基于报废产品处置需求驱动的汽车设计技术变革

邵晓军,白跃伟

(上海第二工业大学 a.环境与材料工程学院;b.智能制造与控制工程学院,上海201209)

0 引言

近年来,随着汽车保有量的逐年快速增加,使用时间较长的车辆逐渐开始进入报废期。报废汽车(scrap cars)是指或已经达到国家报废标准,或车辆重要部件(如发动机、底盘、变速器等)严重损坏,不能通过国家规定的机动车运行安全技术条件的车辆。在过去十年,我国汽车行业经历了高速发展阶段,目前仍处于快速增长状态。根据《中国橡胶工业年鉴2013—2014》统计的数据(参见表1)可以看出,我国汽车产量增长显著。如果按照年平均增长率10%计算,2018年底我国汽车保有量将达到2.09亿辆。如果按照我国现有的汽车报废率6%～8%测算,到2018年底我国报废汽车的数量将达到1 254～1 672万辆。

表1 2013–2014年我国汽车产量与保有量Tab.1 Scrap car production and ownership in the past 2013–2014

汽车的回收处理分2种情况:① 达到报废标准,这类汽车主要是进行材料回收,无害化处理;②汽车功能丧失,但未达到报废标准,这类汽车主要是进入再制造流程。报废或功能丧失的汽车如果不及时妥善拆解回收(dismantling and reuse method,DRM),不仅会占用大量的土地资源来存放,还会对环境造成危害,浪费大量的金属或非金属资源。目前,评价报废汽车拆解回收(scrap cars dismantling and reuse,SCDR)技术优劣主要还是依靠SCDR处置流程的后期运行效果,即从评价DRM工艺方案的合理性、DRM生产线的布局合理性、DRM现场环境处置技术水平、材料回收质量与效率等方面入手。但是,这些方法具有滞后性,对改进现状和应对未来的挑战还是不够的。从循环经济理念出发,采取科学的DRM方法,在汽车产品设计的早期就将针对报废车辆的DRM策略/措施/方法引入,可在很大程度上缓解这一问题[1]。因此,开展SCDR的产品设计技术研究具有积极的现实意义和工程应用价值。

本文基于这样的目的,通过对国内万方数据资源库以及国外的Springer LINK外文全文数据库、Engineering Village数据库等相关电子资源,利用相关关键词(报废汽车,DRM等)进行检索,将近年来本领域面向SCDR相关技术的文献进行了分析,并对其发展趋势进行了预测。这将对来自该领域的设计院、制造公司、报废汽车处置企业的工程技术人员有一定的借鉴作用。

1 新概念/理念驱动汽车的总体设计技术发展

近年来,面向产品全生命周期(product lifecycle)的设计、制造、服务的新概念/理念在产品制造的各个环节广泛渗透,催生了许多全新的设计,改变了产品制造、服务与使用的全过程。产品的全生命周期是指自产品的设计、制造开始,经过销售、使用、维护等阶段后,产品进入报废期的所有环节和流程。根据循环经济理论,复杂产品系统报废后,要合理利用功能和物理性能还完好的零部件(称为“再制造”),而不是简单地将这些产品进行粗暴拆解,简单分离零部件材料后进行回收。

开展产品全生命周期的汽车设计,需要建立一个全闭环的回收系统处置策略,由系统来支持和引导部署相关技术活动,而不能由一个开环的、无监控和无改进措施的流程或系统来推动报废产品处置。根据传统的汽车总体设计方法和相关文献,通过归纳分析,给出了下面几个应注意的主要技术保障措施。

1.1 目标模型的建立

开展面向产品全生命周期的汽车总体设计,首先需要建立一个综合性的目标模型。目标模型会直接影响产品的总体设计方案,例如,产品参数与配置方案、发动机工作模式、汽车的电子系统及控制策略等;这个综合目标模型分解后,形成一系列的子目标,子目标的实施又会对各个部件的具体设计产生重大影响。因此,建立综合性的目标模型不仅需要考虑产品的功能、性能,还需要从社会需求、产品维护维修、甚至产品的报废拆解、零部件再制造等方面进行考虑,基于新概念/理念驱动汽车的总体设计技术发展现状,建立如图1所示的闭环模型。由图中可以看出,目标模型的建立、设计方案的生成以及用户反馈都是围绕报废产品需求驱动这个核心开展的。

