杜彥斌 李成成
(重慶工商大學(xué)制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400067)
重型機(jī)床是大型機(jī)械裝備的工作母機(jī),主要應(yīng)用于船舶、工程機(jī)械、軌道交通、能源裝備(風(fēng)電設(shè)備、水電設(shè)備、核電裝備等)、石油化工設(shè)備等機(jī)械裝備行業(yè),是國(guó)之重器[1]。我國(guó)重型機(jī)床裝備行業(yè)發(fā)展迅速,為國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了關(guān)鍵設(shè)備與制造能力,目前保有量預(yù)計(jì)40萬(wàn)臺(tái)以上,尤其是上世紀(jì)我國(guó)從國(guó)外進(jìn)口大量的重型機(jī)床裝備及生產(chǎn)線,這些重型機(jī)床裝備大多處于超期服役狀態(tài),性能退化嚴(yán)重,電氣控制及自動(dòng)化水平落后,數(shù)控化率低,已成為制約我國(guó)制造業(yè)智能制造、綠色制造轉(zhuǎn)型的瓶頸,迫切需要實(shí)施再制造與技術(shù)升級(jí)[2]。
目前,重型機(jī)床再制造已成為我國(guó)機(jī)床行業(yè)的重要組成部分,迄今已完成了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的老舊機(jī)床性能恢復(fù)與升級(jí),成為了重型機(jī)床制造的補(bǔ)充,解決了制造業(yè)裝備制造能力不足的問(wèn)題[3]。目前,《高端智能再制造行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020年)》中將重型機(jī)床再制造列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域。由于重型機(jī)床附加值高、再制造難度大,對(duì)再制造方案的可行性要求極高,否則再制造實(shí)施失敗將造成嚴(yán)重的損失[4]。目前,國(guó)內(nèi)外存在很多關(guān)于可再制造性及再制造方案可行性分析的研究[5],如:文獻(xiàn)[6]從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、資源性和環(huán)境性4個(gè)方面建立了可再制造性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并利用雙層模糊綜合評(píng)判方法建立了一種可再制造性多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法;文獻(xiàn)[7]基于產(chǎn)品CAD模型提取的設(shè)計(jì)特征與信息(如物料清單、配合特征、尺寸和公差特征、刀具與附件等信息),建立了涵蓋可拆解性、產(chǎn)品復(fù)雜性、可回收性等指標(biāo)的可再制造性評(píng)價(jià)模型,并開(kāi)發(fā)了支持軟件;文獻(xiàn)[8]建立了重型機(jī)床基礎(chǔ)件再制造評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并形成了指標(biāo)值求解方法,進(jìn)而提出了一種重型機(jī)床基礎(chǔ)件可再制造性評(píng)價(jià)方法;文獻(xiàn)[9]建立了包括經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、資源性、環(huán)境性的機(jī)床再制造方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,形成了一種基于熵權(quán)與層次分析法的機(jī)床再制造方案綜合評(píng)價(jià)方法。經(jīng)綜述分析,大多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)側(cè)重于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的可再制造性分析,而關(guān)于再制造方案評(píng)價(jià)的研究側(cè)重于中小型機(jī)床或零部件,而且主要從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、資源、環(huán)境的宏觀指標(biāo)角度出發(fā),對(duì)于部分指標(biāo)的量化還不夠科學(xué)合理。
針對(duì)重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)問(wèn)題,本文擬引入可拓理論,構(gòu)建重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,進(jìn)而形成一種基于可拓理論的重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)方法,可為重型機(jī)床再制造的方案決策提供指導(dǎo)與支持。
