張 丹 于福才 - 廖 攀 周朝賓 - 蔡宗琰 -
(1. 長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710061;2. 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)
市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈與技術(shù)環(huán)境的日漸復(fù)雜,和可持續(xù)發(fā)展的急迫性與重要性,對(duì)食品機(jī)械企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新研制提出了更高要求。環(huán)境友好設(shè)計(jì)方法急需引入食品機(jī)械設(shè)計(jì)中,提升企業(yè)綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。綠色設(shè)計(jì)指對(duì)食品機(jī)械結(jié)構(gòu)及零件使用面向再制造設(shè)計(jì)(Design for Remanufactu-ring),使設(shè)備在設(shè)計(jì)初始便考慮其后續(xù)再制造可行性,令設(shè)備在生命周期末端獲得優(yōu)良的再制造能力。鮑宏等[1]將面向再制造設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)兩者結(jié)合,面向設(shè)備生命周期再制造性能多角度開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用。
中國(guó)食品機(jī)械行業(yè)起步較晚,高起點(diǎn)企業(yè)較少,仍存在一些問題,例如,創(chuàng)新點(diǎn)弱,低水平產(chǎn)品較多,沒有自主研發(fā)品牌,一些技術(shù)被國(guó)外壟斷,需從國(guó)外進(jìn)口大量食品機(jī)械,甚至一整套生產(chǎn)線。從事食品機(jī)械的研發(fā)團(tuán)隊(duì)較少,國(guó)家在該領(lǐng)域投入的科研經(jīng)費(fèi)、人力物力不足,導(dǎo)致食品機(jī)械更新?lián)Q代較慢,生產(chǎn)線較為落后。由于食品機(jī)械質(zhì)量欠缺,無法長(zhǎng)時(shí)間服役,導(dǎo)致大量設(shè)備以及零部件廢棄。進(jìn)口設(shè)備消耗了國(guó)家大量資金,如果能將這些廢舊設(shè)備回收再利用,將為國(guó)家以及企業(yè)節(jié)省一大筆開支[2]。
再制造設(shè)計(jì)是依據(jù)再制造設(shè)計(jì)要求,利用先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)計(jì)方法,針對(duì)產(chǎn)品自身再制造屬性和再制造生產(chǎn)流程中各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、技術(shù)單元以及資源使用進(jìn)行全方位規(guī)劃,得到最優(yōu)再制造方案的全部過程。再制造設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始的再制造性和驗(yàn)證評(píng)價(jià);再制造系統(tǒng)涵蓋了人員、設(shè)備及技術(shù)的功能、構(gòu)成、構(gòu)建、及運(yùn)作規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。再制造設(shè)計(jì)的最終目的是運(yùn)用全系統(tǒng)全生命過程理論,使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)法與手段,設(shè)計(jì)出擁有優(yōu)良再制造性的產(chǎn)品。
再制造設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更高難度和技術(shù)要求,它有特殊約束條件和更高層次技術(shù)難度。利用再制造設(shè)計(jì),依據(jù)設(shè)備情況,對(duì)再制造經(jīng)濟(jì)性與資源有害程度進(jìn)行前期計(jì)算和預(yù)判,確定具體技術(shù)單元,最終得到面向廢棄資源的最優(yōu)再制造方案。在保證再制造品品質(zhì)的前提下,完成了再制造資源回收最大化,環(huán)境污染最小化,是廢舊產(chǎn)品進(jìn)行再制造的科學(xué)依據(jù)[3]。
再制造性為物體所固有,作為設(shè)備進(jìn)行再制造的先決條件,是再制造研究的基礎(chǔ)。相同設(shè)備在不同條件下具有不同的再制造性,再制造性不能脫離具體條件。設(shè)計(jì)初始無論是否面向再制造設(shè)計(jì),產(chǎn)品的再制造性都客觀存在,隨著時(shí)間的推移再制造性會(huì)產(chǎn)生變化,并且由于智能化,創(chuàng)新化的技術(shù)發(fā)展,再制造性隨之增加。
設(shè)備回收體現(xiàn)了再制造性,設(shè)備價(jià)值回收作為一個(gè)隨機(jī)變量,它隨外部條件變化,因此使用再制造度來定量描述。再制造度指以指定時(shí)間和條件為前提,設(shè)備服役完畢,考慮在環(huán)境技術(shù)等諸多因素的前提下,利用再制造所得到利潤(rùn)和再制造品價(jià)值比,可用Rn表示[4]。