图1 需求驱动的产品设计闭环模型Fig.1 Demand-driven product design closed-loop model

1.2 综合指标的建立

开展面向产品全生命周期的汽车总体设计,其次需要建立一个综合评价指标评价体系(见图2)。其作用是对综合性汽车设计的目标模型的可用性进行评价,其中包括功能/性能评价指标、可制造性指标、产品可维修性指标、产品的经济性指标、产品生命周期末期的SCDR可实施性指标等。综合指标体系中的指标可能相互约束,如果不能科学地寻找到平衡点,就会顾此失彼。

图2 需求驱动的产品设计综合评价指标Fig.2 Comprehensive evaluation index of demand drivenproduct design

1.3 新技术的融合

开展面向产品全生命周期的汽车总体设计,还需要考虑如何有效融合最新的科学技术以及相关的信息通信技术产品,将有关的新技术、新方法及时融合到产品设计与制造过程中。例如,在设计阶段,有效融合虚拟现实VR/AR等技术,更加合理地设计出符合人体工程学的汽车及其功能布局,其仿真模型可以很好地延伸到维修维护阶段,降低维修维护成本;在重要或敏感零部件的设计过程中,合理应用无污染、易处理、无危害的新型功能材料,这样当产品到达SCDR处置阶段后,就可以更好地分离和回收材料;在设计过程中,要考虑如何有效支持产品的制造,以便在产品制造环节能够方便地应用智能制造技术,进一步降低产品制造成本,并自动记录产品制造过程的相关机电系统的物理参数,将其自动延时推广到产品维护维修阶段,有效延长产品的使用寿命,减少不必要的制造活动,节约制造资源等。

文献[2-3]中试图从一个系统的角度提出相关的技术活动,但它们还是局限于产品全生命周期的某个环节和几个阶段的组合,不能从全局的角度去考虑产品的设计。虽然现在有学者提出了面向产品全生命周期的汽车设计概念,但是具体付诸实施的实际案例和具有相关报道的文献还比较有限,其主要原因是汽车制造商和汽车设计研究院目前主要关注“如何经济地制造出汽车产品”,以及在用户后续的使用过程中,制造商如何通过维修维护环节,在零部件方面获取更大经济利益。近年来,国家加大了对报废汽车处置方面法律法规的制订和实施力度,并且随着这些政策法规进一步细化和监管落实,关于面向产品全生命周期的汽车设计理论、技术方法的研究问题,将会有越来越多的学者和研究机构参与,与之相关的产品设计实践和相关文献报道也将越来越丰富和深入。

根据上文所述,将其概括为图3所示的模型。从模型中可看出,基于报废产品处置需求驱动的汽车设计技术,即要求在产品设计、制造、销售、使用、维护阶段就应当将再循环理念融入其中,形成一个绿色闭环链,实现产品全生命周期各个阶段的节能环保。首先,在产品设计中,主要考虑产品的参数、配置方案以及控制策略来达到功能/性能评价指标、可制造性指标等综合评价指标的要求,确保在设计前端就将循环理念引入其中。其次,在产品制造过程中,应当力求生产设备成本低,能耗小,加工制造技术符合可持续发展的思想,在制造完成后还需进行装配检验,防止产品因为装配问题而造成资源的浪费,因此,在生产制造过程中,采用精益化理念作为指导方案,达到人、机、料、法、环等有效协调、高效利用、节能环保。最后在产品的使用以及维护阶段,要考虑产品使用的消耗及费用、服务模式等,更要考虑在产品寿终正寝之际如何实现材料以及零部件的再利用、再制造、再循环。针对产品全生命周期过程存在的技术问题,结合当前的技术发展现状以及客户需求,本文提出采用VR/AR/RT仿真技术,为产品全生命周期设计理念与汽车产品信息管理、新概念驱动、循环经济理论的交互建立可操作的实践平台,在一定程度上能够实现新知识以及新理念快速和动态地获取、共享、复制和传统设计的颠覆。

图3 面向汽车产品的全生命周期设计模型Fig.3 Product life cycle design model for cars

2 产品服务性能指标驱动汽车的结构设计技术发展

产品服务性能指标有很多,产品在维修维护阶段的易拆性是其中的一个重要评价指标。其原因在于,这个指标不仅要考虑如何通过装配来实现特定的功能以及满足所需的性能,还要从维修维护的角度去考虑如何方便拆解产品。这有两个方面的情况可能涉及:一方面是当产品发生故障时,应方便地更换有问题的零部件;另一方面,产品制造商/服务商要考虑到当产品报废时,如何方便分离各个零部件,然后高效、高质量地回收零部件材料。汽车产品是一个复杂的机电一体化的系统,其中有易于拆解的零部件(如机械部件,发动机等),也有不方便拆解的部件(如电瓶等),甚至还有根本就不能拆解的且具有一定危险性的部件(如安全气囊等),这些零部件的结构设计需要在早期就要考虑到,否则不仅后期处置费时费力,而且还会造成资源浪费、环境污染等问题。