重型機(jī)床再制造方案的確定,對(duì)于再制造機(jī)床的功能、性能、質(zhì)量及可靠性等均具有重要影響。在滿足用戶要求的前提下,如何形成具有最高性價(jià)比的再制造重型機(jī)床,是再設(shè)計(jì)階段需要重點(diǎn)解決的決策問(wèn)題。由于重型機(jī)床結(jié)構(gòu)的特殊性,其主體機(jī)械結(jié)構(gòu)尤其是大件結(jié)構(gòu)(如床身、工作臺(tái)等)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)太大變化,而且這些鑄造結(jié)構(gòu)件經(jīng)歷長(zhǎng)期自然時(shí)效,殘余應(yīng)力已完全消除,精度穩(wěn)定性更高。這些因素,使得重型機(jī)床再制造價(jià)值巨大,資源循環(huán)利用率較高,技術(shù)可行性較高?;诖?,在重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)與決策過(guò)程中,主要側(cè)重于再制造機(jī)床的技術(shù)性能以及再制造成本,而忽略技術(shù)可行性、資源環(huán)境可行性(文獻(xiàn)[9]中將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)),所建立的重型機(jī)床再制造評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。
重型機(jī)床重量大,重達(dá)30 t以上,甚至上百噸,耗費(fèi)大量的鋼鐵資源;價(jià)值很高,單臺(tái)價(jià)值數(shù)百萬(wàn)元,甚至幾千萬(wàn)元;交貨期長(zhǎng),一般要半年,甚至一年以上。重型機(jī)床再制造可恢復(fù)老舊機(jī)床的功能并實(shí)現(xiàn)性能升級(jí),資源循環(huán)利用率達(dá)80%以上(按重量計(jì)),再制造周期一般為3~6個(gè)月,再制造成本一般為新機(jī)床成本的1/3~2/3。由于重型機(jī)床的價(jià)值巨大,再制造方案設(shè)計(jì)過(guò)程中需要從再制造成本、再制造時(shí)間等角度對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(1)再制造成本指標(biāo)c1
重型機(jī)床再制造成本Cr包括再制造過(guò)程的工時(shí)費(fèi)用、外購(gòu)件成本以及材料消耗費(fèi)用等。重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)需要考慮再制造成本與新機(jī)床價(jià)格之間的關(guān)系,再制造成本指標(biāo)c1的評(píng)價(jià)值可采用公式(1)進(jìn)行量化計(jì)算。
(1)
其中:Cn表示同種性能的重型機(jī)床新品的價(jià)格。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),當(dāng)c1小于40%時(shí),用戶對(duì)于實(shí)施再制造具有較高的傾向性;而當(dāng)c1大于60%時(shí),用戶對(duì)于實(shí)施再制造的傾向性逐漸降低。
(2)再制造時(shí)間c2
由于重型機(jī)床損傷程度的不確定性,導(dǎo)致再制造工藝過(guò)程及交貨期存在不確定性。而重型機(jī)床一般是用戶企業(yè)的關(guān)主設(shè)備,交貨期的延遲將造成重大損失。因此,再制造方案設(shè)計(jì)決策中需要考慮再制造過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間,應(yīng)該在用戶可承受范圍內(nèi)。再制造時(shí)間指標(biāo)c2的評(píng)價(jià)值可采用公式(2)進(jìn)行量化計(jì)算。
(2)
其中:TE表示用戶期望交貨期(由于重型機(jī)床大多屬于用戶的瓶頸裝備,為避免停工損失,用戶一般期望交貨期越短越好),Tr表示重型機(jī)床再制造需要花費(fèi)的時(shí)間。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),當(dāng)再制造時(shí)間小于用戶期望交貨期時(shí),用戶對(duì)于實(shí)施再制造的期望性較大;而當(dāng)再制造時(shí)間滿足不了用戶期望交貨期時(shí),用戶對(duì)于實(shí)施再制造的期望性逐漸減低。
(1)精度c3
重型機(jī)床再制造驗(yàn)收一般按照新機(jī)床出廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收,并主要從幾何精度、工作精度、定位精度和重復(fù)定位精度等方面進(jìn)行精度驗(yàn)收。再制造方案設(shè)計(jì)階段,所確定的該類別機(jī)床的出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的精度指標(biāo)值為O={o1,o2,…,oG},其中g(shù)=1,2,…,G;G為精度檢驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)。依據(jù)參考文獻(xiàn)[9],將各項(xiàng)指標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析,并將精度等級(jí)評(píng)語(yǔ)集設(shè)定為{很好,好,一般,差,很差},對(duì)應(yīng)數(shù)值為{1,0.8,0.6,0.4,0.2};經(jīng)綜合評(píng)價(jià),各項(xiàng)評(píng)價(jià)值為L(zhǎng)={l1,l2,…,lG};重型機(jī)床精度指標(biāo)的評(píng)價(jià)值c3可采用公式(3)進(jìn)行量化計(jì)算。
(3)
