绿色再制造拆解技术及其在混凝土泵车中的应用.pdf

专题综述 Sp e c i a l T o p i c s 绿色再制造拆解技术 及其在混凝土泵车中的应用冰 朱永星 ， 岳文辉， 翁建鑫 ， 段鹏辉 湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室 摘要 l 拆解是绿色再制造工程的重要组成部分， 直接关系到产品再制造的质量和成本。如何获得高效率和低成本的拆卸方 法是废旧产品再制造需解决的关键问题之一。 介绍拆解的内涵、 意义和拆卸的分类； 归纳总结目前常用的拆卸方法并比较分析 各自优缺点， 对各种拆卸方法的资源环境属性进行初步的分析 ； 结合某型号混凝土泵车臂架系统的再制造拆解过程， 介绍臂架 系统拆解的内涵， 部分连接件的拆卸方法和目前工程应用中臂架的拆卸序列 ， 并针对拆卸方法和拆卸序列提出改进建议 ； 最后 指出泵车现有拆卸方法的不足， 提出较为先进的绿色再制造拆解技术。 关键词： 拆解； 再制造工程 ； 拆卸方法； 拆卸序列； 混凝土泵车 目前，我国在工程机械领域的再制造研究相对较少， 尚未形成再制造的生产规模【1 】 ， 所以， 对工程机械进行再制 造研究具有广阔的前景。 混凝土泵车是现代工程施工不可 或缺的工具 ， 由于其数量庞大， 再制造前景广阔。 国内对混 凝土泵车的再制造研究刚刚起步。 本文结合混凝土泵车臂 架系统的拆解过程介绍了拆解的相关 内涵 、 意义和常见的 各种拆卸方法， 并提出了较为先进的拆解技术。 1 拆解的内涵及意义 拆解是采取一定的工具和方法，解除各零部件之间 的约束 ， 将 目标零部件与产品相分离的整个过程 回 。拆解 后的零部件按可再制造性可以分为 3 类： 可再制造件、 可 直接使用件和不可再制造件即报废件。可再制造件是指 经修复和检验合格后就可以投入使用的产品；可直接使 用件是指经过清洗和检测后其质量和性能能够满足再次 使用要求的零部件 ；不可再制造件是指不可修复或修复 成本太高而选择报废的零部件。 拆解是通过拆卸操作来完成的，拆卸操作是拆卸过 程的基本动作。 拆卸是对将零部件从部件 、 总成或产品等 装配体上分离出来的操作的描述， 而拆解是对将部件、 总 成或产品等装配体进行分离解体的整个过程的描述。拆 解是经多次拆卸操作后所表现出来的现象，是对最终结 果的描述。 拆卸描述的对象是零部件， 而拆解描述的对象 是部件、 总成或产品。 一 般来说 ， 拆 卸操作分为两部分 ： 拆卸前的准备工作 和拆卸工作 。拆卸前的准备工作包括在拆卸前要明白拆 卸件与被拆卸件之间的配合性质 ，准备拆卸过程 中要用 到的工具，对于复杂的零部件必要时要安装好夹具以方 便拆卸。 拆卸工作包括使拆卸工具靠近拆卸部位， 拆卸目 标零部件， 移走拆卸下来的目标零部件。在拆解过程中， 拆解下来的零部件所经过的空间路线称为拆卸路径嗍 。 在许多实际情况中， 拆卸路径是很复杂的 ， 不同的拆卸方 基金项 目： 国家科技支撑计划资助项 目( 2 0 1 2 B A F 0 2 B 0 0 ) ； 国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 5 1 4 2 ) ； 湖南省高校科技创新团队 支持计划资助 作者简介： 朱永星( 1 9 8 6 一) ， 男， 湖南娄底人， 在读硕士， 研究方向： 先进制造技术。 5 6 I I 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第 4 5 卷 I 第1 期 总第 4 8 3期 法会有不同的拆卸路径。