基于剩余使用寿命评估的再制造方案决策模型及应用

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Remanufacturing Scheme Decision M odel and Application Based onRemaining Useful Life EstimationZHANG Xugang ZHANG Hua JIANG Zhigang(Colege of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 43008 1)Abstract：To realize the optimum utilization of used parts resources，remanucturing decision'model of used parts is establishedfrom the viewpoint of remaining useful life estimation.Based on the failure data and history floor da ta of used parts，Weibulldistribution and artificial neural network are integrated to assess the remaining useful life.For the used parts with remaining usefullife，reliability is analyzed at the end of its first life and residual life in a quantitative way respectively，combined with the partsreliability threshold，the remanufacturing scheme of used parts is determined，namely reuse，remanufacturing or recycle.An engineblade is taken as an exam ple to ilustrate the feasibility of the decision mode1。

Key words： Remanufacturing Remaining useful life Decision model0 前言目前我国已进入机电产品报废的高峰期，全国役龄 lO年以上的传统机床超过 200万台，80%的在役工程机械超过保质期；年报废电脑、电冰箱 l 600万台J ，这些废旧机电产品的资源化处理已成为制造企业面临的-大难题。

再制造作为循环经济的重要组成部分，以废旧零部件为毛坯进行加工，是有利于环境保护的产品寿命终结后的处理方法之- LzJ。然而，由于废旧产品服役工况的差异性，即使是相同类型的产品，所得到零部件的寿命特征也不-样，其是否具有剩余国家科技支撑计划(2012BAF02B03)和国家自然科学基金(51205295)资助项目。20120918收到初稿，20121225收到修改稿使用寿命，其剩余使用寿命能否维持下-个寿命周期直接影响着再制造产品的质量和可靠性。为了使废旧零部件的利用价值最大化，不同寿命特征的废旧零部件需采取不同的再制造方案。因此，有必要对废旧零部件的再制造方案进行综合决策。

目前，针对废 旧产品或零部件再制造决策问题，国内外学者展开了广泛的研究，并取得了-定的成果。文献[3-5建立了基于不同优化算法的废旧零部件再制造方案决策模型，如递归算法、案例式推理法及遗传算法等，从技术和经济的角度来分析废旧零部件的最优再制造方案。文献[6-7针对废旧机电产品的资源化处理问题，建立了包括经济性、技术性、资源性和环境性的再制造决策综合评价模型，定量和定性相结合的对不同再制造方案进行评52 机 械 工 程 学 报 第49卷第7期价。文献[8指出，废旧零部件剩余使用寿命评估是决定其再制造方案的基矗而以上研究主要从技术、经济、环境、资源等方面展开，未涉及到对废旧零部件剩余使用寿命的评估。

在基于剩余使用寿命评估的废I13零部件再制造决策方面，文献[9]探讨了金属磁记忆无损检测技术预测再制造毛坯的剩余寿命。文献[10]利用加速寿命试验对产品设备进行了剩余寿命评估 。文献[11.12以家电产品为例，通过评估零部件的剩余使用寿命来判断其是否具有再利用的价值，在此基础上，从经济性和环境性来进行再制造方案决策。该方法虽然考虑了寿命的因素，但在再制造方案决策时忽视了零部件寿命特征对再制造方案的影响。文献[13建立了零部件可重用性评估模型，通过零部件的使用时间来判断其是否可以直接重用，具有-定的局限性。

基于此，本文在以上研究的基础上，从剩余使用寿命的角度系统的研究废旧零部件再制造方案的决策。

1 废旧零部件再制造方案决策模型1.1 决策框架废 旧产品-般都是经历过-次或多次服役周期，使得其零部件剩余使用寿命具有不确定性，直接影响着零部件再制造方案的选择。因此，准确判断废旧零部件的寿命特征是进行再制造方案决策的前提。废旧零部件的再制造方案决策框架如图 1所示。

]废旧零部件再制造方案决策框架剩余使用寿命评估是判断废旧零部件是否具有再制造潜力的前提，是再制造方案决策的基矗对于具有剩余使用寿命的废旧零部件，分析其寿命周期内的可靠性，结合企业制定的零部件可靠性阈值，确定废旧零部件的再制造方案。

1.2 废旧零部件剩余使用寿命评估废旧零部件剩余使用寿命评估方法主要有两类J训：物理试验和非物理试验。物理试验的成本高，且给零部件带来新的损伤；而非物理试验是以零部件失效数据和历史服役工况数据为基础，运用信息新技术建立它们与剩余使用寿命之间的关系，成本低且数据信息反映了零部件的真实运行环境。因此，采用后者来实现废旧零部件剩余使用寿命评估，其评估过程可用式(1)进行描述l J- (1)式中， 代表零部件的剩余使用寿命， 代表零部件的平均使用寿命， 代表零部件的实际使用寿命。

(1)平均使用寿命 。 反映了零部件在稳定工况下的正常运行时间，可以通过零部件的失效数据建立其威布尔分布模型计算得出。

威布尔分布是-种连续的概率分布模型，广泛应用于机电产品可靠性工程领域，预测产品和零部件的寿命分布和可靠性分布l引。由于两参数的威布尔分布具有较广泛的应用和很好的灵活性，因此，采用两参数的威布尔分布模型，利用零部件的失效数据来评估其平均使用寿命和可靠度，计算公式如下所示。

平均使用寿命厂疗 1] I I (2)厂( )e。uX-1 exp(-可靠度- ]式中， 表示尺度参数； 表示形状参数。

在式(2)、(3)中，威布尔模型参数叩和 的估计是关键。目前常用的参数估计法主要有图估计法、极大似然估计法和最小二乘估计法J 。其中，由于最d"-乘估计法计算量孝计算简单直观以及能有效实现数据的线性化处理等特点，是-种较理想的威布尔分布参数估计方法。在运用最d'-乘法进行2013年4月 张旭刚等：基于剩余使用寿命评估的再制造方案决策模型及应用 53参数估计时，参数估计的精度撒于经验分布函数的精度，传统的经验分布函数是通过近似中位秩公式计算得出，误差较大，而平均秩次法通过数据样本估算出所有可能的秩次，求出平均秩次，从而得到经验分布函数，有效提高了参数估计的精度 引。

数据样本是参数估计的基础，失效数据有效地反映了零部件在运行过程中的寿命变化，是较理想的参数估计数据样本。失效数据的主要来源有试验数据和现场数据l 。与试验数据相比，现场数据更能真实反映零部件的运行环境。现场数据通常是截尾的，撒于数据收集的时间窗口，有可能在数据收集期内零部件还没有发生失效，这-部分数据在失效数据统计表中也需要体现出来，以某型号零部件失效数据表为例，如表 1所示。

表 1 某型号零部件失效数据表注：F代表失效数据，即该零部件在数据收集期内发生失效的数据；S代表删失数据，即该零部件在数据收集期内正常工作，未发生失效的数据。

因此，根据失效数据样本，联合最小二乘法和平均秩次法来实现参数 和 的估计，其具体计算过程可