电控系统可再制造升级性评价方法研究

2023-12-29董兴华李飞吉正金赵五洲孙娟曹童

机械工程师 2023年12期

董兴华，李飞, 吉正金，赵五洲，孙娟, 曹童

（1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡 721000；2.西安宝美电气工业有限公司，西安 710000）

0 引言

随着国务院印发《中国制造2025》，中国提出了“大力发展再制造产业，实施高端再制造、在役再制造”[1]，标志着中国对再制造产业的重视上升到战略高度。石油钻机是油气勘探的高端战略装备，经过近10年的快速发展，国内已拥有总量超过1700套的钻机[2]。电气控制系统（以下简称电控系统）是钻机的重要组成部分[3]，涵盖了石油钻机主要的动力和控制设备。电控系统自从20世纪末逐步在中国推广[3]，现在临近产品退役周期[4-5]，电控系统是石油钻机控制和供能的主要部件，也是主要耗能设备。电控系统由于服役时间长、能耗大，迫切需要通过各种技术来提升其性能，延长电控系统的寿命，使其满足不断变化的使用需要和规范要求，因此引入再制造相关技术。有别于传统的电控系统维修，电控系统再制造是一种基于电控系统设备的零部件为毛坯，经过再制造的产品性能，能够达到甚至超过原型新品的技术，是实现电控系统循环利用的有效途径。由于电控系统再制造的费用一般是百万元以上，为预防风险，因此需要先进行电控系统的可再制造升级性评价，判定电控系统是否适合再制造。

可再制造性评价[6]是再制造升级活动的前期准备，同时正确而有效地对电控系统的可再制造升级性评价，不仅能评估电控系统是否存在再制造升级价值，而且还能为用户降低潜在风险——如果把有可再制造升级价值的系统进行拆解，并作为零部件进行回收,其潜在的剩余价值就没有发挥出来，造成资源浪费;而对含有缺陷或者再制造升级价值不高的系统进行再制造升级,则会存在质量问题，甚至在油田现场造成安全事故。此外,电控系统的技术指标、经济指标等也对其可再制造性产生重要的影响。当前可再制造性评价针对再制造恢复和再制造升级两种技术需求[7]。前者是采用恢复实施废旧电气产品原有性能为目的的再制造；后者是通过专业化升级改造的方法来使其性能超过原有新品的制造过程，是运用传动技术、自动化技术、信息技术等高新技术，实现退役电控系统相关资源的循环利用和性能跨越式提升。以往的可再制造性研究主要以“再制造性恢复”为目的，以零部件或单个产品为主要对象进行的研究，比如美国学者对再制造相关工艺流程进行研究，并提出了对应的可再制造性评估方法[8]。Ghazalli等[9]从再制造的相关影响因素考虑,运用各种算法,分析如何建立方案的可再制造性决策模型。国内科研机构的工作人员也进行了相关研究，构建了具有中国特色的理论体系。中国工程院徐滨士院士[10]总结并建立了再制造相关研究体系，并对再制造的未来发展展开预测。魏效玲等[11]对曲轴的可再制造性展开研究。马硕等[12]对机床主轴的寿命评估展开研究并取得阶段性成果。上述研究主要针对机械结构设备的有形磨损,展开评估并判断有无再制造价值,但对机电产品的无形磨损：技术指标（技术性能无法满足市场要求而功能性退役）和经济指标（运行的经济成本过高而退役）等，具备“再制造升级”特征的研究未引起足够的重视。因此,电控系统可再制造升级性评价理论分析并建立相关方法体系就存在研究价值。

1 电控系统再制造升级性的评价方法和模型

1.1 可再制造升级性评价的对象

随着再制造升级产业的发展，涉及的产品越来越多，因为其生产对象主要是功能或性能退役的老旧产品，因此以机电产品为主。以石油行业电控系统[3]为例，具备再制造升级的典型产品（部分）包括：动力及其控制系统中的发电机组，电气传动交/直流驱动及其控制系统中的电动机、交/直流控制装置，配电控制系统中的变压器、断路器（如图1）。

图1 典型直流电控系统组成

1.2 可再制造升级性评价研究的意义

进行相关研究是基于以下几点考虑：

1）满足市场需求。由于我国废旧机电产品进入退役的高峰期[13]，因此需要相关方法，解决由于功能或经济原因废弃产品的再制造升级前的评价，确认能否进行循环应用，填补“再制造恢复”评价的不足。

2）满足产业结构升级的预判需要。再制造升级方法包括先进技术应用、产品结构改造等，因此能对整个机电产业结构的优化和新技术的引进起到推动作用。但是对原“毛坯”判断有无再制造升级价值进行预判是进行后续升级的前提。

3）满足用户需求。根据用户需求的不同，再制造升级存在多个再制造升级方向，这对原“毛坯”的价值要求也是不一样的，需要进行专门研究。

1.3 判断产品可再制造升级的准则

对电控系统评价前，首先要做可再制造升级性预估，而预估是基于相关的准则。文献[14]中通过对75种不同类型的再制造产品进行研究总结出7条判定准则，但是这些准则主要是以“再制造恢复”技术为基础制定的，文献[15]针对零部件再制造判定提出了6条准则。本文根据1.2节提到的电控系统再制造升级的意义和相关技术调研，定义出可再制造升级的准则。