其中:ωg表示各項(xiàng)評(píng)價(jià)精度項(xiàng)目的權(quán)重。
(2)可靠性c4
可靠性是重型機(jī)床獲取用戶認(rèn)可的關(guān)鍵因素,而其中最重要的參數(shù)是MTBF(即平均故障間隔時(shí)間)。重型機(jī)床的停機(jī)及故障,會(huì)給用戶企業(yè)帶來(lái)極大損失,這就要求再制造重型機(jī)床的MTBF要盡可能地達(dá)到新機(jī)床水平??煽啃灾笜?biāo)的評(píng)價(jià)值c4可采用公式(4)進(jìn)行量化計(jì)算。
(4)
其中:MTBFr表示再制造重型機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程確定的MTBF值,MTBFN表示同種性能新機(jī)床的MTBF值。
(3)加工效率c5
重型機(jī)床主要針對(duì)大型工件的加工,加工周期長(zhǎng);重型機(jī)床再制造可實(shí)現(xiàn)原有老舊機(jī)床裝備的性能提升,提高加工效率。加工效率的評(píng)價(jià)值c5可通過(guò)公式(5)來(lái)量化計(jì)算。
(5)
其中:tr、tf分別表示再制造重型機(jī)床、原機(jī)床加工同一工件,分別需要花費(fèi)的時(shí)間。經(jīng)過(guò)再制造后,相比于原機(jī)床,加工效率可提高,加工時(shí)間可縮短。
(4)工藝適應(yīng)性(工藝范圍)c6
通過(guò)安裝專用工裝夾具,可擴(kuò)大再制造重型機(jī)床的工藝范圍,但帶來(lái)了成本的增加。工藝適應(yīng)性c6可通過(guò)專家評(píng)判法來(lái)量化計(jì)算:當(dāng)再制造重型機(jī)床工藝范圍擴(kuò)大,可完成的工序及工件種類顯著增加,則c6可設(shè)定為“優(yōu)”,評(píng)價(jià)值為(0.90,1.00];當(dāng)再制造重型機(jī)床工藝范圍適當(dāng)擴(kuò)大,可完成的工序及工件種類有所增加,則c6可設(shè)定為“良”,評(píng)價(jià)值為(0.80,0.90];當(dāng)再制造重型機(jī)床工藝范圍有所擴(kuò)大,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜性提高,則c6設(shè)定為“中”,評(píng)價(jià)值為(0.70,0.80];當(dāng)再制造重型機(jī)床工藝范圍未擴(kuò)大,則c6設(shè)定為“及格”,評(píng)價(jià)值為(0.60,0.70];當(dāng)再制造重型機(jī)床工藝范圍變窄,即降級(jí)使用,則c6設(shè)定為“不及格”,評(píng)價(jià)值為(0,0.60]。
(5)宜人性c7
重型機(jī)床的宜人性主要考慮其安全性、可維護(hù)性、操作舒適性、顯示/控制設(shè)備合理性等指標(biāo)。宜人性c7主要通過(guò)專家模糊評(píng)判法的方式進(jìn)行評(píng)定,并將評(píng)語(yǔ)設(shè)定為[宜人性非常好;宜人性較好;宜人性一般;宜人性尚可;宜人性差]五個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)值[0.9-1;0.8-0.9;0.7-0.8;0.6-0.7;0-0.6]。
(1)經(jīng)典域的確定[10]
假設(shè)重型機(jī)床再制造方案優(yōu)化決策具有n個(gè)(n=7)評(píng)價(jià)指標(biāo),即c1,c2,c3,…,cn,將機(jī)床再制造方案優(yōu)化決策分為m個(gè)水平等級(jí),則可得經(jīng)典物元模型為:
開(kāi)展此項(xiàng)工作前要讓人們深入了解此類疾病的傳播途徑,最大限度地提升人們的思想意識(shí),進(jìn)而提升預(yù)防的力度。結(jié)合牲畜飼養(yǎng)狀況對(duì)完善的消毒工作制度進(jìn)行構(gòu)建,牛場(chǎng)的設(shè)計(jì)要將國(guó)家動(dòng)物衛(wèi)生防疫方面的要求作為根本依據(jù),將消毒池和消毒間設(shè)置在門口;推行封閉式的飼養(yǎng)管理模式,確保飼養(yǎng)人員工作服的清潔,車輛以及行人等不可隨意進(jìn)出飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部;牲畜飼養(yǎng)間保證每周最少?gòu)氐紫?次,可采用2%福爾馬林溶液、20%的石灰乳、1%或3%的石炭酸溶液、3%的漂白粉溶液或苛性鈉溶液進(jìn)行消毒,消毒效果比較理想。
(6)
其中:Rj為重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)第j等級(jí)的物元模型,j=1,2,…,m;Nj為機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí);C是重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;Vj為評(píng)價(jià)指標(biāo)C的取值范圍,其中j等級(jí)下指標(biāo)ci對(duì)應(yīng)的取值范圍為vji,即
設(shè)定重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)共有5個(gè)(m=5)等級(jí),即N1=Ⅰ級(jí)(優(yōu)),N2=Ⅱ級(jí)(良好),N3=Ⅲ級(jí)(中),N4=Ⅳ級(jí)(合格),N5=V級(jí)(不合格)。各個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)界限值如表1所示(閾值的確定隨著技術(shù)發(fā)展可動(dòng)態(tài)變化,表1僅為參考值)。