(1)
式中:
Cr——再制造設(shè)備自身價(jià)值;
Ce——再制造環(huán)境效益價(jià)值;
Cc——過程總投入成本。
若Rn<0,則說明Cc大于Cr+Ce(即再制造得到的所有價(jià)值),再制造有所虧損。若Cc>Cr,再制造環(huán)境效益價(jià)值Ce值大時(shí),再制造能夠通過尋求資金支持開展,例如政府。在此條件下,再制造得到了環(huán)保價(jià)值,政府為主要投資者,企業(yè)利潤(rùn)由政府再制造補(bǔ)助得到。
傳統(tǒng)的食品機(jī)械設(shè)計(jì)通??紤]設(shè)備可靠性、運(yùn)行平穩(wěn)性、可維護(hù)性等,為了提高設(shè)備在生命周期末端可用于再制造的能力,需對(duì)設(shè)備自身的再制造屬性進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),即在設(shè)備設(shè)計(jì)初期需面向再制造整體過程進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)等系列設(shè)計(jì),并且對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)估與校驗(yàn),全面提升食品機(jī)械設(shè)備的再制造能力和效率。所以,需基于設(shè)備屬性設(shè)計(jì)的相關(guān)方法和理論,建立再制造設(shè)計(jì)指標(biāo)體系和新設(shè)備設(shè)計(jì)初始再制造設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)理論[5-6]。
機(jī)械與電子產(chǎn)品失效曲線類似于浴盆形狀,見圖1。在設(shè)備服役前期需調(diào)試,處于磨合期,失效率較高,但此時(shí)間段內(nèi)維修簡(jiǎn)單,成本低廉;磨合期結(jié)束后為設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行階段,此階段偶發(fā)故障,多由于人工操作失誤,維修較為容易;曲線第三階段為損耗期,此階段維修頻次與維修成本上升。面向再制造設(shè)計(jì)考慮到零部件替換與核心零部件保護(hù)等,可延長(zhǎng)設(shè)備偶發(fā)故障期,使損耗期故障率下降,減少零部件更換難度與維修難度,降低維修成本,使核心零部件重復(fù)利用,最終為企業(yè)節(jié)省成本[7-9]。
傳統(tǒng)食品機(jī)械設(shè)備屬于單周期產(chǎn)品,利用再制造技術(shù)可使其達(dá)到多壽命周期循環(huán)使用。面向再制造設(shè)計(jì)的食品機(jī)械多壽命周期是一種新型的設(shè)備服役模式,因而設(shè)計(jì)要求不同于傳統(tǒng)的食品機(jī)械,其設(shè)計(jì)核心為針對(duì)再制造運(yùn)用壽命梯度理論,以食品機(jī)械服役條件及時(shí)間作為基礎(chǔ)進(jìn)行零件梯度壽命設(shè)計(jì)。使價(jià)值較低,需要反復(fù)更換的零件服役時(shí)間等于設(shè)備單次服役時(shí)間;高價(jià)值可多次利用的零件服役時(shí)間根據(jù)工況與性能要求設(shè)計(jì)為設(shè)備單次服役時(shí)長(zhǎng)的不同梯度倍數(shù)。那么在某種食品機(jī)械的第N次再制造中僅需更換一次壽命與已達(dá)到設(shè)計(jì)倍數(shù)服役年限的零件,簡(jiǎn)化了該設(shè)備再制造過程中零件剩余壽命評(píng)估與再制造工藝的使用。梯度壽命設(shè)計(jì)見圖2[10-12]。
圖1 浴盆曲線Figure 1 Tub curve
圖2 梯度壽命設(shè)計(jì)流程Figure 2 Gradient life design flow
拆解是進(jìn)行再制造的必要過程。再制造拆解不同于一般拆卸,要求盡量多地保留拆卸下的零部件使其不受損壞,并保留核心零部件。部分企業(yè)已意識(shí)到此問題,開始運(yùn)用卡式與接入式接頭、模塊化零部件,此類型零件更易被拆卸,大大縮短了拆解與裝配耗時(shí)。拆卸需要按照一定的順序進(jìn)行,同一個(gè)設(shè)備有幾種不同的拆卸順序,面向再制造設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮拆卸順序合理性,以下列舉幾種易拆卸結(jié)構(gòu)[13-15]。
(1) 如圖3所示,Snap-fit結(jié)構(gòu)可以替代食品機(jī)械中的傳統(tǒng)螺栓連接,并且能夠確保連接有效。
圖3 Snap-fit結(jié)構(gòu)Figure 3 Snap-fit structure
(2) 圖4為一種重力連接結(jié)構(gòu),使用時(shí)將一側(cè)的接頭擱置于槽孔中,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性依靠重力維系,該結(jié)構(gòu)又稱為:擱置式重力連接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),不會(huì)產(chǎn)生破壞性拆卸。
