废旧机电产品再制造工艺过程的经济性分析

刘 琳, 刘光复, 宋守许, 湛 阳

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

0 引 言

再制造的重要特征是,再制造产品的质量和性能要达到或超过新品,成本仅是新品的50%左右,节能60%左右,节材70%以上,对保护环境贡献显著[1]。可见,再制造必须实现产品再利用价值的增值。对于再制造企业而言,决定一个产品退役后,以何种方式对其进行处理,是否需要再制造,首先需要对其进行再制造工艺过程的经济性分析,从经济性分析的结果确定是否有实现再制造的价值,并提出需要改进的地方,以指导初始产品的设计。

文献[2]从技术方面对废旧产品的再制造性进行分析;文献[3]从技术和经济2个方面对废旧产品的再制造性进行分析,但是由于废旧产品的再制造涉及政策、环境、技术等很多不确定的因素,其经济性分析模型很难建立,也很难定量表述,所以没有对经济性进行具体深入的研究;文献[4]对废旧汽车产品的整个再循环模型的经济性进行了分析和比较;文献[5]从拆解回收的角度对废旧汽车的经济性进行了分析。但是文献[4-5]所分析的经济性是针对某个特定的产品进行分析的,并不具备统计意义。本文主要从统计分析废旧机电产品的适合再制造零件的失效形式的角度,对所建立的经济性分析模型进行分析,从而指导新产品的设计。

1 机电产品的再制造工艺过程

如图1所示,机电产品的再制造工艺过程主要包括：对废旧机电产品X进行回收,拆解后,从再制造的可行性和可行度的角度将零件分为适合再制造件和不适合再制造件。

适合再制造件通过清洗、对其失效形式进行检测后,根据其失效形式的轻重又可分为可用件、可再制造件和报废件。

不适合再制造件和报废件最终实现材料回收,可再制造件通过再制造加工后和可用件、替换零部件一起装配为再制造产品。

图1 机电产品的再制造工艺过程

2 经济性分析模型

2.1 价值分解

对于由2个零件组成的产品而言,如图2所示,产品的价值由5部分组成：零件1和零件2各自的材料价值RM1、RM2和加工过程中所获得的附加值VA1、VA2,以及2个零件装配成产品时获得的装配附加值VA,assy[6]。

图2 2个零件组成的产品的价值

如果该废旧产品,不需要经过拆解,就可再制造后重用,则图2所示的5部分价值都可以保留下来;如果该废旧产品经过拆解后,可分别对零件1和零件2再制造后重用或者直接重用,则图2所示的VA,assy将会损失,其余4部分价值将会被保留;如果该废旧产品经过拆解后,零件1和零件2只能通过材料回收进行处理,则只有图2所示的RM1、RM2被保留下来,其他价值都会损失。

所以,为了使废旧机电产品在再制造工艺过程中具有更大的经济性,即尽量保留废旧机电产品的剩余价值,在对废旧机电产品X进行拆解中,就需要有选择地拆解,如图3所示。

可以看出,为了提高废旧机电产品的经济性,需要注意以下2点：

(1)只有在组件不能作为一个整体来对其进行再制造或重用时才需要进一步拆解。

(2)若组件拆解后的所有部件材料相同,且只能进行材料回收,即组件的拆解性≤0时,可以不用拆解,直接材料回收。

对于可进行再制造的产品,一般需满足：剩余价值较高,且再制造的成本低于剩余价值[7]。

图3 选择性拆解

2.2 经济性分析

废旧机电产品X的经济性分析如下：

(1)不适合再制造件。不适合再制造件一般为一些功能连接件(例如,电缆、导管等)、结构连接件(例如,螺钉、螺栓、焊接部件、铆钉等)、价值较低的零件、标准件等。这些零件的剩余价值较低,一般都以材料回收的方式处理,其所获得的剩余价值只有材料价值RM。根据图1可知,其成本为所分配的回收成本以及对这些零件的拆解成本。所以,不适合再制造件的价值为：

不适合再制造件的成本为：

其中,M1为不适合再制造件的各零件质量;M为废旧机电产品X的总质量;C0为废旧机电产品X的初始回收成本;N1为不适合再制造件的零件总数量;PM为材料平均回收价格;CD为废旧机电产品拆解某零件的成本。

影响废旧机电产品拆解成本的因素很多,但是综合起来主要为拆解时间和拆解工具2个因素,所以本文以时间消耗和工具消耗来计算拆解成本[8]。拆解某零件的成本可表示为[5]：

其中,T1为拆解时间;W1为单位工时工资;CR为拆解工具的消耗成本。

(2)适合再制造件。对于废旧机电产品而言,再制造的主要剩余价值在适合再制造件上。但是即使对于同一种机电产品而言,由于工作环境、人为因素的影响,其内部的适合再制造件的失效状态也可能是不一样的。如果仅仅对一台废旧机电产品的经济性进行分析,则不具有统计意义,所以本文使用随机抽样,对多台废旧机电产品的适合再制造件的失效形式进行统计分析。

对于机械零件,其失效形式一般分类见表1所列[9]。应根据现有的再制造水平,确定哪些失效形式可以通过再制造修复。通过检测,确定适合再制造件的失效形式是否属于可以通过再制造修复的失效形式。