拆卸深度是指拆卸 目标件在拆 解过程 中所处位置的深度 。拆卸深度在很大程度上 与产 品的复杂程度有直接的关联， 通常， 拆卸目标件所处的位 置越深，需拆卸的零部件数目就越多，拆卸所需时间越 长， 拆卸产生的费用也就越高， 拆卸越复杂。 拆解属于再制造工程的一道基本工序，也是很重要 的一环，拆解过程进行的好坏直接影响到后续的工艺进 展和再制造产品的质量。 拆解的意义唧 体现在 ： ( 1 ) 拆解后 零部件的重用。包括拆解后可以直接使用和经再制造后 可使用的零部件 。 ( 2 ) 材料的回收。 对拆解后的部分不可 再制造件经熔炉处理后可以作为制造其他新零件的材料 来源。 ( 3 ) 对拆解后产生环境污染的报废件进行集中有效 处理， 可以降低对环境的污染程度。 拆解最直接的目的就 是获取目标零部件或目标装配体，提取拆卸产品中所蕴 藏的附加值 4 1 。 2 拆卸与拆卸方法的分类 2 1 拆卸的分类 拆卸的类型有很多种，可以从不同的角度来对拆卸 进行分类 ， 大致可以分为以下几种p ， ： ( 1 ) 按对零部件 的损伤程度 ， 可以分为 ： 非破坏性拆 卸( 不破坏任何零部件 ， 如螺钉 、 螺栓的拆卸 ) 、 部分破坏 性拆卸( 部分零部件有损伤， 如火焰分割、 激光分割) 和完 全破坏性拆卸( 拆卸过程中零部件完全损毁， 如粉碎) 。 在 拆卸过程中，要根据被拆卸件的具体约束情况选择合适 的拆卸方法 ， 尽量做到非破坏性拆卸。 ( 2 ) 按拆卸深度， 可以分为： 完全拆卸( 所有的零部件 全部拆除) 、 部分拆卸( 拆卸目标零部件， 也称之为选择性 拆卸 ) 。 在拆卸过程中应以获取最大拆卸利润为原则， 确认 合适的拆卸深度进行拆卸。一般来说 ， 完全拆卸的成本比 较大 ， 在实际中很少应用， 仅适用于理论研究 ， 而部分拆卸 的应用则较为广泛。 ( 3 ) 按拆卸工艺， 可以分为： 顺序拆卸( 按零部件连接 顺序依次拆 卸) 、并行拆 卸 ( 同时拆除 某些特定的零部 件) 。 一般来说， 并行拆卸为多个子序列同时拆卸， 可以大 大减少拆卸时间， 降低拆卸成本。 ( 4 ) 按拆卸的自动化程度， 可以分为： 自动化拆卸( 拆 卸整个过程由自动拆卸设备自行完成) 、半 自动化拆卸 ( 产品由自动拆解设备和人工拆卸共同组成) 及手工拆卸 ( 利用锤子 、 扳手等工具手动拆卸 ， 是最原始的一种拆卸 方式) 。目前的拆卸主要还停留在手工拆卸和半 自 动化拆 卸阶段。 ( 5 ) 按拆卸目的， 可以分为： 回收性拆卸( 以回收产品 零部件为主 ， 考虑拆卸过程中的资源环境属性) 、 维修性 拆卸( 拆卸需要修理或更换的零部件 ， 缩短机器的调试和 维修时间) 及研究性拆卸( 为研究产品的组成或特定零部 件的结构功能进行的非破坏性拆卸) 。 2 2 拆卸方法的分类 2 2 1 击卸法 击卸法是指利用锤子或其他重物敲击指定零件上的 某一部位，利用所产生的冲击能量将拆卸件与被拆卸件分 离的一种方法。这也是最常用的一种方法。 根据使用工具的不同，击卸法又大致可以分为 3 种 情况： 用锤子冲击拆卸， 利用零件的自重冲击拆卸( 如锻 压设备锤头与锤杆的拆卸 )和利用其他重物 ( 如重型撞 锤 ) 冲击拆卸。 2 2 2 拉卸法 拉卸法是采用专业顶拔器把零件拆卸下来的一种静 力拆卸方法2 1 。适用于拆卸精度要求较高， 不能敲击或无 法敲击的零件 ， 常用于轴端零件 、 轴 、 套及钩头键等零件 的拆卸。 