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國內外再製造的新發展及未來趨勢

來源:www.fswjn.cn  時間: 2019-04-14

1、再製造的內涵與研究範圍

20世紀的100年,人類製造的物質財富超過了以往5000年的曆史總和,但也極端消耗了地球資源,超出了大自然的恢複能力。為了緩解有限資源和過度消耗之問的矛盾,最大限度地利用廢舊產品的剩餘價值,20世紀90年代,美國從產業角度建立了3R體係(Reuse再利用、Recycle再循環、Remanufacture再製造):日本從環境保護的角度也建立了3R體係(Reduce減量化、Reuse再利用、Recycle再循環)。中國在總結世界各國經驗的基礎上,創造性地提出具有中國特色的4R體係(Reduce減量化、Reuse.再利用、Recycle再循環、Remanufacture再製造)。

再製造以廢舊產品的零部件為毛坯,主要以先進的表麵工程技術為修複手段(即在損傷的零件表麵製備一薄層耐磨、耐蝕、抗疲勞的表麵塗層)。因此無論是毛坯來源還是再製造過程,對能源和資源的需求、對廢物廢氣的排放都是極少的,具有很高的綠色度。再製造具有如下重要特征:再製造產品的質量和性能達到或超過原型新品,成本不超過原型新品的50%,節能60%、節材70%,對環境的不良影響顯著降低,有力促進了資源節約型、環境友好型社會的建設[1]。上述特征可概括為:“兩型社會、五六七”。

再製造出現,完善了全壽命周期的內涵,使得產品在全壽命周期的末端,即報廢階段,不再“一扔了之”成為固體垃圾。再製造不僅可使廢舊產品起死回生,還可很好地解決資源節約和環境汙染問題。因此,再製造是對產品全壽命刷期的延伸和拓展,賦予了廢舊產品新的壽命,形成了產品的多壽命刷期循環。這是麵向循環經濟的再製造的重要理論成果。

再製造的研究內容非常廣泛,貫穿產品的全壽命周期,體現著深刻的基礎性和科學性。在產品設計階段,要考慮產品的再製造性設計;在產品的服役至報廢階段,要考慮產品的全壽命周期信息跟蹤:在產品的報廢階段,要考慮產品的非破壞性拆解、低排放式物理清洗,要進行零部件的失效分析及剩餘壽命演變規律的探索,要完成零部件失效部位的具有高結合強度和良好摩擦學性能的表麵塗層的設計、製備與加工,以及對表麵塗層和零部件尺寸超差部位的機械平整加工及質量控製等。

2、再製造的迫切性和重要意義

我國已進入機械裝備和家用電器報廢的高峰期,再製造勢在必行。目前全國役齡10年以上的傳統舊機床超過200萬台,80%的在役工程機械超過保質期;年報廢汽車約500萬輛,報廢電腦、電視機、電冰箱1600萬台,報廢手機2000萬部,每年產生約8億噸固體廢物。上述設備均有進行再製造的巨大潛力。

我國在役機械裝備的運行損失十分驚人,再製造勢在必行。僅以腐蝕和磨損為例,2003年中國工程院發布腐蝕調查報告[2]:2002年我國因腐蝕造成損失近6000億元,占當年GDP的5%。2007年中國工程院發布摩擦學調查報告[3]:2006年全國凶摩擦磨損造成的損失高達9500億元,占當年GDP的4.5%。兩項損失合計1.55萬億元,粗略估算占GDP的9.5%,而發達國家隻達到4-5%。若能采取有效的修複及再製造等措施挽回10%的損失,則每年可節約1550億元。

再製造的社會效益十分巨大。與相關製造業比,再製造業的就業人數是其1.3倍。2005年,美國再製造業的年產值為750億美元,雇傭員工100萬,同年,美國計算機製造業的產值與此相當,雇傭員工隻有35萬,說明再製造業具有顯著的創造就業與再就業的能力。

