基于零件质量不确定性的再制造生产系统可靠性分析

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Reliability Analysis of Remanufacturing ProductionSystem under Part Quality UncertaintyZhang Jing，Liang Gong-qian(School of Management，Northwestern Polytechnical University，Xian 710129，China)Abstract：In a remanufacturing production system，the part importations are from abandoned products thatcan still be used or can be reused by remanufacturing.Thus，the main difference between a remanufactur-ing production system and a normal production system is that the quality information of the objects to be re-manufactured is uncertain，SO is the remanufacturing technical information of every object.In this paper，the influencing factors of quality，time，and system component are analyzed.Also，study is done on therelationship between remanufacturing parts uncertainty and remanufacturing production system reliability。

Based on the analysis，remanufacturing production system reliability model and method for calculating re-manufacturing production system reliability under the uncertainty of parts quality are presented.This meth-od provides theory for improving remanufacturing production system design and optimizing remanufacturingproduction technical system。

Key words：remanufacturing；production system；product quality；reliability再制造生产系统可靠性是保障产品质量、生产稳健性及提高生产率的重要因素，是解决供给能力缺口问题，影响再制造产业发展的关键障碍之-。

再制造生产系统本身包含众多要素，再加上再制造零件质量不确定性对再制造生产系统过程变量的作用，使得生产系统中各要素关系相当复杂。

收稿 日期 ：2012-03-O1基金项 目：陕西省软科学基金资助项 目(2011 KRM34)作者简介：张晶(1982-)，女，河南省人 ，博士研究生，主要研究方向为工业工程、质量管理l18 工 业 工 程 第 l6卷文献[1-3]提出了再制造生产中的不确定问题，文献[4-5]从整个再制造物流系统的角度，解决不确定环境下的库存控制与协调问题；文献[6-9]综合考虑各种不确定因素和相关政策、价格因素，提出在各种不确定环境下再利用逆向物流网络的设计方法；文献[10-11]研究了不确定因素影响下的再制造生产计划的制定；文献[12]从再制造产品角度，针对不同的再制造模式，建立了再制造汽车产品的系统可靠性模型。但是对于不确定因素对再制造生产系统的影响及其解决办法并没有进行相应的研究。本文通过研究再制造零件质量不确定性与再制造生产系统可靠性的关系，对系统可靠性进行建模和定量分析。

1 零件质量不确定性对再制造生产系统可靠性的影响1.1 再制造生产系统可靠性定义系统可靠性模型-般可分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。系统在规定的条件下无故障的持续时间或概率为基本可靠性。任务可靠性是系统在规定的任务剖面内完成规定功能的能力 。本文定义再制造生产系统可靠性是再制造生产系统在规定的生产任务剖面内完成规定功能的能力。当然，再制造生产系统可靠性的研究，不仅要考虑质量不确定性变量对系统的影响，同样要考虑系统内各单元的基本可靠性。

1.2 再制造生产系统可靠性的影响分析再制造生产源头是以废弃产品中那些可以继续使用或通过再制造加工可以再使用的零部件作为零件输入，因此再制造生产过程区别于原始生产过程的-个显著特点就是再制造对象质量信息等的不完备性。

- 个完整的再制造加工过程包括：拆卸、检测、清洗、再制造修复、装配、测试等环节。但是由于每个再制造对象在其生命周期中的失效形式以及失效程度都不尽相同，再制造加工对象有其不同的质量水平，这导致了每-个再制造对象的再制造工艺信息都呈现出个性化差异，如图1。再制造加工路径的不确定性给再制造产品的工艺信息管理及再制造生产过程可靠性带来如下问题。

[ ] t 拆卸BOM-ge击卸法 ： /拉卸法/珏卸法拆法破坏性拆卸法◆， ， .，， ， ④， ；./ ./ 、 ，. 测试 ， 清洗，，，/ / 、. 加工/ ④ /， / 检测 ，/ 装配 检验 、 I高 电弧喷撩 ， 、 典型零件几何B、- 互换法 量检测技术 高温 解 ，，电刷镀 --J 选配法 -J 零件缺陷检测典型零件几何 清理 / 典型零傍几何 纳米复合量检测技术 --J / 高压水射 -J 鹭睦溯技术--1 - -- 稗缺陷检测 表面损伤、 自瘙 -1/ -1/ 零件缺陷检测 喷砂清理 技术 复、激光再制造 修配法 技术技术 ④ 超声波 零件力学性能 快速成型 S 调整法 零件力学性能 化学清洗 检测技术 检测技术微脉冲冷焊图1 再制造加工毛坯工艺路径不确定性示意图Fig.1 The uncertainty of remanufacturing workblank routing schematic plot1)工艺路径产生偏差，随着加工的进行，由于废旧零件再-次损坏、加工前未察觉的状况、进-步加工的不可行性都有可能导致原有的加工方案需要重新选择，因此会对初始工艺路径进行修正，这就造第 2期 张 晶，梁工谦 ：基于零件质量不确定性的再制造生产系统可靠性分析 1 19成了实际路径与最初路径的偏差。偏差的产生会改变工艺的结构可靠度，造成系统不稳定。

