廢舊產品綠色拆解特征建模技術與應用*

鄭加德，楊 勇，丁慶瑋

(青島理工大學機械工程學院，山東青島 266555)

0 引言

拆解是產品回收和再制造重用的前提，產品拆解的性能好壞直接關系到產品在后期重用過程中的維護以及廢棄淘汰后的有效回收和再制造。產品的拆解是產品綠色制造體系［1－2］中的重要組成部分，深入研究產品的拆解將對環境友好型產品的設計［3－5］開發、生產、使用和回收起到至關重要的作用。同時在生命周期［6－7］過程中，拆解作為一個重要環節將影響產品生命周期的評價發展。

綠色拆解是建立在傳統拆解基礎之上，不僅追求拆解零部件的完整性和無損性，還要進一步考慮對環境影響以及人體安全與健康，從而實現機械制造業的可持續發展模式。當前，隨著大量廢舊產品的產生，如果不采取綠色拆解回收方式，必然會導致資源大量浪費，生態環境影響惡劣。因此，針對機電廢舊產品回收和再制造，深入研究綠色拆解技術具有十分重要的意義。

國內外學者在綠色拆解方面進行了大量的研究。德國的Kahmeyer給出了產品設計的草圖階段。詳細設計階段的可拆卸性設計準則，并指出每項準則對于手工拆卸、自動化拆卸、維修、再制造和材料回收等階段的影響程度。美國的Mok等提出的設計準則根據打分的方法給予量化［8］。例如楊宏建立了拆解方向的數學模型，并利用該來解決關于綠色拆解方向的某些問題［9］。U．Buker等人研究了一種基于視覺控制和視覺導航的自動化拆卸系統，該系統用一個自動的立體攝像機系統作為視覺傳感器，通過對象輪廓識別和位置測量相結合的方法來進行工具的自動準確的定位，系統可對汽車輪轂螺母進行自動拆卸而且可以不依賴于車輪的類型、大小以及車輪上螺母的數量［10］。王偉琳針對選擇性拆卸序列規劃及評價問題進行研究，采用圖模型結合啟發式算法的方法對拆卸規劃關鍵問題進行求解，力圖探索提高拆卸效率的新方法［11］。

綜合以上對拆解技術的研究可看出，有關拆解技術的研究主要集中在拆解方向、拆解方法和拆解序列等方面，缺乏對拆解過程的整體性和系統性研究，而面向節能環保特性的綠色拆解技術更是少有報道。將應用綠色設計制造理論和技術，深入研究綠色拆解技術，構建綠色拆解特征，為進行綠色拆解奠定基礎，彌補傳統拆解工藝在節能環保方面的不足。

1 綠色拆解特征模型建立

1．1 綠色拆解特征的表達

傳統拆解往往建立在目標拆解基礎之上，而目標拆解只考慮拆解的經濟性，表現在材料的回收價值、拆解成本及達到快速拆解的技術要求。傳統拆解理論雖然可以快速實現拆解目標，但是拆解的零部件有的已經失去再使用或者再制造，因此存在嚴重的資源浪費，對環境和水體造成嚴重污染。綠色拆解是建立在傳統拆解理論基礎上，雖然傳統拆解理論信息表達上與綠色拆解信息存在一定的差異，但是兩者也存在一些相通的地方。綠色拆解把對環境的影響性、零部件再制造等特性作為重點考慮的準則，如拆解排放、噪聲、零部件精度和表面粗糙度等特性。如何從一般產品的拆解過程中提取綠色信息，提出了“綠色拆解特征”，該特征是對大量拆解信息的集成與表達。

根據集合理論［13］，綠色拆解特征是一組有關零部件在拆解過程中綠色信息量化的集合，可以用公式描述如式(1):

式中:FT=﹛Ti，i=1 to n|拆解預處理，拆解裝夾，拆解工序變化……﹜;FI=﹛Ij，j=1 tom|零部件1，零部件2，零部件3……﹜;FG=﹛Gk，k=1 to p|環境影響因子，資源量化因子，可再造因子……﹜;GF表示廢舊產品綠色拆解特征，如環境影響特征、資源特征、可再制造特征等。