再製造的資源與環境效益同樣十分巨大。據美國《再製造工業發展報告》統計,每再製造1公斤的新材料,可以節省5-9公斤的原材料,每年全世界通過再製造節省的材料達到1400萬噸,可以裝滿23萬節火車車廂:再製造產品的能耗僅為新品生產的15%,全世界每年通過再製造可節省1600萬桶原油,相當於600萬輛汽車一年中所需的汽油。據美國Argonne國家重點實驗室統計,新製造1輛汽車的能耗是再製造的6倍,新製造1台汽車發電機的能耗是再製造的7倍,新製造1台汽車發動機的能耗是再製造的11倍。據對我國第一家再製造領域的循環經濟示範試點企業濟南複強再製造公司的數據統計,若每年冉製造5萬台斯泰爾發動機,則可節省3.825萬噸金屈,回收附加值16.15億元,節電7250萬度,實現利稅1.45億元,減少C02排放3000噸。

中國特色的再製造來源於維修,是維修發展的高級階段;同時,再製造是先進製造的組成部分,屬於綠色製造。但是,再製造又明顯區別於維修和製造,具有自身獨立的學科方向。維修產品的質量低於新品。若要確保再製造產品的質量高於新品,則必須按製造的標準進行生產。但是,與製造相比,再製造有更多的科學和技術基礎問題需要獨立解決:1)加工對象更苛刻,製造的對象足經鑄鍛焊、車銑磨、熱處理後的新毛坯,性能均質單一,而再製造的對象是舊毛坯,即報廢的成形零件,存在著尺寸超差、殘餘應力、內部裂紋和表麵變形等一係列缺陷;2)前期處理更繁瑣,製造的毛坯是基本清潔的,很少需要前處理,而再製造的毛坯必須去除汕汙、水垢、鏽蝕層及硬化層:3)質量控製更困難,製造過程的質量控製已趨成熟,再製造毛坯的壽命預測和質量控製,因毛坯損傷的複雜性和特殊性而使其非常困難;4)工藝標準更嚴格,製造過程非常規範,再製造過程中廢舊零件的尺寸變形和表麵損傷程度各不相同,必須采用更高技術標準的加工工藝。

上述特殊的基礎理論和工程需求催生了再製造工程新學科。近年來我國大力推進再製造學科的發展,建立了專門從事再製造研究的國家級重點實驗室一裝備再製造技術國防科技重點實驗室。學科的發展也有力地推動了國家政策的發展。2009年1月,《中華人民共和國循環經濟促進法》生效,該法在第2、笫40及第56條中六次闡述再製造,標誌著再製造已進入國家法律。

3、國內外再製造的最新發展

3.1 國外的最新發展

再製造在歐美發達國家已形成了巨大的產業。2005年全球再製造業產值已超過1000億美元,美國的再製造產業規模最大,達到750億美元,其中汽車和工程機械再製造占2/3以上,約500億美元左右。

美軍高度重視再製造。隸屬於美國國家科學研究委員會的“2010年後國防製造工業委員會”製訂了2010年國防工業製造技術的框架,將武器係統的再製造列為國防工業的重要研究領域。

美軍也是再製造的最大受益者。美空軍B-52戰略轟炸機,1962年生產,1980、1996年兩次再製造,到1997年時平均自然壽命還有13000飛行小時,可服役到2030年;2005年,美空軍完成了269架阿帕奇直升機的再製造,2015年前還將完成750架的再製造。再製造後的阿帕奇直升機成為美軍現役武裝直升機中戰鬥力最強的一種機型。此外,美軍還對CH-47支奴幹運輸直升機、M1A1坦克、布拉德利裝甲車、AV-8B鷂式垂直起降戰鬥機、“民兵”Ⅲ型洲際導彈等完成了再製造。通過再製造,美軍一方麵使大量瀕臨報廢的裝備重新煥發生機,以很低的費用維持了武器裝備的戰備完好率;另一方麵大大提高了現有武器裝備的戰術技術性能,也為先進技術提供了一個十分難得的應用和檢驗的機會。

近年來,日本加強了對工程機械的再製造,至2008年,再製造的工程機械中,58%由日本國內用戶使用,34%出口到國外,其餘的8%拆解後作為配件出售。至2004年,德國大眾汽車公司己再製造汽車發動機748萬台,變速器240萬台,公司銷售的再製造發動機及其配件和新機的比例達到9:1。