2)工件的加工时间各不相同。由于工件的损伤程度各不相同，因此加工时间也各不相同。时间不同会影响系统的 日产能力及生产计划，从而对系统性能产生影响。

[ ]3)再制造系统要素 (remanufacturing systemcomponent，RMSC)代表了再制造系统中各个工位组成成分的集合，包括机床、刀具、夹具等。MSC可靠性主要是系统故障。再制造系统要素可靠性也是影响系统可靠性的因素之-。各因素对生产系统可靠性模型的影响如图2所示。

图2 工件质量影响下的再制造生产系统可靠性模型Fig.2 Remanufacturing production system reliability model under the influence of workpiece quality2 再制造生产系统可靠性评价模型生产系统综合性能表现为系统配置的可适应性、运行效率和运行的稳定性等几个方面，这些又受到装备、工艺规程、物流和作业计划、执行和控制策略等多因素交互作用的影响。对制造系统进行性能评估时，往往对其某些性能指标如设备利用率、产品准时交货率、产品平均完工时间、车间在制品数量等进行监控。基于此，传统的生产系统可靠性分析指标-般包括：开工率、有效度、系统能力利用系数、年操作率等。从这些指标来看，评价因素包含了系统运行时的时间量因子，产品量因子和设备故障等，但这只能单方面评估生产时间、故障、日产量等对系统可靠性的影响，不能反映加工对象质量不同对工艺规程及生产系统可靠性扰动产生的影响。

2.1 再制造对象质量影响下的工艺可靠性工艺可靠性即再制造系统在规定的条件下和规定的时间内，按设计文件实现工艺质量参数的能力。

在零件质量不确定的情况下会影响加工工艺的路径，工艺路径的非重复进行表明某工序加工产品的质量指标未保持在额定的范围内，即工艺的稳定性差。工艺路径的跳跃改变工艺的遗传性(即前后工序加工误差的传递性)。由于再制造加工对象质量各异的特性，因此不能使用工序能力指数衡量工艺的稳定性。在此定义第 i道工序的可靠度为第 i道工序在已知规定的时间内按产品第 k个质量参数加工完成任务的概率 ，即R ( )P( ∈Xm)，其中 为工序 i对质量参数 加工得到的结果 ，置。

为工序 i对质量参数 k加工的公差范围要求。工艺的稳定性差即为 P( )P( m Xm)。如果质量参数间不相互独立，则最后-个质量参数的可靠度即为工艺系统的可靠度，即具有 n道工序，k个质量参数的工艺系统关于质量参数k的可靠度为：RsPP( . ∈X ， )P( ， ∈X ， l ， - 1隹X， - 1)P( ， -1 X ， -1)P( . ∈X ， I . -1∈1)P( -1∈X -1)。

考虑到每道工序之间均设有检验点，在检验点处可将前-工位的加工误差进行检验并对工艺路径进行修正，每个检验点检验的准确率为 OL，以两工序加工为例，P( ∈X l -1隹X -1)为工序 1重新加工的情况下工序 2完成任务的概率，此过程是在检验点 1的检验过程中使工序 1返工，考虑到检验点的准确率，则P( . ∈X。

J . - 1岳Xk. - 1)R2P( ) IP( )，P( ， -1隹X，- 1)1-R1P( .1)，工 业 工 程 第 16卷RsP：R2P( ，2)0 lP(，1)(1- 1P( .1))R2P( ，2)R1P( ，1)R2P( ，2)R1P( .1)(1Ol(1-尺 ( )))。

2.2 再制造对象质量影响下的生产能力可靠性生产能力可靠度即规定条件下和规定时间内，系统完成规定功能的概率。要能够反映加工时间影响下的系统产能变化。设系统规定的功能为 D，按照定义，D应取系统设计的日产能力 P ，如果系统实际日产能力已超过原设计能力，或经过改建、扩建的系统，其D应取为曾经达到的合理的实际最大日产能力。即D的取值为：PDmax(P ， )，其中P 为系统的设计 日产能H力(日产量)；P 为系统在第 i个生产单位时间的实际产量； 为系统在第 i个生产单位时间内的实际生产天数。生产系统在规定时间 71，规定功能 D条件下，实际的运行功能为 D ，实际运行时间为 ，的取值有3种状态：T 7"0 ，当D D系统满额运行时；T ：T ，当 D

