電控系統可再制造升級性評價方法研究

董興華，李飛, 吉正金，趙五洲，孫娟, 曹童

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000；2.西安寶美電氣工業有限公司，西安 710000）

0 引言

隨著國務院印發《中國制造2025》，中國提出了“大力發展再制造產業，實施高端再制造、在役再制造”[1]，標志著中國對再制造產業的重視上升到戰略高度。石油鉆機是油氣勘探的高端戰略裝備，經過近10年的快速發展，國內已擁有總量超過1700套的鉆機[2]。電氣控制系統（以下簡稱電控系統）是鉆機的重要組成部分[3]，涵蓋了石油鉆機主要的動力和控制設備。電控系統自從20世紀末逐步在中國推廣[3]，現在臨近產品退役周期[4-5]，電控系統是石油鉆機控制和供能的主要部件，也是主要耗能設備。電控系統由于服役時間長、能耗大，迫切需要通過各種技術來提升其性能，延長電控系統的壽命，使其滿足不斷變化的使用需要和規范要求，因此引入再制造相關技術。有別于傳統的電控系統維修，電控系統再制造是一種基于電控系統設備的零部件為毛坯，經過再制造的產品性能，能夠達到甚至超過原型新品的技術，是實現電控系統循環利用的有效途徑。由于電控系統再制造的費用一般是百萬元以上，為預防風險，因此需要先進行電控系統的可再制造升級性評價，判定電控系統是否適合再制造。

可再制造性評價[6]是再制造升級活動的前期準備，同時正確而有效地對電控系統的可再制造升級性評價，不僅能評估電控系統是否存在再制造升級價值，而且還能為用戶降低潛在風險——如果把有可再制造升級價值的系統進行拆解，并作為零部件進行回收,其潛在的剩余價值就沒有發揮出來，造成資源浪費;而對含有缺陷或者再制造升級價值不高的系統進行再制造升級,則會存在質量問題，甚至在油田現場造成安全事故。此外,電控系統的技術指標、經濟指標等也對其可再制造性產生重要的影響。當前可再制造性評價針對再制造恢復和再制造升級兩種技術需求[7]。前者是采用恢復實施廢舊電氣產品原有性能為目的的再制造；后者是通過專業化升級改造的方法來使其性能超過原有新品的制造過程，是運用傳動技術、自動化技術、信息技術等高新技術，實現退役電控系統相關資源的循環利用和性能跨越式提升。以往的可再制造性研究主要以“再制造性恢復”為目的，以零部件或單個產品為主要對象進行的研究，比如美國學者對再制造相關工藝流程進行研究，并提出了對應的可再制造性評估方法[8]。Ghazalli等[9]從再制 造的相關影響因素考慮,運用各種算法,分析如何建立方案的可再制造性決策模型。國內科研機構的工作人員也進行了相關研究，構建了具有中國特色的理論體系。中國工程院徐濱士院士[10]總結并建立了再制造相關研究體系，并對再制造的未來發展展開預測。魏效玲等[11]對曲軸的可再制造性展開研究。馬碩等[12]對機床主軸的壽命評估展開研究并取得階段性成果。上述研究主要針對機械結構設備的有形磨損,展開評估并判斷有無再制造價值,但對機電產品的無形磨損：技術指標（技術性能無法滿足市場要求而功能性退役）和經濟指標（運行的經濟成本過高而退役）等，具備“再制造升級”特征的研究未引起足夠的重視。因此,電控系統可再制造升級性評價理論分析并建立相關方法體系就存在研究價值。

1 電控系統再制造升級性的評價方法和模型

1.1 可再制造升級性評價的對象

隨著再制造升級產業的發展，涉及的產品越來越多，因為其生產對象主要是功能或性能退役的老舊產品，因此以機電產品為主。以石油行業電控系統[3]為例，具備再制造升級的典型產品（部分）包括：動力及其控制系統中的發電機組，電氣傳動交/直流驅動及其控制系統中的電動機、交/直流控制裝置，配電控制系統中的變壓器、斷路器（如圖1）。