綠色拆解特征的三元組合包含了產品拆解的所有過程，保證了綠色拆解信息的完整性。更重要的是綠色拆解特征的三元組合定義具有很高的柔性，適合在拆解方案中存在大量不確定信息的要求。

1．2 拆解信息的表達

面向再制造的綠色拆解特征建立包含三個層面的信息，首先是時間層面，綠色拆解特征涵蓋了產品在拆解工藝流程中的拆解預處理、拆解裝夾、拆解工序變化、拆解工位調整、零部件分類等信息。綠色拆解目的只有兩個，①在拆解過程中實現重要部件的無損傷或者適合再制造;②在拆解過程中對環境不造成危害，并且利于材料的回收，循環使用，形成一個閉環的過程。其次是結構深度層面，一個機械產品可以按照產品層、功能層、裝置層和零部件層;最后是影響約束層面，綠色拆解特征實現方案是通過產品拆解信息與綠色拆解特征之間的映射約束函數實現的。這三個層面的信息共同作用、集合構成了產品的綠色拆解特征。筆者提出以“矩陣”的形式表達各個層面上的信息，并通過“矩陣相乘”方式來實現綠色拆解特征的表達。

將時間層面上信息FT與結構深度信息FI進行集合后的結果定義為面向再制造拆解信息矩陣IT。IT矩陣是數學當中廣義拆解信息矩陣，它將涉及到綠色拆解的內容，包括材料信息、結構信息、配合信息、回收信息等按照時間層面上的各個階段依次排列構成拆解信息矩陣。如圖1所示為零部件層的拆解信息矩陣。

圖1 零部件層的拆解信息矩陣

建立的拆解信息矩陣中，列向量表示產品拆解過程中的各個階段，包括廢產品拆解預處理、拆解裝夾、拆解工序變化、工位調整、零部件回收分類。如圖1中I1T1表示在目標拆解零部件1的預處理相關信息，包括零部件材料信息、結構特征、聯接方式、拆解方向和拆解深度等信息。由于不同產品在信息統計的時候會有個別差異，這時要對應的增加或者減少列向量。根據產品在拆解過程中分為產品層、功能層、裝置層和零部件層，如圖2所示。

圖2 面向綠色拆解特征拆解方案信息表達

由于有些產品的拆解方案中只是針對某個特定層，例如有些傳動裝置拆解信息只是針對功能層。另外，結構深度層面上的四個層次存在包含關系，因此匯總信息的時候不能重復統計。同時如果過多的考慮綠色拆解信息，必然會導致計算繁雜，因此統計綠色拆解信息的時候要考慮主要影響因素，舍輕取重。

1．3 綠色拆解特征映射關系分析

一個產品的綠色拆解特征是該產品綠色性的重要體現。依據綠色拆解理念可以把綠色拆解特征分為生態影響特征、可再制造特征、能源特征和拆解性能特征三方面。

其中生態影響特征主要考慮大氣影響［13］、水體影響、致癌物質影響、固體廢棄物影響、噪音和粉塵;可再制造特征主要考慮零部件磨損、軸線變形和裂紋;能源特征主要考慮電能和化石能源;拆解性能特征主要考慮拆解工具、拆解力和可達性。由于針對某些特定廢舊產品的綠色拆解特征可以相應的減少或者增加必要的考慮因子，從這方面也體現了綠色拆解特征的柔性，為后期的綠色拆解特征提取簡化。

(1)生態影響特征量化分析 拆解過程中對生態的影響多種多樣，影響也是各不相同，如何將其量化是一個比較棘手的問題。筆者采用定性加定量的方法來量化各項指標。例如大氣影響中采用溫室氣體度量致使全球變暖能力的方法為GWP法，根據現在普遍認為CO2是造成溫室效應的主要原因，故拆解過程中產生的各種溫室氣體折算成二氧化碳，用g表示CO2的含量。