系统的实际运行状态-般是上述 3种状态交错地进行。其中 和 为系统非失效运行状态时间，对系统将额运行时间 71 可以根据总时间内完成的功能(产品量)，分别折算为 D D时的时间 ”和D 0时的时间 的和，即 T 。经折算后系统在 D D时运行时间为 To ”，系统在 D 0时运行时间为 。规定总时间为 T 。由系统可靠度的定义可得：R 。

. n。 若以产量计算系统功能可靠度则R 。为系统在总时间 内实际的产品量与满额运行的产量的比71值；若以时间量计算系统功能可靠度有 ： 。

2.3 再制造系统要素可靠性再制造系统要素可靠性受各工位故障影响。

设系统各工位的故障率及衰退过程符合指数分布，则各工位的故障率为 F (t)1-e ( 为第 i环节机器的故障率)。各工位无故障的可靠度为R e-Fi(tk)tk；若系统为串联系统则RsM兀 。

综上所述，t 时刻再制造生产系统可靠度可表示为：Rs： RsP·RsD。RsM。

3 算例分析以某型发动机曲轴再制造过程为例。曲轴失效特征有3种：①轴颈磨损。当轴颈直径大于 4 mm圆度/圆柱度大于0.042 mlTl、轴颈直径小于 a54 mm圆度/圆柱度误差大于 0.022 mm时，恢复曲轴的尺寸精度工艺路径为：喷涂、刷镀或焊补 热处理消除内应力-车削-抛光-清洗；当磨损尺寸大于修理尺寸时，直接更换曲轴，不再进行再制造加工。②曲轴弯曲与扭曲变形。曲轴主轴颈的同轴度误差大于0.05 mm，称为曲轴弯曲。若连杆颈分配角误差大于0。30 ，则称为曲轴扭曲。当弯曲变形在修理尺寸内时，修复工艺为：热处理保证曲轴性能-磨削-矫正曲轴弯曲变形。当中间主轴颈对两端的颈项跳动误差小于0.1 mm时，修复工艺为：矫正曲轴变形。当中间主轴颈对两端的颈项跳动误差大于0.1 mm时，修复工艺为：直接更换，不再进行再制造加工。当扭转变形的扭转角若大于 0。30 可进行表面加热或敲击校正。③曲轴裂纹。若出现横向裂纹时，则报废。

若出现轴向裂纹时，在修理尺寸内时，修复工艺为：车削恢复精度。否则报废。

在此选4条路径进行系统可靠性分析。路径 1，某曲轴磨损情况下设计的修复工艺路径为：质检喷涂-热处理-车削-抛光-清洗-质检。路径 2，某曲轴变形时设计的修复工艺路径为：质检 热处理-车削-矫正曲轴变形 抛光-清洗 质检。路径 3，某曲轴有裂纹时设计的修复工艺路径为：质检车削-抛光-清洗-质检。路径4，某曲轴原设计工艺为路径 1，随着再制造加工过程，使得曲轴产生裂纹，工艺路径改为：质检-喷涂-热处理-车削-质检-车削 抛光-清洗 质检。

设每个检验点的检验准确度 为99.7%，曲轴的平均再制造时问为 16 h/个，系统额定月产量为 13个，根据每个工位可靠度数据，选取不同时间点计算4种情况下再制造生产系统可靠度，如表 1所示。再制造生产系统可靠度变化如图3所示。

表1 不同工艺路径下再制造生产系统可靠度Tab.1 The reliability of remanufacturing productionsystem under diferent routing第2期 张 晶，梁工谦：基于零件质量不确定性的再制造生产系统可靠性分析 1211.21.00.8060.40.20O 5U l00 l50时间/ll图3 不同工艺路径下再制造生产系统可靠度变化Fig.3 The reliability changes of remanufacturingproduction system under diferent routing通过比较发现路径 1与路径 2同样要经过 7道工位，因为工位的不同，系统可靠度不同；路径4是在加工过程中对路径 1的修正，经修正过的路径系统可靠度降低了。比较发现喷涂工艺容易导致可靠性问题，因此可以确定为重点监控工位。

4 总结本文通过改进以工序生产能力指数为指标的工艺可靠性评价及以故障率为指标的系统可靠性评价方法，从提高毛坯质量不确定因素影响下的再制造生产系统可靠性的角度出发，研究了不确定因素影响下的各影响因子对再制造生产系统可靠性的作用机制，提出了基于毛坯质量影响下的工艺可靠度、生产能力可靠度和系统要素可靠度的再制造生产系统可靠度的计算方法。最后以某型发动机曲轴工艺系统为例，通过选取不同工艺路径，比较、计算不同路径下系统可靠度，从而找到提高系统可靠性的方法，对再制造生产系统设计及工艺改进具有现实意义。