2 2 3 压卸法 压卸法是利用手压机、油压机等工具进行的一种静 力拆卸方法 。 2 2 4 温差法 温差法是指利用材料的热胀冷缩性能， 加热包容件， 使其在温差条件下失去配合件之间的过盈量，从而实现 目标零部件的拆卸。 2 2 5 破坏法 在拆卸固定连接件 ( 如焊接 、 铆接 ) ， 或轴与套相互咬 死 ， 或 为保存核 心组件而破坏次要 零件 时 ， 采用车 、 锯 、 錾、 钻、 割等方法进行破坏性拆卸嘲 。 此时要避免核心组件 受到损坏 ，而次要零部件可以根据需要进行任意破坏性 的拆除。 各拆卸方法的优缺点比较如表 1 所示。 这 5 种常用的拆卸方法在实施过程中会对资源和环 境产生一定的影响。击卸法是利用重物的冲击作用实现 拆卸 ， 故会产生很大的噪声污染； 温差法需要加热某一零 部件或是零部件的某一部位，根据要求有时候会达到比 较高的温度，由于工作环境的恶化可能会对人体产生一 一 I I 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 专题综述 S p e c i a l T o p i c s 表 1 拆卸方法的优缺点比较 拆卸方法 优点 缺点 使用工具简单 ， 操作灵活多变 ， 不需要特殊工 击卸法 容易造成零件的损伤或破坏 具与设备， 适用范围广 不受冲击力， 拆卸较为安全 ， 零件不易损坏， 拆 拉卸法 需要制作专用拉具 卸精度较高 压卸法 不受冲击力 ， 拆卸较为安全， 零件不易损坏 不适用于复杂结构的零部件拆卸 温差法 对有过盈配合的零部件能做到非破坏性拆卸 消耗能源较多， 拆卸环境恶劣 破坏法 核心组件能得到完好保留 拆卸过程中部分零件遭到破坏 定程度的热辐射影响；破坏法是通过机加工破坏零部件 的外形， 会产生一定量的废铁屑， 甚至可能因操作者的操 作不当引发安全事故。此外， 与手工拆卸方法相比， 半自 动化拆卸方法由于采用了电气化设备，还需消耗一定的 电能。5 种拆卸方法的资源环境属性同 分析见表 2 。 表2 各种拆卸方法的资源环境属性分析 资源消耗 环境影响 拆卸 原材料 操作 方法 辅助材料消耗 电能消耗 空气污染 水污染 废铁屑 其他污染 消耗 安全性 击卸法 无 拆卸工具有耗损 无 有少量粉尘 无 无 噪声较大 注意砸手 有微弱 拉卸法 无 拉具有耗损 无 少量油雾 无 无 较安全 刺激性气味 用手压机无 压卸法 无 压力机有耗损 能耗 ， 用油压 无 少量油雾 无 无 较安全 机有能耗 热辐射 避免加热部位 温差法 无 无 消耗较大 无 无 无 较大 对人体的损伤 有一定 有少量粉尘 有一定 破坏法 无 工具有耗损 和微弱的刺 无 量的废 有一定程 注意操作的 的消耗 度的噪声 正确性 激性气味 铁屑 3 拆解技术在混凝土泵车臂架系统再制造过程 中的应用 混凝土泵车是将泵送机构和用于布料的臂架系统集 成在汽车底盘上的一种专用车辆阁 。 图 1 所示为某型号混 凝土泵车的臂架系统结构简图。 3 1 泵车臂架拆解的内容 混凝土泵车的整个臂架系统拆离泵车底盘实际上就 是解除臂架系统的 1 号臂架及其附件与转台的约束。这 5 8 I 工 稚 械 l 2 l0 f4 1 些约束的连接方式大多为螺纹连接和销连接。拆卸前的 准备工作包括准备拆卸工程中用到的工具， 有行车、 开口 扳手、 梅花扳手、 套筒、 气动枪、 抹布及铜棒等。拆卸工作 包括用扳手和气动枪等拆卸转台螺栓 、 1 号臂架与转台连 接处的销轴、输送管及胶管，并用行车吊走整个臂架系 统。