基于ProE的HF15016车桥再制造设计说明书.docx

基于ProE的HF15016车桥再制造设计说明书.docx

《基于ProE的HF15016车桥再制造设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ProE的HF15016车桥再制造设计说明书.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于ProE的HF15016车桥再制造设计说明书

目录

摘要:

2

Abstmct3

1引言4

2国内外工程机械再制造的发展6

2.1目前国外再制造业的发展概况6

2.2目前国内再制造业的发展概况7

3再制造设计及加工方法8

3.1再制造设计基本流程9

3.2产品再制造性分析10

3.2.1技术可行性11

3.2.2经济可行性12

3.2.3环境可行性12

3.3再制造的加工方法13

3.3.1失效零件再制造加工的条件13

3.3.2再制造加工方法分类与选择14

3.4失效零件的机械加工恢复法15

3.4.1机械加工恢复法的特点15

3.4.2再制造修理尺寸法16

3.4.3钳工再制造恢复法17

3.4.4镶加零件法17

3.4.5局部更换法17

3.4.6换位法17

3.4.7塑性变形法17

4车桥HF15016的再制造设计19

4.1车桥的Pro/E的建模19

4.2UG对车壳进行结构强度分析21

4.3计算结果及分析22

4.4改进方案24

结论26

致谢27

参考文献28

基于Pro/E的HF15016车桥的再制造设计

摘要:

再制造是实现节能减排的重要措施，是促进循环经济发展的有效途径。

工程机械行业的再制造将会以废旧的工程机械产品为对象，通过现代技术与工艺加工，在规范的市场运作下，最大限度地开发利用其中蕴涌的材料、能源及经济附加值等财富，使其成为有较高品位可以使用的资源，以达到节能、节材、保护环境等目的，从而支持社会的可持续发展。

本文是通过基于三维软件Pro/E的基础上对HF15016车桥的再制造的设计来研究再制造的设计思路，设计方法以及设计过程。

在了解车桥整体结构的基础上，设计出便于进行再制造的新车桥，从而验证再制造的好处，对可持续发展的作用，为工程机械行业全面实施绿色再制造工程提供有力依据。

关键词：

再制造；车桥；Pro/E；可持续发展。

BasedonThree-dimensionalSoftwarebyPro/EontheBasisofHF15016AxleRemanufacturingDesigned

Abstmct：

Remanufacturehasbecomeavitalmeasureforenergysaveandmissionreduction，aeffectivewaytopromotecyclingeconomy.Remanufacturingistogeneratereusableresourcesfromthewastemachinesbymoderntechnologiesandprocessmethods,whichcancreatenewwealthbyexploringnewmaterials,newresourcesandcessionaleconomyvalues.Itcanrealizethepurposeofsavingenergy,savingmaterialsandprotectingtheenvironment,soitwillimpelthesustainabledevelopmentofoursociety.Thisarticleisbasedonthree-dimensionalsoftwarebyPro/EonthebasisofHF15016axleremanufacturingdesignedtostudyre-createdesignideas,designmethodsanddesignprocess.Inunderstandingtheoverallstructureofthebridgebasedonthere-designedtofacilitatemanufactureofnewcarbridge,whichverifiesthebenefitsofremanufacturing,theroleofsustainabledevelopment,forthefullimplementationofgreenconstructionmachineryindustryprovideastrongbasisforfurthermanufacturingengineering.

Keywords:

Remanufacture;Axle;Pro/E;SustainableDevelopment.

1引言

再制造工程是以机电产品全寿命周期设计和管理为指导，以废旧机电产品实现性能跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧机电产品进行修复和改造的系列技术措施或工程活动的总称［1］。

再制造作为一种最优化资源回收循环方式，通过采用表面工程等先进技术进行再制造，实现了制造产品的循环使用。

先进技术在再制造中的使用可以实现产品性能升级和功能改造，可以进一步提高再制造产品的品质。

RE是一个系统工作，应当从产品设计入手。

产品设计决定了其再制造阶段中诸多因素，如关键零部件的结构布局、材料属性、修复部位，等等。

这些因素占再制造总成本的70％以上。

在设计阶段即考虑产品自身的再制造性，可将再制造要求很好地融入产品设计需求，对于提高产品整体资源利用率，减少其环境影响具有重大意义。

对于产品再制造设计，国外已有许多研究成果，并已投入工程应用。

Donna等学者提出一种在市场分割基础上通过产品组合方式的产品部件再制造模型；Eyal等学者基于Petri网理论研究并建立了一套最优适应性的产品再制造拆卸模型；Reyes等学者研究了再制造零部件的可靠性评价；Okumas等学者基于再制造理论对产品进行了生命周期内的设计优化。