对废旧机电产品X进行随机抽样试验,抽样样本点的总数为n,对每个可再制造零件Y的失效形式进行统计,每台废旧机电产品X所含的零件Y的个数为λ,零件Y的可用件的个数为y1,可再制造件的个数为 y2,报废件的个数为 y3,y1+y2+y3=λ n,由此可以得到零件Y为可用件的概率、可再制造件的概率和报废件的概率分别为：

由于二手零件的出售价格一般为新配件价格的40%～60%,取二手零件的价格为 γ PN,其中,γ取40%～60%;PN为新配件的市场价格。

表1 一般失效分类

若适合再制造件为可用件或可再制造件,则其剩余价值为材料价值RM及加工过程中所获得的附加值VA,即该零件的二手配件的市场价格,若适合再制造件最终为报废件,则其剩余价值为材料价值RM。

适合再制造件的价值为：

适合再制造件的成本为：

其中,PN为适合再制造件的新配件的市场价格;CRi为第i个适合再制造件的再制造加工成本;M2为适合再制造件的各零件质量;N2为适合再制造件的零件总数量;W2、W3为每工时清洗、检测费用;T2、T3为清洗和检测时间。

则再装配前的总利润为总价值减去总成本：

后续的再制造工艺过程是将修复后的零件与新配件再装配,得到完整的二手再制造机电产品。由图2可知,多个零件装配后的价值肯定大于单独每个零件的总价值,所以,最终的机电产品再制造工艺过程的总利润肯定大于R。

3 实 例

本文以某型号的废旧汽车变速箱的再制造工艺过程为例,随机抽取了20台该废旧汽车变速箱,对其进行拆解后分为适合再制造件和不适合再制造件,具体数据见表2、表3所列。

首先,在拆解过程中发现,由于拨叉组件的所有零件的材料相同,且由于其为焊接连接,所以只能材料回收,拆解性＜0,由图3可以看出,不值得进一步拆解,直接将拨叉组件归为不适合再制造件。

对适合再制造件进行失效形式检测,根据失效形式的轻重,分类每种适合再制造零件的可用件、可再制造件和报废件,并分别算出概率,具体结果见表2所列。

该废旧汽车变速箱的初始回收成本为1000元,总质量为45.69 kg,总零件个数为66,拆解工具的消耗总成本为127元,统计检测时间为90 min,每工时检测费用为100元。

本实例的清洗工艺采用超声波清洗仪器,可以将需要清洗的零件同时清洗,得出清洗时间为40 min,每工时清洗费用主要为单位工人工资、水电费,综合为40元。

表2 适合再制造件的分类信息

表3 不适合再制造件的分类信息

本例中将出售二手配件的价格记为新配件价 格的50%,即γ=50%。该实例中,回收的材料大部分为废旧钢铁,目前废旧钢铁的平均市场价格为2700元/t,单位工时工资W1为30元/h。

根据表3和(1)～(3)式可得,不适合再制造件的价值和成本分别为：

由于不适合再制造件的C2大于V2为负值,说明没有盈利,所以该再制造工艺过程是否盈利主要取决于适合再制造件的利润。

根据表2和(4)式、(5)式可得,适合再制造件的价值和成本分别为：V2=3594.14,C2=1139.60。则适合再制造件的总利润为：R1=2454.54。根据(6)式,求得再装配前的总利润为：R=R1+R2=2173.46。

所以,这种型号的废旧汽车变速箱经过再制造后,最终获得的总利润一定大于2173.46元。

废旧汽车变速箱的初始回收成本为1000元,总质量为45.69 kg,可得出平均初始回收价格为21.9元/kg,而废旧钢铁的回收价格为2.7元/kg,由于2.7元/kg＜21.9元/kg,若仅仅通过材料回收的方式,对废旧汽车变速箱进行处理,利润为负值。通过本文的再制造工艺过程模型,适合再制造件的利润为正值,并填补了不适合再制造件的损失,而适合再制造件的失效形式决定了适合的利润,从而决定了整个再制造工艺过程的经济性。由此得出,若想进一步提高废旧机电产品再制造工艺过程的经济性,可以着重从以下2方面来考虑：

(1)改进新产品的设计,使废旧汽车变速箱的失效形式得到改善,提高可用件、可再制造件的概率,减少报废件的概率。

(2)提高再制造加工的设备和技术,例如,使一些原来被归为报废件的适合再制造零件,仍然可以通过再制造加工使其恢复该有的功能要求,降低再制造工艺过程的成本等。

4 结束语

本文在废旧机电产品再制造工艺过程模型基础上,主要从失效形式方面,进行经济性分析,并通过变速箱对本文的分析方法进行了论证。可以看出,废旧机电产品零件的失效形式对再制造经济性的影响很大,设计者应该在设计阶段就能考虑到产品废旧之后的失效形式,努力从各方面营造有利于提高再制造经济性的条件。但是本文的分析方法仍有一些需要改进的地方：

(1)由于客观条件的约束,本文随机抽样样本较小,如果条件允许,可以尽量增大抽样样本,失效形式的统计会更具有相对精确性。

(2)本文未考虑其他影响因素,例如当地法律法规的影响、当地发展水平与规模效益的影响等。

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