歐美國家的再製造,在再製造設計方麵,主要結合具體產品,針對再製造過程中的重要設計要素如拆卸性能、零件的材料種類、設計結構與緊固方式等進行研究:在再製造加工方麵,對於機械產品,主要通過換件修理法ⅰ和尺寸修理法ⅱ來恢複零部件的尺寸,如英國Lister Petter再製造公司,他們每年為英、美軍方再製造3000多台廢舊發動機,再製造時,對於磨損超差的缸套、凸輪軸等關鍵零件都予以更換新件,並不修複。對於電子產品,再製造的內涵就是對仍具有使用價值的零部件予以直接的再利用。如德國柏林工業大學[6]對平板顯示器的再製造就是先將液品顯示器LCD、印刷線路板PCB、冷陰極熒光燈CCFL等關鍵零部件進行拆解,經檢測合格後進行再利用;德國ReMobile公司[7]對移動電話的再製造也是先拆解、再檢測最後再利用;此外還有對數碼相機(日本柯達公司)、打印機墨盒(美國施樂公司)、品牌電腦(美國HP公司)等的再製造也都是以再利用為主。

3.2 國內的最新發展

在再製造政策方麵。1999年6月,徐濱士院士在中國西安召開的“先進製造技術國際會議”上作了《表麵工程與再製造技術》的特邀報告,在中國率先提出“再製造”的概念。

2000年,“再製造工程技術及理論研究”被國家自然科學基金委機械學科列為“十五”優先發展領域,標誌著再製造的基礎研究已經得到了國家的重視和認可;2005年,“資源循環型製造與再製造”又被國家自然科學基金委機械學科列為“十一五”優先發展領域,再製造們學術地位得到進一步鞏固。2005年國家科技部發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》中,再製造成為製造領域的優先發展主題和關鍵技術之一。

2005年7月,國務院頒布的21、22號文件明確表示國家將“支持廢舊機電產品再製造”,並把“綠色再製造技術”列為“國務院有關部門和地方政府加大經費支持力度的關鍵、共性項目之一”;11月,國家發改委等6部委聯合公布了國家首批循環經濟示範試點領域及企業名單,再製造成為4個重點領域之一,發動機再製造企業濟南複強動力有限公司被列為再製造重點領域的試點單位。

2006年4月,時任國務院副總理曾培炎在國家發改委上報的《關於汽車零部件再製造產業發展及有關對策措施建議的報告》上批示:“同意以汽車零部件為再製造產業試點,探索經驗,研發技術。同時要考慮定時修訂有關法律法規”。

2008年3月,國家發改委批準全國14家企業作為新一輪“汽車零部件再製造產業試點企業”,其中包括一汽、東風、上汽、重汽、奇瑞等整車製造企業和濰柴、玉柴等發動機製造企業。

2009年1月,《中華人民共和國循環經濟促進法》正式生效。該法指出:“國家支持企業開展機動車零部件、工程機械、機床等產品的再製造”;並規定“銷售的再製造產品的質量必須符合國家規定的標準,並在顯著位置標識為再製造產品”。

2009年4月,國務院召開全國循環經濟座談會,中共中央政治局常委、國務院副總理李克強,全國政協副主席、科技部部長萬鋼,中國工程院院長徐匡迪等領導出席,特邀9名循環經濟領域的院士和企業家出席會議。徐濱士在會上做了“中國特色的再製造產業發展現狀與對策建議”的發言,重點介紹了中國特色的再製造區別於國外再製造的主要特征、自主研發的再製造高新技術在循環經濟試點企業的應用情況、再製造對節能減排的貢獻、再製造在抵禦全球金融危機方麵發揮的重要作用等內容。徐濱士院士的發言受到李克強副總理的重視,不斷插話、提問題並討論,表現出對再製造的高度關注。

在再製造實踐方麵。僅以裝備再製造技術防科技重點實驗室為例,采用等離子噴塗技術,完成了某型主戰坦克轉向機構重要薄壁零件“行星框架”易熱變形的再製造難題,經六輛坦克的實車考核,再製造行星框架的使用壽命達到新品的三倍,成本僅為新品的1/10,材料消耗為1/100;英國路虎汽車(Land-Rover)的鋁合金發動機缸蓋,服役後出現環形壓槽,造成氣密性下降,英方無法修複,委托重點實驗室解決。采用材料成形與製備一體化技術成功完成了路虎汽車鋁合金發動機缸蓋的再製造,突破了鋁合金材料零件再製造的國際難題,再製造的發動機已投入實車考核,性能穩定。

