差异，但是两者也存在一些相通的地方。绿色拆解把对环境的影响性、零部件再制造等特性作为重点考虑的准则，如拆解排放、噪声、零部件精度和表面粗糙度等特性。如何从一般产品的拆解过程中提取绿色信息，提出了“绿色拆解特征”，该特征是对大量拆解信息的集成与表达。

根据集合理论［13］，绿色拆解特征是一组有关零部件在拆解过程中绿色信息量化的集合，可以用公式描述如式(1):

式中:FT=﹛Ti，i=1 to n|拆解预处理，拆解装夹，拆解工序变化……﹜;FI=﹛Ij，j=1 tom|零部件1，零部件2，零部件3……﹜;FG=﹛Gk，k=1 to p|环境影响因子，资源量化因子，可再造因子……﹜;GF表示废旧产品绿色拆解特征，如环境影响特征、资源特征、可再制造特征等。

绿色拆解特征的三元组合包含了产品拆解的所有过程，保证了绿色拆解信息的完整性。更重要的是绿色拆解特征的三元组合定义具有很高的柔性，适合在拆解方案中存在大量不确定信息的要求。

1．2 拆解信息的表达

面向再制造的绿色拆解特征建立包含三个层面的信息，首先是时间层面，绿色拆解特征涵盖了产品在拆解工艺流程中的拆解预处理、拆解装夹、拆解工序变化、拆解工位调整、零部件分类等信息。绿色拆解目的只有两个，①在拆解过程中实现重要部件的无损伤或者适合再制造;②在拆解过程中对环境不造成危害，并且利于材料的回收，循环使用，形成一个闭环的过程。其次是结构深度层面，一个机械产品可以按照产品层、功能层、装置层和零部件层;最后是影响约束层面，绿色拆解特征实现方案是通过产品拆解信息与绿色拆解特征之间的映射约束函数实现的。这三个层面的信息共同作用、集合构成了产品的绿色拆解特征。笔者提出以“矩阵”的形式表达各个层面上的信息，并通过“矩阵相乘”方式来实现绿色拆解特征的表达。

将时间层面上信息FT与结构深度信息FI进行集合后的结果定义为面向再制造拆解信息矩阵IT。IT矩阵是数学当中广义拆解信息矩阵，它将涉及到绿色拆解的内容，包括材料信息、结构信息、配合信息、回收信息等按照时间层面上的各个阶段依次排列构成拆解信息矩阵。如图1所示为零部件层的拆解信息矩阵。

图1 零部件层的拆解信息矩阵

建立的拆解信息矩阵中，列向量表示产品拆解过程中的各个阶段，包括废产品拆解预处理、拆解装夹、拆解工序变化、工位调整、零部件回收分类。如图1中I1T1表示在目标拆解零部件1的预处理相关信息，包括零部件材料信息、结构特征、联接方式、拆解方向和拆解深度等信息。由于不同产品在信息统计的时候会有个别差异，这时要对应的增加或者减少列向量。根据产品在拆解过程中分为产品层、功能层、装置层和零部件层，如图2所示。

图2 面向绿色拆解特征拆解方案信息表达

由于有些产品的拆解方案中只是针对某个特定层，例如有些传动装置拆解信息只是针对功能层。另外，结构深度层面上的四个层次存在包含关系，因此汇总信息的时候不能重复统计。同时如果过多的考虑绿色拆解信息，必然会导致计算繁杂，因此统计绿色拆解信息的时候要考虑主要影响因素，舍轻取重。

1．3 绿色拆解特征映射关系分析

一个产品的绿色拆解特征是该产品绿色性的重要体现。依据绿色拆解理念可以把绿色拆解特征分为生态影响特征、可再制造特征、能源特征和拆解性能特征三方面。

其中生态影响特征主要考虑大气影响［13］、水体影响、致癌物质影响、固体废弃物影响、噪音和粉尘;可再制造特征主要考虑零部件磨损、轴线变形和裂纹;能源特征主要考虑电能和化石能源;拆解性能特征主要考虑拆解工具、拆解力和可达性。由于针对某些特定废旧产品的绿色拆解特征可以相应的减少或者增加必要的考虑因子，从这方面也体现了绿色拆解特征的柔性，为后期的绿色拆解特征提取简化。

(1)生态影响特征量化分析 拆解过程中对生态的影响多种多样，影响也是各不相同，如何将其量化是一个比较棘手的问题。笔者采用定性加定量的方法来量化各项指标。例如大气影响中采用温室气体度量致使全球变暖能力的方法为GWP法，根据现在普遍认为CO2是造成温室效应的主要原因，故拆解过程中产生的各种温室气体折算成二氧化碳，用g表示CO2的含量。

(2)可拆解性能特征量化分析 由于拆解过程中有些数据难以获取，不适合后期快速评价，故主要采用定性量化模型。例如拆解工具量化，自动化程度高的就用数字9表示，人工拆解或使用普通简单五金工具拆解用1表示，具体情况需要特别处理。