用易拆性指标来指导汽车零部件结构设计,要综合考虑零部件的材料属性、功能属性、环境安全属性等因素,针对不同的对象应用不同的设计原则。其中概述如下:

(1)通过合理的结构布局,尽量减少拆解工作量。通过集成部件功能,减少产品中的零部件材料种类,可以有效解决产品SCDR环节的拆解工作量。

(2)合理设计零部件的联接方式和零部件空间布局,在维修拆卸阶段,保证拆卸使用的工具和拆卸运动方式都比较简单;选用刚性较好的联接结构,有效降低零部件的联接失效现象。

(3)合理选用同质材料,便于识别和分离、分类,减少零部件长期使用过程中出现的零部件结构变异的现象;避免使用易老化的材料,以及避免易腐蚀材料组合的结构,有效提高产品部件的使用寿命。

目前的文献主要围绕两个方面的问题开展了研究。① 产品结构与产品可拆性的关系的研究,例如,Shivakumar等[4]通过量化产品结构因素来判断该部件可拆解性;Desai等[5]则从产品可拆性综合分析模型建模入手,通过分解综合模型中的影响因素,建立了产品可拆性与影响因素间的关系函数,具有一定的工程应用指导价值。② 产品结构可拆性分析方法的研究。例如,Kroll等[6-7]通过考虑拆卸时间、拆卸类型、拆卸力、以及拆卸可达性等指标,构建了一个产品结构可拆性综合评价模型;Veerakamolmal等[8]、G¨ung¨or[9]则从约束模型出发,分析零件拆解序列,以高效完成拆解任务为目标开展了相关的研究;文献[10-12]中则从最优拆解序列研究切入,通过图论来分析装配约束,以此来建立零部件的目标拆解有向图模型。

目前的研究大部分还停留在传统的汽车设计技术阶段,或者说稍有超前,将产品设计阶段应该考虑的因素延伸到维修维护阶段,但还是不能延伸到汽车产品报废拆解阶段所要考虑的因素,这样就导致了国内汽车拆解行业在材料回收利用、机械零部件重用、汽车等寿命使用等方面与国外相比还有较大差距。

3 产品回收质量指标驱动汽车的零部件设计技术发展

理想的汽车产品使用的效果是等寿命报废,这样就可以在SCDR阶段,仅针对材料重用问题,通过有效分离、分选材料,方便地实现对报废汽车的处置。但是,由于零部件的功能差异、不同材料等多种因素,通过汽车产品设计的方法来达到等寿命,这是一个比较困难的课题。在这样的情况下,它直接带来的一个问题就是零部件的再利用(再制造)。对于可以通过再制造实现重用的零部件,在SDRC阶段最大限度地开展实施“再制造”,不仅可以降低汽车产品制造过程中的资源消耗,从循环经济的角度出发,还可以创造出有利于人类可持续发展的许多可重用的零部件。

再制造的2种主要实现形式是:① 通过拆卸、清洗、检测、装配后,可以直接使用。② 通过拆卸、清洗、检测后,还需要对部分特征重新进行加工,然后再通过检测、装配后使用。通常将再制造后可重用的零部件,作为备品备件使用,而不是直接在新车产品中使用。用零部件重用性指标来指导汽车设计主要需考虑如下的原则。

(1)产品寿命平衡原则。从理想的汽车产品使用角度出发,汽车产品的设计应该支持等寿命,但是如果不能实现这个理想情况,那么需要建立一个平衡规则。例如,在材料选用时,一方面,不能简单地从等寿命设计思想出发,选择材料性能差、不易后期处置的“等寿命”材料;另一方面,也不能为了提高使用寿命,而选用与“易拆性原则”抵触的材料。

(2)功能部件等寿命原则。根据布局功能部件的设计要求,在一个较小的范围内,对具有相同或类似功能作用的零件进行等寿命设计,应用先进的有限元技术与计算机仿真技术,合理设计功能部件。同时,在局部功能布局的范围内,合理选用“等寿命”新型功能材料。当产品整体功能不能正常工作的情况下,如果通过分析得出特定功能部件可以完整拆卸、修复后实现重用的结论,就可以将功能部件整体处理回收,从而可以实现高质量产品部件级回收。

(3)功能部件易拆卸原则。无论是可以再制造的零部件,还是需要材料回收的零部件,都需要能够方便拆卸,因此,在功能部件的结构设计中,需要从拆卸工具、拆卸方法、拆卸路径规划、拆卸力矩、拆卸环境要求等诸多方面进行综合考虑,从产品有效回收角度来改进功能部件的装配和拆卸方案。