在再製造產業化萬麵。我因已基本構建了再製造產業,越來越多的專業化再製造企業不斷出現。僅2008年一年,在機械產品領域,就有近30家再製造企業掛牌,如二汽康明斯發動機再製造公司、廣西玉柴發動機再製造公司等。目前,發動機再製造企業濟南複強動力有限公司是我國最大的再製造企業,專門從事斯太爾、康明斯、三菱等種類型號,尤其是重型汽車發動機的再製造。在2005年成為國家循環經濟示範試點企業後,該公司加強了與裝備再製造技術國防科技重點實驗室的合作,將最新的納米表麵工程技術和自動化表麵工程技術應用於生產線,顯著提升了廢舊發動機的再製造水平和再製造率,現已達到年產再製造發動機25000台的能力。我軍對再製造非常重要,近年來在某軍工廠建立了全軍第一條軍用汽車發動機再製造生產線,單班年再製造能力近1萬台,主要進行東風、解放、紅岩、捷達、桑塔納、獵豹等車型的發動機再製造。

在再製造基礎研究方麵。國內許多單位,如裝甲兵工程學院裝備再製造技術國防科技重點實驗室、上海交通大學、合肥工業大學、山東大學、中科院蘭州化物所等,深入開展了再製造的基礎研究。在理論基礎方麵,完善了塗層殘餘應力的計算方法,探索並初步建立了壽命預測評估模型。如:引入均益係數,修正了殘餘應力經典公式Stoney方程[8];研究並初步提出了再製造零部件塗層中殘餘應力的計算方法:以廢舊柴油機曲軸為對象,研究了非線性動力學分析模型,探討了廢舊零部件疲勞試驗數據與模型分析數據的映射關係,初步建立了剩餘壽命預測模型[9];基於金屬磁記憶原理和接觸疲勞壽命評定準則,初步提出了廢舊零部件的剩餘壽命評估和再製造零部件服役壽命預測的方法[10]。在技術基礎方麵,發展、創新了多項再製造關鍵技術,並深入研究了相關的基礎理論。如:研究了高溫條件下Fe-Al金屬問化合物的形成機理,首次將高速電弧噴塗技術與粉芯絲材相結合的方法應用於再製造零部件的表麵修複,實現了Fe-Al(基)金屬問化合物的製備與塗層成形一體化技術[11];發明了一種“雙通道、雙溫區”的超音速等離子噴塗新工藝,解決了塗層熔滴的過熔、夾生及燒損問題[12]:利用具有自主知識產權的高能機械化學法,解決了納米顆粒在多離子溶液體係中的均勻分散與懸浮穩定的難題,實現了納米電刷鍍過程中非導電的納米顆粒與導電的基質金屬鎳的高效共沉積[13];製備了納米軟金屬、納米氧化物及納米稀土化合物等多種性能優異的納米減摩自修複添加劑,初步實現了在裝備運行過程中納米自修複添加劑對磨損部位的原位動態自修複。

4、中國再製造的發展趨勢

再製造作為我國新世紀重點發展起來的新方向,以節約資源能源、保護環境為特色,以綜合利用信息技術、納米技術、生物技術等高科技為核心,充分體現了具有中國特色自主創新的特點。再製造高度契合了構建循環經濟、實施節能減排的戰略需求,必能為循環經濟和節能減排的貫徹實施做出更大貢獻。放眼未來。中國的再製造應從三個方麵予以重點突破,即“探索再製造的科學基礎、創新再製造的關鍵技術、製定再製造的行業標準:

1)探索再製造的科學基礎,即深入探索研究以產品全壽命周期理論、廢舊零件和再製造零部件的壽命評估預測理論等為代表的再製造基礎理論,以揭示產品壽命演變規律的科學本質。再製造是來自實踐的工程科學,經驗性更強。廢舊零件的剩餘壽命是否足夠,再製造零什的使用壽命是否可保持一個完整的服役周期?這樣一些重大問題,由於缺少理論依據,有時僅憑簡單的檢測設備,甚至隻靠工人師傅的目測或經驗判斷來完成。為解決這個重大難題,必須探索研究更多更有效的無損檢測及壽命預測理論與技術。目前的研究已有初步成效,在研究金屬磁記憶理論評估剩餘壽命時,發現金屬磁記憶信號實質是鐵磁材料表麵的雜散磁場信號,通過梳理歸納金屬磁記憶信號在疲勞損傷作用下的分布特征和變化規律,利用金屬磁記憶信號法向分量初步構建了表征鐵磁材料類廢舊零件疲勞裂紋萌生及擴展的剩餘壽命預測模型;在研究聲發射理論預測服役壽命時,通過解決典型聲發射信號特征參量的甄選及其指代信息分析,獲得真實準確的反映再製造零件表麵塗層內部微裂紋萌生、擴展及斷裂等信息,初步實現對再製造零件表麵塗層壽命演變規律的把握。今後在繼續深化上述理論與技術的前提下,還需探索新的理論與技術,通過尋找特征參量來方便快捷地表征壽命規律。