(2)可拆解性能特征量化分析 由于拆解過程中有些數據難以獲取，不適合后期快速評價，故主要采用定性量化模型。例如拆解工具量化，自動化程度高的就用數字9表示，人工拆解或使用普通簡單五金工具拆解用1表示，具體情況需要特別處理。

(3)能源特征量化分析 采用電能消耗來表示能源消耗，對于化石能源(煤、石油、天然氣)可根據相應的折算系數轉化為電能。

(4)可再制造特征量化分析

①零件的表面磨損是相對于軸類產品而言或者有相對滑動的零部件，可用磨損率表示，其中磨損率取值為磨損尺寸占原尺寸的比例，用公式表示為:

②軸線變形也是針對軸類零部件且具有塑性，這里選用最大變形偏差與軸的總長度比值來表示:

③裂紋深度是判斷可再制造的一個重要標志，根據零件拆解后是否存在裂紋，可通過目測、敲擊和磁粉探傷方法。筆者以裂紋深度與截面直徑比例g表示裂紋深度。

按照上述建立的綠色拆解特征量化因子，對于不同的產品需要相應的增加或者減少列。如式(5)所示建立的綠色拆解特征篩選矩陣。

1．4 綠色拆解特征模型建立

本文將綠色拆解特征定義中的三個層面上的信息以矩陣形式表示。這三個矩陣相乘篩選就得到綠色拆解特征。這里的矩陣相乘雖然并不是嚴格意義上的矩陣相乘，但也要滿足矩陣相乘時左邊矩陣的列等于右邊矩陣的行。如圖3所示。

圖3 綠色拆解特征模型

產品的綠色特征要經過最終的聚合，將同類綠色特征下的量化指標進行聚合，即矩陣中的每一列進行疊加就得到產品的綠色拆解量化特征數值。如式(5):

由式(5)得出各個特征因子下的數值，再根據層次分析法確定各個特征因子的權重，從而確定拆解方案的綠色性。如式(6):

式中:Wk為相關因子交互值的權重

該模型具有簡單、容易理解并且具有很高的柔性，但是對數據的采集是最困難的。根據現有的環境法規、技術標準，通過相應的函數求出對應的數值。筆者通過對不同的拆解方案的綠色信息進行提取，并相應地聚合為綠色拆解特征。基于該模型可為后期的拆解方案進行快速評價，并得出最優的拆解方案。因此該模型具有很高的實用性。

2 實例分析

汽車發電機是汽車中的一個重要零件。汽車報廢后，發電機它可以作為獨立的終端產品回收，回收再利用價值相對較高，因此綠色拆解至關重要。本文選用型號為JFZ1906廢舊汽車發電機進行綠色特征建模技術的應用研究。

2．1 目的和量化因子確定

將廢舊發電機綠色拆解信息的提取限定在發電機拆解過程中，包括能源資源消耗、噪聲、排放物、水耗等。

圖4 發電機拆解過程

本實例旨在通過這個模型把拆解信息按照一定的函數提取出來，并用數值表示綠色性，從而用于拆解方案的比較。

2．2 拆解信息表達

廢舊汽車發電機作為小型的通用設備，在具體的拆解過程中可以把發電機分為:緊固螺母、帶輪、前后端蓋、轉子、定子、整流板、電刷架和整流罩八個主要部分。其中拆解過程中每個階都包含著各類拆解信息，筆者把各類拆解信息按照集合的理論進行匯總，由于發電機簡單對大氣、水體等影響較小可以忽略，故主要考慮拆解能耗、淡水消耗、粉塵、噪音、磨損和裂紋。由于拆解信息有的難以收集，所以需要估計和參考有關文獻來收集信息［12］，所以建立相應的數據庫勢在必行。