表1 重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)各等級(jí)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)界限值
等級(jí)分類再制造成本c1再制造時(shí)間c2精度c3可靠性c4加工效率c5工藝適應(yīng)性c6宜人性c7Ⅰ級(jí)(0,0.40](0.95,1.00](0.90,1.00](0.90,1.00](0,0.60](0.90,1.00](0.90,1.00]Ⅱ級(jí)(0.40,0.50](0.90,0.95](0.80,0.90](0.80,0.90](0.60,0.70](0.80,0.90](0.80,0.90]Ⅲ級(jí)(0.50,0.60][0.85,0.90)(0.70,0.80](0.70,0.80](0.70,0.80](0.70,0.80](0.70,0.80]Ⅳ級(jí)(0.60,0.70][0.80,0.85)(0.60,0.70](0.60,0.70](0.80,0.90](0.60,0.70](0.60,0.70]Ⅴ級(jí)(0.70,1.00][0,0.80)(0,0.60](0,0.60](0.90,1.00](0,0.60](0,0.60]
(2)節(jié)域(Rp)的確定
重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)的各個(gè)指標(biāo)的值域稱為節(jié)域(Rp),如式(7)所示。
(7)
其中:P是指全部評(píng)價(jià)等級(jí);vpi是指P在評(píng)價(jià)指標(biāo)ci中的取值范圍,也就是
(3)待評(píng)物元的確定
對(duì)于待評(píng)價(jià)的重型機(jī)床再制造方案,所形成的指標(biāo)評(píng)價(jià)信息可用物元模型(8)來(lái)表示。
(8)
其中:vi是重型機(jī)床再制造方案k關(guān)于ci的量值,也就是k方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。
設(shè)k方案和各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Nj(j=1,2,…,m)關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的距是ρ(vki,vji),k方案和節(jié)域P關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的距是ρ(vki,vpi),可得重型機(jī)床再制造方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)ci關(guān)于第j個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)為[10]:
(9)
進(jìn)一步計(jì)算,可得到k方案關(guān)于各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Nj的綜合關(guān)聯(lián)度為:
(10)
其中:ωi為重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的權(quán)重系數(shù),可通過(guò)層次分析法等方法確定[11]。
某水電設(shè)備制造企業(yè)在役的SKODA普通重型臥式車床,主要用于水電設(shè)備大型構(gòu)件的加工。該重型臥車經(jīng)歷數(shù)十年的服役,其機(jī)械部分磨損嚴(yán)重,幾何精度超差嚴(yán)重(床身導(dǎo)軌和大、小拖板磨損嚴(yán)重,車頭主軸軸向竄動(dòng)過(guò)大,大、小中心架精度差),電氣控制系統(tǒng)技術(shù)落后,目前已不能滿足企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求,加工精度不滿足企業(yè)新產(chǎn)品的加工要求(車削內(nèi)外圓表面粗糙度只能達(dá)到Ra6.3 μm),迫切需要實(shí)施再制造。
對(duì)該重型臥車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析:該重型臥車主軸為滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu),直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng);床身有4條導(dǎo)軌,床身寬3 150 mm;機(jī)床有一個(gè)刀架,包括:大拖板,中拖板,小拖板回轉(zhuǎn)座,小拖板,刀臺(tái)拖板;刀架大拖板縱向移動(dòng)進(jìn)給為電動(dòng)機(jī)→拖板箱→齒輪/齒條驅(qū)動(dòng),中拖板橫向移動(dòng)進(jìn)給為電動(dòng)機(jī)→拖板箱→梯形絲杠/螺母副驅(qū)動(dòng);尾座由上下體組成。