圖1 典型直流電控系統組成

1.2 可再制造升級性評價研究的意義

進行相關研究是基于以下幾點考慮：

1）滿足市場需求。由于我國廢舊機電產品進入退役的高峰期[13]，因此需要相關方法，解決由于功能或經濟原因廢棄產品的再制造升級前的評價，確認能否進行循環應用，填補“再制造恢復”評價的不足。

2）滿足產業結構升級的預判需要。再制造升級方法包括先進技術應用、產品結構改造等，因此能對整個機電產業結構的優化和新技術的引進起到推動作用。但是對原“毛坯”判斷有無再制造升級價值進行預判是進行后續升級的前提。

3）滿足用戶需求。根據用戶需求的不同，再制造升級存在多個再制造升級方向，這對原“毛坯”的價值要求也是不一樣的，需要進行專門研究。

1.3 判斷產品可再制造升級的準則

對電控系統評價前，首先要做可再制造升級性預估，而預估是基于相關的準則。文獻[14]中通過對75種不同類型的再制造產品進行研究總結出7條判定準則，但是這些準則主要是以“再制造恢復”技術為基礎制定的，文獻[15]針對零部件再制造判定提出了6條準則。本文根據1.2節提到的電控系統再制造升級的意義和相關技術調研，定義出可再制造升級的準則。

1）產品應有較高的再制造升級潛力。再制造升級強調的是先進技術的應用，不是原性能的恢復，因此對“毛坯”件關注的是是否具備相關技術應用的改造基礎。以卡特彼勒的發電機組的ECM（電子控制模塊）再制造升級為例，廠家關注的是模塊外殼是否具備改造價值，對內部原始元器件的性能好壞不做考慮。

2）應有較為成熟可靠的再制造升級技術。石油電控系統要求能適應室外惡劣環境[16-19]，因此再制造升級技術必須要確保成熟可靠，這樣才能滿足后期的使用要求。

3）應有較高的性價比和較短的再制造升級時間[20]。企業選擇再制造升級的前期是，其產品相對同類新品有較高的競爭力，具體如下：a.具備同樣功能和質量的前提下，再制造升級費用遠低于同類型新品售價；b.再制造升級時間少于同類型新品的制造時間。

4）原產品應是規?；可a的，且標準件的使用比例較高。再制造升級要求要有持續穩定的廢舊產品供應，只有原產品的規?；团炕a，才能滿足再制造升級的持續生產“毛坯”需求。同時原產品盡量采用標準件，這樣方便后期的購買和更換，也方便其它行業對某“標準件”再制造升級技術的整體移植應用。

5）產品的物質指標、技術指標和經濟指標中至少有一項不滿足要求。再制造升級不是等產品完全退出服役期才進行相關生產活動，而是在使用期內就可以進行。因此產品進行再制造升級的前提是物質指標、技術指標和經濟指標中至少有一項不滿足現場使用要求即可，這里包括且不限于物質有形磨損（如腐蝕、老化等）、技術性能無法滿足要求（如不滿足安全要求、不滿足使用地區標準或規范要求、不滿足性能要求等）、經濟指標變差（如維護成本過高、生產成本增大等）。

6）再制造升級產品有較高的認可度和較為穩定的市場需求?？稍僦圃焐壍囊粋€前提是用戶認可再制造升級后的產品，這樣才能打開市場；同時市場存在穩定需求，這樣才能確保企業持續盈利，再制造升級相關技術才能不斷發展。

1.4 分析電控系統可再制造升級的方法和模型

經過1.3節提到的判斷產品可再制造升級的準則后，將滿足再制造升級準則要求的電控系統進行可再制造升級性的分析，分析電控系統可再制造升級性需要綜合評定的相關因素，包括經濟指標和技術指標。因此相關模型分為兩大模塊。

1.4.1 經濟模型

對于再制造企業而言，進行再制造的目的是獲取利潤。為此其產品需要具備競爭力，這就需要降低再制造升級成本和縮短生產時間，本文主要從成本和時間角度構建經濟模型，提供決策支持。為降低難度，這里僅考慮滿足或不滿足。