按照上述所述的拆解信息表達模型進行匯總，可得1臺廢舊汽車發電機的拆解信息表達矩陣，如圖5所示:其中:化石資源消耗、水耗的單位為kg;能耗的單位為kWh;拆解粉塵的單位為mg·m－3;噪音的單位是dB;固體廢棄物單位為kg，空白的信息表示該位置無對應信息，或者對結果影響不大、可以忽略的信息;“總計”表示該列所有對應信息的集合。

圖5 發電機拆解信息

2．3 影響約束類型量化信息及綠色拆解特征的建立

由于不同的產品的約束影響信息不同，需要根據實際情況相應的增加或者減少，廢舊汽車發電機的影響約束量化因子分為七種，分別如上述表示，能源、水消耗、固體廢棄物、噪音、粉塵、磨損、裂紋深度。有些數據是實際測得，經過換算，然后按照綠色拆解特征表達模型可建立如圖6所示。

圖6 發電機影響約束類型

按照綠色拆解特征定義每一列相加表示在該拆解方案下對應的特征值，如表1所列。運用層次分析法可以得到各個量化因子的權重，如表2。

表1 發電機綠色拆解特征

表2 拆解特征因子權重

則該拆解方案下的綜合綠色性為:

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

綠色拆解特征主要適用于大規模拆解作業時，確定拆解方案的綜合綠色性，通過數值的比較可客觀的評價拆解方案的優劣，從而排除對環境影響比較大，且容易損壞零部件的拆解方案，具有重要的用途。

3 結論

(1)提出了“綠色拆解特征”的概念，建立了綠色拆解特征模型，將產品的信息按照時間層面和結構層面上以矩陣的形式表達。

(2)針對某一拆解方案將拆解信息進行約束篩選、提取和聚合，最終求出該拆解方案的綜合綠色性。通過比較各個方案的綜合綠色性可以快速得出拆解方案的優劣。

(3)以廢舊汽車發電機為實例進行應用，得出了該電機的綜合綠色性，驗證了模型的適用性。

［1］ 劉光復，劉志峰，李 鋼．綠色設計與綠色制造［M］．北京:機械工業出版社，1999．

［2］ 劉 飛，曹華軍，張 華，等．綠色制造的理論與技術［M］．北京:科學技術出版社，2005．

［3］ 黃海鴻，劉志峰，王淑旺，等．面向回收的產品模塊化設計方法［J］．農業機械學報，2006，37(12):144－149．

［4］ 李方義．機電產品綠色設計若干關鍵技術的研究［D］．北京:清華大學，2002．

［5］ 張 雷，劉光復，劉志峰．面向綠色設計的產品優化配置方法［J］．農業機械學報，2008，39(9):123－128．

［6］ 李方義．基于綠色特征的生命周期評價與回溯機制研究［J］．制造技術與機床，2012(12):30－34．

［7］ J．Duflou，W．newulf，P．Sas，p．Vanherck．Pro 一 aetiveLifeCyele Engineering SuPP0rt Tools．CIRPAnnals一 Manufaeturing Teehnology，2003，52(l):29 －35．

［8］ Mok HS，Kim HJ，Moon HS．Disassemblability ofMechanical Parts in Automobile for Eecycling．Computer Industry Engineering，1997(33):621－624．

［9］ 楊 宏．一則面向拆卸方向的綠色設計案例［J］．武漢工程職業技術學報，2007(4):8－9．

［10］ U．Buker，S．Drue，N．Gotze，G．Hartmann，B．Kalkreuter，R．Stemmer，R．Stemmer，R．tr app．Vision － based Control of an Autonomous Disassembly Station［J］．Robotics and Autonomous systems，2001(35):179－189．

［11］ 張 雷．基于解釋結構模型的產品零部件拆卸序列規劃［J］．計算機輔助設計與圖形學學報，2011，23(4):668－670．

［12］ 辛蘭蘭，賈秀杰，李方義．面向機電產品方案設計的綠色特征建模［J］．計算機集成制造系統，2012，18(4):714－718．

［13］ 許峻華．我國能源資源的現狀及面臨的問題［J］．中國電子商務，2010(8):187－187．