围绕该主题,Gaidajis等[13]针对功能部件汽车机油滤清器的再制造开展了讨论,由于这个功能部件是一个非运动部件,不存在磨损等受外力、或形变而发生性能降低的情况,因此是一个比较适合采用“再制造技术”实现部件功能重用的一个课题,对类似的功能部件重用技术研究具有一定的借鉴意义;Santini等[14]则是针对汽车座椅这样的功能部件,通过分析座椅的失效形式、功能性能降低的产生原因,提出了非运动部件的典型功能零部件重用技术;金晓红等[15-16]、郭廷正等[17]则从一个较为宏观的分析角度和方法入手,对汽车产品回收的数据进行分类汇总,利用概率统计技术(如威布尔分布模型等)进行零部件回收、重用变量的随机分布预测,并利用历史数据对比模拟了(如欧洲汽车市场)零部件回收和重用的情况,建立产品系统回收率与各个分量间的影响分析模型,对于实现行业的循环经济发展,具有较为重要的理论研究意义和应用借鉴价值。

4 面向报废产品再制造的拆卸仿真技术发展

再制造是一种面向产品全生命周期设计理念的绿色制造,将已报废或发生失效的机械产品及其关键零部件按照顺序拆卸后,应用先进制造工艺进行检查、修复和升级改造,使其质量、性能等恢复到原产品甚至超过原产品。拆卸是报废产品再制造的首要关键步骤,但真实环境下,产品拆卸存在很多难点问题,如因产品装配层次未知性(比如模块化组合等)导致产品因拆卸顺序混乱而难以拆卸或因产品装配的稳定性导致拆卸过程中对人身造成危险或是拆卸效率未能通过相关理论直观体现。为了解决这些问题,采用拆卸仿真技术,构建拆卸仿真系统,通过仿真系统找出操作过程中出现的问题和最佳操作路径。同时,仿真系统在完成产品拆卸的同时,也能进行产品的再制造评估。

围绕该主题,李六柯等[18]提出了一种Pareto免疫遗传算法与仿真技术相结合的求解方法,表明所提方法能有效降低等待和堵塞造成的无效作业时间,提高拆卸效率。陶小刚等[19]提出一种基于专家系统的智能装配及工具库拆卸拾取技术。Junior等[20]提出一种考虑再制造环境中随机路径的拆卸主生产调度的数学模型,这一结果有助于理论和实践的发展,填补了对生产计划与调度(production plan and control,PPC)系统使用知识的空白,开发了一种可以在电子表格中很容易实现的数学方法。Capraz等[21]旨在评估电子废弃物(waste electrical and electronic equipment,WEEE)拆卸系统(WEEE disassembly systems,WDS)的替代布局配置。在此背景下,通过使用仿真模型,将各种配置与预定义的性能标准进行了比较。Ito等[22]选择产品,并在计算机仿真的帮助下对回收公司的生产活动进行模拟,设计并分析了拆卸使用的产品一些决策政策,避免了过多库存和新材料的使用,提出了最有效的决策。Deng等[23]开发了一种基于Unigraphics的减速器拆卸和装配的虚拟仿真实验和设计的新实验项目。

5 结 论

报废产品处置受到需求驱动的影响,因此设计方法也在发生相应变化,其中在以“节能减排”需求驱动下的产品设计技术发展较快,而由于我国仿真技术起步晚,一些技术还不够成熟,还需要较长的一段时间探索仿真技术在再制造工程中的应用。随着现代建模技术、计算机技术、人工神经网络技术、虚拟仿真技术、人工智能、仿生技术等技术的发展,建议从事汽车设计领域的专家应该把研究重点放在以下几方面:

(1)运用计算机仿真与智能制造技术来为汽车设计阶段、汽车制造阶段以及汽车报废回收阶段提供一定的技术支持。

(2)研究利用汽车全生命周期设计理念来指导设计、制造、维修等过程,建立基于报废产品处置需求驱动汽车设计仿真模型,为智能制造以及仿真技术的发展提供广阔的实践平台。

(3)采用系统动力学研究方法开展报废产品拆卸仿真技术与再制造技术的融合,保证产品的性能稳定,延长产品的使用寿命,使资源以及能源得到充分利用,减少报废产品带来的资源及能源流失。

报废产品处置需求驱动的设计技术将是未来的主要研究方向,无论是对经济效益还是环境效益,它都具有比较大的积极作用,根据文献报道和总结,也将看到今后面向SCD的汽车设计技术将与传统设计技术有着很大的区别。