針對(duì)該機(jī)床目前存在的問(wèn)題,需要對(duì)該重型臥車實(shí)施再制造,并形成再制造方案:恢復(fù)該重型臥車的出廠精度;修復(fù)該重型臥車的床身、刀架大拖板/中拖板、小拖板及刀臺(tái)拖板、尾座以及大(小)中心架,恢復(fù)其幾何精度及配合精度;更換主軸軸承、頂尖主軸軸承、中心架滾輪軸承;保留主軸驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)及調(diào)速器;采用西門子SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀架進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造(半閉環(huán));更新主軸箱液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、溜板箱進(jìn)給潤(rùn)滑系統(tǒng)、尾座液壓潤(rùn)滑系統(tǒng),改善機(jī)床冷卻潤(rùn)滑條件;再設(shè)計(jì)機(jī)床的電氣原理圖;重新制造電器柜,并按要求配置電氣元器件;更換機(jī)床的操作面板,便于工人操作;更換線纜及電氣走線形式。
對(duì)該重型臥車的再制造方案進(jìn)行分析,并依據(jù)本文所確定的指標(biāo)量化方法,可得到表2所示結(jié)果。
表2 重型臥車再制造方案評(píng)價(jià)指標(biāo)值確定
序號(hào)指標(biāo)指標(biāo)值計(jì)算過(guò)程1再制造成本c10.37Cr預(yù)估168萬(wàn)元;Cn預(yù)估450萬(wàn)元;c1=0.372再制造時(shí)間c20.80TE預(yù)估120天;Tr預(yù)估150天;c2=0.803精度c31按照GB/T 23569—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn),可達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn),c3=14可靠性c40.90MTBFr預(yù)估450 h;MTBFN預(yù)估500 h;c4=0.905加工效率c50.67經(jīng)估算,c5=tr/tf=0.676工藝適應(yīng)性c60.86再制造重型臥車工藝范圍適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大,評(píng)定c6=0.867宜人性c70.93增加了安全防護(hù)措施,操作更加人性化,c7=0.93
由評(píng)價(jià)結(jié)果,可得到重型臥車再制造方案的物元模型為:
(11)
利用層次分析法可得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為(0.263,0.141,0.167,0.177,0.106,0.087,0.060),進(jìn)一步利用公式(9)和(10),可得到該重型臥車再制造方案關(guān)于各個(gè)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度如表3所示。
表3 綜合關(guān)聯(lián)度
序號(hào)等級(jí)分類綜合關(guān)聯(lián)度1Ⅰ級(jí)-0.0322Ⅱ級(jí)-0.2063Ⅲ級(jí)-0.4264Ⅳ級(jí)-0.5085Ⅴ級(jí)-0.574
由分析結(jié)果可得,根據(jù)最大隸屬度原則,該重型臥車再制造方案評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ級(jí)(優(yōu)),具有較高的性價(jià)比,可獲取較高的收益。
再制造可實(shí)現(xiàn)老舊重型機(jī)床殘留價(jià)值的高附加值重用,成本低,周期短,經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。針對(duì)直接影響再制造成本、再制造效率以及再制造機(jī)床性能的再制造方案決策問(wèn)題,引入可拓理論,形成了一種基于可拓理論的重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)方法。
(1)從重型機(jī)床再制造的性價(jià)比出發(fā),建立了包含經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性能兩方面的重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)方法,可為方案評(píng)價(jià)與決策提供方法與工具支持,有助于重型機(jī)床再制造行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。
(2)所形成的重型機(jī)床再制造方案評(píng)價(jià)方法在某重型臥式車床再制造方案決策過(guò)程中,所制定的再制造方案具有可行性,而經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證,證明評(píng)價(jià)方法具有可行性,并與實(shí)際情況相符。
(3)所建立的指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法,在評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定與量化方法方面還存在不合理、數(shù)據(jù)難以獲取等問(wèn)題,在下一步的研究中,將結(jié)合更多的重型機(jī)床再制造工程案例,對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)量化方法進(jìn)行修訂完善。