1）成本指標。

式中：CN為購買新型設備價格，CR為再制造價格，θ1為比例系數（根據項目不同調整）。

2）時間指標。

式中：TN為購買新型設備制造時間，TR為再制造時間，θ2為比例系數（根據項目不同調整）。

1.4.2 技術模型

經分析，電控系統再制造升級可行性關鍵技術指標主要包括可拆裝性、可改造性、可升級性。

1）可拆裝性。石油勘探行業的電控系統產品不同于純機械產品，有其特殊性，對電氣絕緣性能有明確要求。但是元器件長期使用會存在絕緣老化現象，這時設備的絕緣材料性能和結構發生變化，一旦拆裝不當會使絕緣材料和金屬材料結合面處產生很大應力，引起絕緣損壞，最終在拆解作業的機械力作用下造成絕緣材料裂紋，使電氣的絕緣性能降低；導致拆解并重新安裝后的電氣設備存在絕緣值偏低、防護層破損造成無法使用的情形，因此可拆裝性是一個關注重點。為了對拆裝評估進行量化，本文以連接件的拆裝時間作為評估標準。

式中：ti為第i個連接件的平均拆裝時間，ei為第i類連接件的零件數量，N為連接件的種類數，Ts為拆裝時間的計劃值，y是一個中間變量，y的界限值根據具體項目內容設定，μd為拆裝的可行性指數。

2）可改造性。電控系統的可改造性是評估其可再制造升級的關鍵環節之一，這里主要關注兩個用途：a.改造后能恢復原設備的初始性能，b.改造后能滿足后期再制造升級的要求?？筛脑煨缘目尚行灾笖倒綖?/p>

式中：Np為計劃改造的零件數，Na為實際改造的零件數，μr為改造的可行性指數。

3）可升級性。隨著科學技術的發展，用戶對電控系統自動化、集成化和智能化水平的要求越來越高，僅僅恢復電控系統原出廠性能已經不能滿足市場需求，而要引入先進技術實現電控系統整體效益提升。可升級性的指數公式為

式中：xi為第i項可選的再制造升級技術，ui為第i項可技術產生的效益，UO為原型新品電控系統能產生的效益，z是一個中間變量，z的界限值根據具體項目內容設定，μs為升級的可行性指數。

上述3個指數匯總就可以得到技術性指數μT：

式中：3個指數構成的指數向量為μ={μd，μr，μs}，3個指數對應的權重向量為B={b1，b2，b3}，bi為第i個指標對應的權重系數，且要求歸一化：

權重向量[21]基于層次分析法求得。層次分析法是將與決策總是有關的元素分解成目標層、指標層、方案層，在專家打分法的基礎之上進行定性和定量分析的系統分析方法。其主要流程是：a.構建指標體系；b.針對每個指標進行打分，這里引入1～9標度法，如表1所示；c.進行歸一化處理，并計算主觀權重向量；d.一致性檢驗；e.確認權重值Wi。

1.4.3 可再制造升級性的判定

可再制造升級性判定是成本指數、時間指數和技術指數的乘積：

2 評價方法的應用

直流驅動及其控制系統（以下簡稱直流控制系統）是再制造升級的典型產品之一，本文以國內某型號直流控制系統為例，介紹其可再制造升級的評價過程。成本參數如表2所示，時間參數詳見表3，技術參數如表4所示（這里為了簡化過程，部分直接給出數據）。

表2 直流控制系統再制造升級成本統計表

表3 直流控制系統再制造升級時間統計表

表4 各種計算數值統計表

同類新型直流電控系統購買成本是410萬元，因此μc=1。

同類新型直流電控系統再制造是150 d，因此μH=1。

根據上式得到μd=0.75，μr=1.5，μs=0.6，μT=0.84，最后得到該直流控制系統的可再制造指數

這個結果表明該直流控制系統具有良好的可再制造升級性，這與市場的反饋一致。

3 結論

本文在再制造升級相關理論的基礎上，提出一種電控系統可再制造升級性模型和評價方法，并通過對某直流控制系統可再制造升級性的評價進行了驗證。雖然本文提出的方法具有一定的可行性，但是該方法還是存在很大的不確定性（該方案對舊設備固有性能給再制造升級造成設計的影響沒有做深入研究），未來這是一個研究方向。