拆卸后的可再制造件( 如臂架等) 经过修复和检验合 格后可 以再次使用， 而对于那些不可再制造件 ， 金属类的 可 以通过回收进入熔炉处理 ，橡胶类的可以进行集中处 理 ， 降低对环境的污染。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第 4 5 卷 I 第1 期 总第 4 8 3期 6 连杆 2 7 2 号臂架8 3 号臂架液压缸9 连杆 3 1 0 连杆 4 1 1 3 号 臂架1 2 4号臂架液压缸1 3 连杆 5 1 4 连杆 6 1 5 4号臂架 图 1 混凝土泵车臂架系统结构简图 3 2 泵车臂架拆卸方法的选择 混凝土泵车臂架系统零部件之间的连接形式主要为 螺栓连接和销连接。 拆卸的目的是回收有用零部件， 延长 其使用寿命。 大部分零部件都可以顺利拆卸， 实现非破坏 性拆卸。螺纹连接部分一般用扳手或套筒等工具即可实 现拆除， 属于手工拆卸。 考虑到手工拆卸的效率比较低并 要耗费大量的劳动力，可以采用气动枪等工具实现半自 动化拆卸， 提高拆卸效率。 对于销连接， 目前通常用击卸法 即可实现拆除 ， 即用锤子等工具敲打销轴 ， 利用冲击能量 将销轴打出， 实现拆卸。而对少量的受集中应力影响的销 连接， 容易产生较大的变形， 使得原先的配合间隙发生变 化， 给拆卸带来很大的困难。 此时常规拆卸方法不再适用， 不得不采用破坏性拆卸， 通过破坏销轴或与销轴配合的连 接件实现拆卸。鉴于破坏法会导致结构破坏 ， 可以研究选 用其他的拆卸方法( 如拉卸法和温差法相配合) 实现非破 坏性拆卸。 在拆解过程中， 对于同样的连接， 可以有不同的拆 卸方法。如对泵车上的锈蚀螺纹 有如下拆卸方法9 1 ： 1 ) 在拆卸前可先用煤油浸泡 3 0 6 0 mi n ，再用锤子敲击螺栓头 或螺母四周，待锈层振碎后即可 拆除 ； 2 ) 在用扳手拧动时 ，可采用 先紧后松的原则，即先向拧紧方 向施力， 再向拧出方向施力， 如此 反复紧松实现螺纹连接的拆卸 ； 3 ) 在螺母上找到一支撑点， 然后用榔头用力击打，使螺母受 到较大的冲击 ， 实现击卸法拆卸 ； 4 ) 用喷灯或其他设 备对螺母 进行加热，使螺母和螺栓之间形 成间隙， 实现温差法拆卸。 从资源环境属性的角度来看，第 1 种方法消耗煤油 且会产生一定的刺激性气味，第 3 种方法会产生噪声污 染 ， 第 4种方法需消耗一定的能量 ； 第 2 种方法对资源和 环境的影响最小， 故此方法最优。 3 3 泵车臂架拆卸序列的规划 混凝土泵车臂架系统结构组成较为复杂，各个零部 件在拆卸过程中可以有不同的先后拆卸顺序，因此会产 生不同的拆卸序列。目前实际应用中的某型号四节臂混 凝土泵车臂架系统的拆卸序列图如图 2 所示。 拆卸序列规划是拆卸研究的热点之一，是指通过对 产品结构和装配等信息的分析， 生成可行的拆卸序列， 同 时依据一定的评价标准( 如经济最优) 来寻找最优的拆卸 序列p o - -n l 。 拆卸序列选择的好坏直接关系到产品拆卸的效 率和成本。选择一条合理最优的拆卸序列可以使得拆卸 方便， 安全可靠并且成本最低。 现阶段拆卸序列规划方法 主要分为两类： 一类是基于图搜索【 I 】 J 的拆卸序列生成方法 臂架整 体吊卸 卜 1臂架配管 拆卸 卜 _ _ 4 臂架胶管拆卸 卜1 1 臂架钢 管拆卸 轴承拆卸 臂架多路f 阂及 相关配管拆卸 连杆与液 压缸拆卸 3 号臂架与4 蛩臂架拆卸 图 2 混凝土泵车臂架系统拆卸序列图 2 号臂架与3 号臂架拆卸 1 号臀架与2 号臂架拆卸 2 口 f 4 f l 工 霏 械f 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 专题综述 S p e c i a l T o p i c s ( 如与或图、 无向图) ， 另一类是智能搜索法 ( 利用遗传 算法等搜寻最优的拆卸序列) 。 