(3)能源特征量化分析 采用电能消耗来表示能源消耗，对于化石能源(煤、石油、天然气)可根据相应的折算系数转化为电能。

(4)可再制造特征量化分析

①零件的表面磨损是相对于轴类产品而言或者有相对滑动的零部件，可用磨损率表示，其中磨损率取值为磨损尺寸占原尺寸的比例，用公式表示为:

②轴线变形也是针对轴类零部件且具有塑性，这里选用最大变形偏差与轴的总长度比值来表示:

③裂纹深度是判断可再制造的一个重要标志，根据零件拆解后是否存在裂纹，可通过目测、敲击和磁粉探伤方法。笔者以裂纹深度与截面直径比例g表示裂纹深度。

按照上述建立的绿色拆解特征量化因子，对于不同的产品需要相应的增加或者减少列。如式(5)所示建立的绿色拆解特征筛选矩阵。

1．4 绿色拆解特征模型建立

本文将绿色拆解特征定义中的三个层面上的信息以矩阵形式表示。这三个矩阵相乘筛选就得到绿色拆解特征。这里的矩阵相乘虽然并不是严格意义上的矩阵相乘，但也要满足矩阵相乘时左边矩阵的列等于右边矩阵的行。如图3所示。

图3 绿色拆解特征模型

产品的绿色特征要经过最终的聚合，将同类绿色特征下的量化指标进行聚合，即矩阵中的每一列进行叠加就得到产品的绿色拆解量化特征数值。如式(5):

由式(5)得出各个特征因子下的数值，再根据层次分析法确定各个特征因子的权重，从而确定拆解方案的绿色性。如式(6):

式中:Wk为相关因子交互值的权重

该模型具有简单、容易理解并且具有很高的柔性，但是对数据的采集是最困难的。根据现有的环境法规、技术标准，通过相应的函数求出对应的数值。笔者通过对不同的拆解方案的绿色信息进行提取，并相应地聚合为绿色拆解特征。基于该模型可为后期的拆解方案进行快速评价，并得出最优的拆解方案。因此该模型具有很高的实用性。

2 实例分析

汽车发电机是汽车中的一个重要零件。汽车报废后，发电机它可以作为独立的终端产品回收，回收再利用价值相对较高，因此绿色拆解至关重要。本文选用型号为JFZ1906废旧汽车发电机进行绿色特征建模技术的应用研究。

2．1 目的和量化因子确定

将废旧发电机绿色拆解信息的提取限定在发电机拆解过程中，包括能源资源消耗、噪声、排放物、水耗等。

图4 发电机拆解过程

本实例旨在通过这个模型把拆解信息按照一定的函数提取出来，并用数值表示绿色性，从而用于拆解方案的比较。

2．2 拆解信息表达

废旧汽车发电机作为小型的通用设备，在具体的拆解过程中可以把发电机分为:紧固螺母、带轮、前后端盖、转子、定子、整流板、电刷架和整流罩八个主要部分。其中拆解过程中每个阶都包含着各类拆解信息，笔者把各类拆解信息按照集合的理论进行汇总，由于发电机简单对大气、水体等影响较小可以忽略，故主要考虑拆解能耗、淡水消耗、粉尘、噪音、磨损和裂纹。由于拆解信息有的难以收集，所以需要估计和参考有关文献来收集信息［12］，所以建立相应的数据库势在必行。

按照上述所述的拆解信息表达模型进行汇总，可得1台废旧汽车发电机的拆解信息表达矩阵，如图5所示:其中:化石资源消耗、水耗的单位为kg;能耗的单位为kWh;拆解粉尘的单位为mg·m－3;噪音的单位是dB;固体废弃物单位为kg，空白的信息表示该位置无对应信息，或者对结果影响不大、可以忽略的信息;“总计”表示该列所有对应信息的集合。

图5 发电机拆解信息

2．3 影响约束类型量化信息及绿色拆解特征的建立

由于不同的产品的约束影响信息不同，需要根据实际情况相应的增加或者减少，废旧汽车发电机的影响约束量化因子分为七种，分别如上述表示，能源、水消耗、固体废弃物、噪音、粉尘、磨损、裂纹深度。有些数据是实际测得，经过换算，然后按照绿色拆解特征表达模型可建立如图6所示。

图6 发电机影响约束类型

按照绿色拆解特征定义每一列相加表示在该拆解方案下对应的特征值，如表1所列。运用层次分析法可以得到各个量化因子的权重，如表2。

表1 发电机绿色拆解特征

表2 拆解特征因子权重

则该拆解方案下的综合绿色性为:

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

绿色拆解特征主要适用于大规模拆解作业时，确定拆解方案的综合绿色性，通过数值的比较可客观的评价拆解方案的优劣，从而排除对环境影响比较大，且容易损坏零部件的拆解方案，具有重要的用途。

3 结论

(1)提出了“绿色拆解特征”的概念，建立了绿色拆解特征模型，将产品的信息按照时间层面和结构层面上以矩阵的形式表达。

(2)针对某一拆解方案将拆解信息进行约束筛选、提取和聚合，最终求出该拆解方案的综合绿色性。通过比较各个方案的综合绿色性可以快速得出拆解方案的优劣。

(3)以废旧汽车发电机为实例进行应用，得出了该电机的综合绿色性，验证了模型的适用性。

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