(3) 圖5為插銷緊扣連接,銷軸2被固定于管接頭1上,管接頭3有開口,當(dāng)銷軸插入接口并旋轉(zhuǎn)一定程度后,兩者連接,如需拆修,同樣只需旋轉(zhuǎn)一定角度即可完成拆卸。
(4) 圖6為普通卡扣。
圖4 重力連接結(jié)構(gòu)Figure 4 Gravity connection structure
1. 管接頭 2. 銷軸 3. 管接頭圖5 插銷緊扣連接Figure 5 Latches tightly connected
圖6 普通卡扣Figure 6 Ordinary buckle
再制造是將處于生命周期末端的設(shè)備進(jìn)行回收,為再制造品提供原材料。面向再制造設(shè)計(jì)的食品機(jī)械應(yīng)盡量節(jié)省運(yùn)輸過程中所占空間,避免過多突出部分,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)突出部分易被損壞或需要獨(dú)立空間。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理在裝載過程中也具有優(yōu)勢(shì),盡量使底面接觸部分面積足夠[16]。
零件合理分類,對(duì)再制造設(shè)備質(zhì)量有直接影響。合理并且快速地分類可以優(yōu)化回收庫(kù)存成本,縮短再制造時(shí)間。在面向再制造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件,避免出現(xiàn)過多零部件種類,使設(shè)備盡可能簡(jiǎn)化。為了使分類迅速進(jìn)行,分類明朗化,應(yīng)對(duì)相同零部件使用可識(shí)別記號(hào)進(jìn)行標(biāo)記,縮短分類耗的時(shí)[17]。
清洗為再制造中至關(guān)重要的一步,影響再制造后續(xù)修復(fù)成功與否。由于拆卸下的零部件存在幾何尺寸受損和螺紋結(jié)構(gòu)等,加之食品機(jī)械所處的環(huán)境,使零部件易被油垢、食品殘?jiān)任廴?,需徹底清洗才能提高再制造品的質(zhì)量。面向再制造設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使設(shè)備表面光滑,易于清洗??蛇m當(dāng)使用表面涂料等方法,減少由于清洗所造成的零部件損傷。
設(shè)備的修復(fù)和升級(jí)是再制造的一個(gè)重要程序,使其到達(dá)新品,甚至高于新品的質(zhì)量,從而提升設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。面向再制造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加零件可靠性,盡可能降低材料與結(jié)構(gòu)的磨損與折斷,銹蝕與污垢堆積。設(shè)計(jì)的部件應(yīng)易于替換,有較好的升級(jí)性[18-20]。
圖7為食品機(jī)械中常用的齒輪連接結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前,該齒輪連接結(jié)構(gòu)的螺母7聯(lián)合軸端限位將零件1與齒輪3串連在軸5上;零件2和零件6是限位所用套筒,4為鍵。齒輪屬于易損零件,常被用于食品機(jī)械中,服役過程中需經(jīng)常維護(hù)或更替,改進(jìn)前對(duì)齒輪3進(jìn)行維護(hù)或更換時(shí),需要反復(fù)拆裝零件6、7、1、2,加大作業(yè)量,過程中如有不慎,會(huì)損壞周圍零部件,造成額外損失。
利用再制造設(shè)計(jì)原理對(duì)圖7(a)所示結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),將軸5 左側(cè)螺紋連接鏡像地設(shè)計(jì)在右側(cè),改進(jìn)后對(duì)齒輪4進(jìn)行維護(hù)時(shí),避免了反復(fù)拆、裝的問題。
面向再制造設(shè)計(jì)還可對(duì)一些其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),圖8 為食品機(jī)械中的一種換熱結(jié)構(gòu),零件2、3與零件1間有三層連接。圖8(a)所示結(jié)構(gòu)1的兩側(cè)零件無法獨(dú)立裝卸,同樣出現(xiàn)維護(hù)不便的情況。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行面向再制造設(shè)計(jì)后,如圖8(b)所示,兩邊的板管可獨(dú)立裝卸[21-22]。
4.2.1 面向再制造的月餅自動(dòng)刷油扎孔機(jī)設(shè)計(jì) 通過對(duì)陜西省咸陽市紅星軟香酥廠調(diào)研了解到,在烤制時(shí)為了確保餅體不粘盤,且徹底烤熟,需在餅體表面刷油,并扎孔,而該程序完全依賴人工進(jìn)行,耗時(shí)費(fèi)力。現(xiàn)利用面向再制造設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)針對(duì)該操作的自動(dòng)刷油扎孔機(jī)。