2)創新再製造的關鍵技術,即不斷創新研發用於再製造的先進表麵工程技術群,使再製造零件表麵塗層的強度更高、壽命更長,確保再製造產品的質量達到或超過新品。先後開發成功納米表麵工程技術和自動化表麵工程技術,前者包括納米顆粒複合電刷鍍技術、納米熱噴塗技術、納米減摩自修複添加劑技術等,後者包括自動化電弧噴塗技術、自動化納米顆粒複合電刷鍍技術等。納米表麵工程技術的核心是利用納米顆粒材料的小尺寸效應,通過在塗層或添加劑中的均勻、彌散分布,實現納米顆粒與基質金屬問原子尺度的化學鍵結合,從而顯著提高塗層的強度學和摩擦學性能;自動化表麵工程技術的核心是利用機器人或操作機來取代手工操作,通過自動控製規劃路徑,實時反饋調節塗層成形工藝參數,實現表麵塗層製備的自動化、智能化。上述技術已應用於發動機再製造生產線,如:納米顆粒複合電刷鍍技術成功修複了進口飛機發動機壓氣機葉片,300小時台架試驗滿足要求,突破了對國外進口產品的國產化維修技術瓶頸,再製造費用僅是國外技術費用的1/10;自動化電弧噴塗技術用於重載汽車發動機缸體、曲軸箱體等零件的再製造,單件發動機箱體的再製造時間由90 min縮短為20min,且材料消耗僅為零件本體重量的0.5%,費用投入不超過新品價格的10%。下一步除了繼續完善納米表麵工程技術和自動化表麵工程技術外,還需研發生物表麵工程技術等新的方向。

3)製定再製造的行業標準,即盡早建立係統、完善的再製造工藝技術標準、質量檢測標準等體現再製造走向規範化的標準體係。國內再製造因起步較晚,再製造企業的技術積累少,再製造的標準缺乏,因而一定程度上阻礙了再製造的廣泛應用。2008年,國家標準化管理委員會批準成立了“全國綠色製造標準化技術委員會再製造分技術委員會”,秘書處掛靠裝備再製造技術國防科技重點實驗室。該委員會正陸續製訂並有望近期出台“再製造概念、術語”和“再製造率的概念及評估方法”等共性基礎標準。同時,國內相關高等院校和再製造企業正在聯合製定“再製造技術工藝標準、再製造質量檢測標準、再製造產品認證標準”等多類標準草案,包括:再製造發動機工藝流程標準、發動機再製造產品性能評價與質量檢測標準、廢舊發動機零件剩餘壽命評估標準、再製造的關鍵零件(曲軸、缸體、凸輪軸、連杆軸等)質量檢測標準、再製造發現機試車考核標準等。下一步應深化標準內涵,製定出具有良好通用性和可操作性的標準方案。

5 、結論

1)中國構建了包括再製造在內的“4R”體係,再製造是廢舊產品高技術修複、改造的產業化。再製造的重要特征是再製造產品質量和性能不低於新品,有些還能超過新品,成本隻是新品的50%,節能60%,節材70%,對環境的不良影響顯著降低。可概括為:“兩型社會”、“五六七”。

2)中國特色的再製造來源於維修,是維修發展的高級階段,也是先進製造的重要組成,但是與維修和製造相比,再製造蘊含著更深的科學理論和更高的技術基礎。再製造已創造出了巨大的經濟和社會效益。

3)再製造在中國得到快速發展,再製造不僅進入了國家法律,而且在產業化實踐利基礎研究等方麵均取得了良好的階段性成果,中國已成為國際再製造中心之一,在國際再製造領域發揮著重要作用。

4)為推動再製造的進一步發展,今後可圍繞“探索再製造的科學基礎、創新再製造的關鍵技術、製定再製造的行業標準”等方麵展開工作。



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