上述的臂架系统拆卸流程由于没有综合考虑经济最 优和效率最高这两个因素， 并不一定是最优的拆卸序列， 可以采用拆卸序列规划中的先进技术 ( 如结合智能算法 和图搜索法) 来研究臂架系统的拆卸顺序问题， 得出最优 的拆卸路径。 3 4 泵车臂架拆解工作的不足与改进 目前的混凝土泵车再制造拆解工作还存在着许多的 不足。现阶段主要依赖拆解的相关工具和设备进行手工 或半自动化拆除， 技术含量低， 需要耗费大量的劳动力。 具体零部件的拆解过程基本上是在实际操作过程中实现 的，在理论上很少有与之对应的较为透彻的拆卸方法研 究， 拆解的效率低， 周期长， 拆卸效果也并不令人满意。 一 些不合理的结构设计给拆解带来了很大的困难 ，以至于 出现难拆或不可拆卸的现象。 此外 ， 拆解过程也没有考虑 对环境的影响。 针对以上混凝土泵车在拆解过程中的不足之处， 提出 相应的先进的拆解技术 咽 。自 动化拆解技术是指整个拆 卸过程由机器人等设备自动拆除， 无需人工参与。这样能 降低拆卸成本， 改善拆卸环境。虚拟拆解技术采用计算机 仿真与虚拟现实技术， 在计算机上实现产品的虚拟拆解， 为 产品的再制造拆解提供可靠的理论指导。 拆解设计技术可 以在产品的设计阶段就将可拆卸性及拆卸性能考虑进去， 最终达到减少废弃物排放， 降低环境污染， 节约资源和保 护环境的目的。此外， 基于传统拆卸对环境造成的严重污 染， 应开发清洁拆解技术， 实现拆卸过程的“ 节能、 降耗、 减 污、 增效” 。 混凝土泵车在设计阶段就应该将整车的可拆卸 性考虑进去， 设计出一些适合于拆解的连接方式， 如金属 零件的连接可采用螺栓连接或键连接， 而塑料零部件的连 接可以采用型面连接或搭扣式连接。 然后再利用虚拟拆解 技术在计算机上实现整车的自动化拆卸， 同时考虑拆解过 程的绿色性， 达到对环境影响最小的效果。 4 结束语 从拆卸操作 、 拆卸深度等方面 ， 在绿色再制造工程 的总体上对拆解的内涵做了具体的介绍并指出了拆解 的意义。对拆卸及拆卸方法的种类进行了划分， 对各种 拆卸方法的优缺点进行了比较分析 ， 初步分析 了各种拆 卸方法的资源环境属性。 分析了混凝土泵车臂架系统在 6 。 j 磊 以 械 2014 4 拆解过程中所涉及到的一些相关拆解方法和目前实际 应用中的拆卸序列图， 指出了部分拆卸方法和拆卸序列 的不足并给 出了改进的建议。 指出了 目前混凝土泵车拆 解过程中的不足之处， 并介绍了与之对应的较为先进的 拆解技术 。 参考文献 1 1徐滨绿 色再翩造I程的发展现状和未来展望ml 中国I 程科学， 2 0 1 1 ( I ) ： 4 一 I O 2 1梁志杰， 姚巨坤 发动机再翩造综述m新技术新I艺 ， 2 0 0 4 ( 1 o ) ： 3 5 - 3 8 f 3 J高缝阿 fJ ， 武英， f 甸 东， 等 机电产品拆卸研究综述明 机械工程 学报 ， 2 0 0 4 ( 7 ) 1 - 9 【 4 )张秀芬， 张树有 伊国栋， 等面向复杂机械产品的目标选择 性拆卸摩列规划方法m 机械I程学报2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 