對(duì)月餅自動(dòng)刷油扎孔機(jī)進(jìn)行面向再制造創(chuàng)新設(shè)計(jì),設(shè)備示意圖見圖9。
1. 換熱器殼 2. 板管 3. 板管圖8 換熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比圖Figure 8 Comparison chart of heat transfer structure improvement
1. 凸輪 2. 支架 3. 轉(zhuǎn)軸 4. Snap-fit 5. 電機(jī) 6. 傳送帶 7. 餅體 8. 油刷 9. 刷盤2 10. 針 11. 針盤 12. 支架
圖9 月餅自動(dòng)刷油扎孔機(jī)結(jié)構(gòu)圖
Figure 9 Automatic structure of moon cake
設(shè)備通過Snap-fit結(jié)構(gòu)4固定在傳送帶的一側(cè),或?qū)ΨQ的兩側(cè),視產(chǎn)量而定。刷盤9可繞軸3在水平面做180°轉(zhuǎn)動(dòng),生產(chǎn)旺季時(shí)可連續(xù)刷油,淡季可間歇刷油,當(dāng)轉(zhuǎn)離傳送帶時(shí)可粘取定量食用油。支架12與針盤11在凸輪機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。刷油結(jié)束,支架12帶動(dòng)針盤11對(duì)餅體扎孔,針盤上升過程中,由于刷盤9的阻擋,避免了針盤將餅體帶離。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,針盤獨(dú)立,針與針盤采用螺紋連接,更換簡(jiǎn)單。設(shè)備連接處采用Snap-fit易拆卸機(jī)構(gòu),設(shè)備整體再制造性強(qiáng)。
圖10為設(shè)備刷盤結(jié)構(gòu),刷盤共16個(gè)正圓孔,孔上裝有油刷,孔直徑應(yīng)略小于餅體直徑,以傳統(tǒng)月餅為例,直徑在5~8 cm,研究取月餅直徑為7 cm,則刷孔直徑設(shè)計(jì)為6.7 cm,0.3 cm的直徑差可保證刷盤向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不帶走餅體。刷盤上的油刷與油刷孔采用螺紋旋接,方便清洗時(shí)油刷的拆卸,同樣為油刷的替換提供了便利條件。刷盤可繞軸在水平面做180°轉(zhuǎn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)范圍可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。裝置兩側(cè)或者單側(cè)放置食用油,每次刷盤運(yùn)動(dòng)食用油處蘸取適量油進(jìn)行刷油工作。
圖10 刷盤Figure 10 Brush plate
圖11為針盤結(jié)構(gòu),針的覆蓋直徑應(yīng)等于或略小于刷盤上孔的直徑,研究取6.6 cm,以便針順利進(jìn)行扎孔作業(yè)。
圖11 針盤Figure 11 Needle plate
圖12為針盤整體圖。針盤同樣使用螺紋連接固定于支架間隙中,該設(shè)計(jì)便于拆卸與位置調(diào)整。
圖12 針盤整體Figure 12 The overall image of the dial
圖13為支架與刷盤裝配圖,支架凹槽內(nèi)使用凸輪結(jié)構(gòu),凸輪帶動(dòng)針盤做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
4.2.2 設(shè)備仿真 圖14為面向再制造設(shè)計(jì)的月餅自動(dòng)刷油扎孔機(jī)三維圖。設(shè)備可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要安裝在傳送帶一側(cè),或是兩側(cè),研究使裝置安裝在傳送帶一側(cè)。
圖13 裝配圖Figure 13 Assembly Figure
圖14 整體三維圖Figure 14 Whole 3D graph
本文通過對(duì)面向再制造設(shè)計(jì)理論的分析,結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)現(xiàn)有食品機(jī)械設(shè)備中存在的一些不合理結(jié)構(gòu),例如齒輪與換熱結(jié)構(gòu),利用面向再制造設(shè)計(jì)理論進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),使其結(jié)構(gòu)更加合理,便于拆卸,提升其再制造價(jià)值。并利用該理論對(duì)月餅自動(dòng)刷油扎孔機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),將傳統(tǒng)需要人工操作的工序自動(dòng)化,設(shè)備連接處采用易拆卸結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,再制造性強(qiáng),提升企業(yè)效益的同時(shí),使廢舊設(shè)備最大程度地投入再制造循環(huán)使用,節(jié)約了更多資源。
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