1）产品应有较高的再制造升级潜力。再制造升级强调的是先进技术的应用，不是原性能的恢复，因此对“毛坯”件关注的是是否具备相关技术应用的改造基础。以卡特彼勒的发电机组的ECM（电子控制模块）再制造升级为例，厂家关注的是模块外壳是否具备改造价值，对内部原始元器件的性能好坏不做考虑。

2）应有较为成熟可靠的再制造升级技术。石油电控系统要求能适应室外恶劣环境[16-19]，因此再制造升级技术必须要确保成熟可靠，这样才能满足后期的使用要求。

3）应有较高的性价比和较短的再制造升级时间[20]。企业选择再制造升级的前期是，其产品相对同类新品有较高的竞争力，具体如下：a.具备同样功能和质量的前提下，再制造升级费用远低于同类型新品售价；b.再制造升级时间少于同类型新品的制造时间。

4）原产品应是规模化批量生产的，且标准件的使用比例较高。再制造升级要求要有持续稳定的废旧产品供应，只有原产品的规模化和批量化生产，才能满足再制造升级的持续生产“毛坯”需求。同时原产品尽量采用标准件，这样方便后期的购买和更换，也方便其它行业对某“标准件”再制造升级技术的整体移植应用。

5）产品的物质指标、技术指标和经济指标中至少有一项不满足要求。再制造升级不是等产品完全退出服役期才进行相关生产活动，而是在使用期内就可以进行。因此产品进行再制造升级的前提是物质指标、技术指标和经济指标中至少有一项不满足现场使用要求即可，这里包括且不限于物质有形磨损（如腐蚀、老化等）、技术性能无法满足要求（如不满足安全要求、不满足使用地区标准或规范要求、不满足性能要求等）、经济指标变差（如维护成本过高、生产成本增大等）。

6）再制造升级产品有较高的认可度和较为稳定的市场需求。可再制造升级的一个前提是用户认可再制造升级后的产品，这样才能打开市场；同时市场存在稳定需求，这样才能确保企业持续盈利，再制造升级相关技术才能不断发展。

1.4 分析电控系统可再制造升级的方法和模型

经过1.3节提到的判断产品可再制造升级的准则后，将满足再制造升级准则要求的电控系统进行可再制造升级性的分析，分析电控系统可再制造升级性需要综合评定的相关因素，包括经济指标和技术指标。因此相关模型分为两大模块。

1.4.1 经济模型

对于再制造企业而言，进行再制造的目的是获取利润。为此其产品需要具备竞争力，这就需要降低再制造升级成本和缩短生产时间，本文主要从成本和时间角度构建经济模型，提供决策支持。为降低难度，这里仅考虑满足或不满足。

1）成本指标。

式中：CN为购买新型设备价格，CR为再制造价格，θ1为比例系数（根据项目不同调整）。

2）时间指标。

式中：TN为购买新型设备制造时间，TR为再制造时间，θ2为比例系数（根据项目不同调整）。

1.4.2 技术模型

经分析，电控系统再制造升级可行性关键技术指标主要包括可拆装性、可改造性、可升级性。

1）可拆装性。石油勘探行业的电控系统产品不同于纯机械产品，有其特殊性，对电气绝缘性能有明确要求。但是元器件长期使用会存在绝缘老化现象，这时设备的绝缘材料性能和结构发生变化，一旦拆装不当会使绝缘材料和金属材料结合面处产生很大应力，引起绝缘损坏，最终在拆解作业的机械力作用下造成绝缘材料裂纹，使电气的绝缘性能降低；导致拆解并重新安装后的电气设备存在绝缘值偏低、防护层破损造成无法使用的情形，因此可拆装性是一个关注重点。为了对拆装评估进行量化，本文以连接件的拆装时间作为评估标准。

式中：ti为第i个连接件的平均拆装时间，ei为第i类连接件的零件数量，N为连接件的种类数，Ts为拆装时间的计划值，y是一个中间变量，y的界限值根据具体项目内容设定，μd为拆装的可行性指数。

2）可改造性。电控系统的可改造性是评估其可再制造升级的关键环节之一，这里主要关注两个用途：a.改造后能恢复原设备的初始性能，b.改造后能满足后期再制造升级的要求。可改造性的可行性指数公式为

式中：Np为计划改造的零件数，Na为实际改造的零件数，μr为改造的可行性指数。

3）可升级性。随着科学技术的发展，用户对电控系统自动化、集成化和智能化水平的要求越来越高，仅仅恢复电控系统原出厂性能已经不能满足市场需求，而要引入先进技术实现电控系统整体效益提升。可升级性的指数公式为

式中：xi为第i项可选的再制造升级技术，ui为第i项可技术产生的效益，UO为原型新品电控系统能产生的效益，z是一个中间变量，z的界限值根据具体项目内容设定，μs为升级的可行性指数。

上述3个指数汇总就可以得到技术性指数μT：

式中：3个指数构成的指数向量为μ={μd，μr，μs}，3个指数对应的权重向量为B={b1，b2，b3}，bi为第i个指标对应的权重系数，且要求归一化：

权重向量[21]基于层次分析法求得。层次分析法是将与决策总是有关的元素分解成目标层、指标层、方案层，在专家打分法的基础之上进行定性和定量分析的系统分析方法。其主要流程是：a.构建指标体系；b.针对每个指标进行打分，这里引入1～9标度法，如表1所示；c.进行归一化处理，并计算主观权重向量；d.一致性检验；e.确认权重值Wi。

1.4.3 可再制造升级性的判定

可再制造升级性判定是成本指数、时间指数和技术指数的乘积：