1 7 2 - 1 7 8 研Ka n e J C， L e e DH， Xl r o u c h a k i s P ， e t d P a r a ll e l c h s a s s e mb l y s e q u e n c i n gwi t h s e q u e n e e d e p e n d e n t p e r a t l o n t i me s 1 A n n al s o f the C I RP ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 3 4 3 - 3 4 6 I 6 1剃光复， 刘学平， 刘志蜂， 等机电产品的拆卸与回收性能分 析m 机械I程师， 2 0 0 1 ( I ) ： 1 3 - 1 6 1张华， 李明珠 王艳红 等机械加II艺过程资源环境属性 清单分析与i 乎 价仞机械与电子， 2 0 1 1 f 2 ) ： 1 1 - 1 4 【 8 1唐修俊， 吴智勇 石培科 等混凝泵车智能臂架运动仿真 与控制研究m 中国I程机械学报 2 0 0 8 ( i ) ： 6 3 - 6 7 【 9 】优雪健连接件的拆卸方法m 设备s维修 2 0 0 5 ( 4 ) ： 5 6 5 8 1 O l章小红， 李世其 王俊峰 基于蚁群算法的产品拆卸寄歹 lj 规 翔方法 计算机辅助设计与图形学学报 2 0 0 7 ( 3 ) ： 3 8 7 - 3 9 1 p1 潘晓勇， 骆祥峰， 刘光复 等 基于层次概率模糊认知图的 产品拆卸每列研究m 机械I程学报 2 0 0 3 ( 4 ) ： 6 - 1 0 口2 J a c o p o A e o t t 0 S t e n o C a s e l l i P h y s i c s b a s e d v i r t u d r e al i ty f o r ta s k l e a r n i n ga n di n t e l h gen t d i s a s s e mb l y p l a n n i n g J V i r t u a l Re a l i ty 。 2 0 1 1 f 】 ) ： 4 】 一 5 4 n 3 L l 珏 ， L I P K， T ORS BAn o b j e c t o r i e n t e d i n t e l l ig e n t d i s a s s e mb l y s e q u e n c e p l a n n e r t o r ma i n t e n a n c e ff C o mp u t e r s i n J h d u s t r y ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 6 9 9 7 1 8 1 4 1刘艳妍 机械产品的装配与拆卸设计m 机柳 f 究与应用， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 7 - 9 1 5 1毛宇翔 王霄 虚拟拆卸技术的研究进展及发展趋势分析 仍 矿山机械， 2 0 0 7 ( I ) ： 1 I 8 1 2 1 通信地址： 湖南省湘潭市j 南省重点实验室( 4 1 1 2 0 1 ) ( 收稿日期： 2 0 1 3 - 0 7 - 1 0 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m