国内该领域研究集中于再制造工艺技术，例如，钟俊杰［2］等学者基于DFA建立了产品的RD评价体系；高晶［3］等学者运用有限元模型对汽车驱动桥壳进行疲劳寿命预估。

以上再制造研究，大部分只是针对于零件再制造生产过程进行分析研究，从产品设计角度考虑分析产品再制造性尚有不足，主要体现在以下方面。

（１）研究中尚未确定再制造性指标，没有形成再制造性的分配及评价方法，没有形成再制造性验证方案，缺乏具有较强适应性的产品及其关键零部件再制造性能分析与评价体系；

（２）再制造性作为产品的本身特性，与可靠性、维修性等具有非常紧密的联系，其分析及向设计过程反馈尚处于定性分析阶段，还没有形成有效的再制造设计体系。

从产品优化设计角度出发，通过对拆卸关键零部件的再制造性分析，建立关键零部件再制造性分析模型，获取设计因素与再制造拆卸特性之间的映射关系，应用ＭＲ寻找能够有效表达产品再制造性的可控设计要素，进而通过搜索产品设计方案中的最佳设计因素，使其具有最优的再制造性。

产品再制造性是通过再制造达到规定性能，获取原产品价值的能力。

再制造设计是新产品再制造性设计、废旧产品再制造性评价，以及再制造加工仿真，最终形成最优化再制造方案的设计过程，分析、描述及评估是其关键步骤。

为有效且准确地分析评估产品的再制造性，需要建立由技术性、经济性、环境性等指标组成的产品再制造性评价指标体系。

技术性是指产品再制造工艺技术的可行性，主要体现在再制造工艺的可靠性与效率；经济性是指产品再制造的成本及利润，主要体现在再制造工艺流程中的消耗（包括再制造毛坯、拆卸及清洗成本、修复成本，等等）；环境性是指在再制造流程中所产生的资源和环境消耗，主要体现在再制造工艺的资源消耗（原材料、水电等）成本和“二次污染”的处理成本。

RAIS将产品设计信息参数与再制造特性进行关联分析，提取对再制造特性影响较大的关键设计参数，进行产品再制造性映射分析，得到基于关键设计信息的产品再制造性量化评估模型。

基于产品再制造性评价指标体系及其产品再制造性量化评估模型，可以对产品进行再制造优化设计。

将再制造优化设计主要分为3个阶段：

一是基于产品的初始设计方案进行再制造仿真模拟分析，运用产品再制造性量化评估模型将再制造特性与设计进程相关联，提取出再制造关键设计参数，对再制造性深入量化分析评估，建立起关键设计参数与产品再制造性之间的定量化关系；二是将再制造关键设计参数视为所需优化对象，通过定量化关系所描述的再制造性视为优化目标函数，产品其他设计约束视为优化约束函数，建立起面向再制造性的多约束设计优化模型；三是将优化后的再制造关键设计参数反馈到产品初始设计方案，对改进后的设计方案进行再制造性评估，通过反复优化形成反馈设计模型，最终得到具有良好再制造性的产品设计方案。

2国内外工程机械再制造的发展

2.1目前国外再制造业的发展概况

国外从20世纪80年代就已经开始了再制造工程，世界最大工程机械提供商美国cat公司占总产值20%的产品属于再制造型产品，从设计阶段就考虑产品的可回收性、再制造性，卖出去的产品可以以旧换新，回收再利用，这一举措给用户以安全感，大大提高了企业信誉度和市场竞争力[4]。

美国于20世纪90年代建立了国家再制造与资源回收中心、再制造研究所以及再制造工业协会。

据美国波士顿大学罗伯特教授于1996年统计12196年美国专业再制造公司已超过7.3万家，雇员48万人，生产46种再制造产品，每年的销售额超过530亿美元。

美国的再制造商数据库中有84种不同种类的产品能够被再制造，包括汽车配件、医疗诊断用磁共振图像设备、复印机等。

美国还制定了详细的中长期规划，到2010年时，保证100%再制造产品性能达到或超过原产品;到2020年时，再制造业基本实现零消费，并确保产品的质量和服务。

在美国，早已有工程机械再制造企业，如位于美国南部得克萨斯州首府达拉斯市的HOSS公司，其占地面积约66670平方米。

该公司以相当于新机械60%的价格出售再制造的机器，很受用户欢迎。

工程机械巨头卡特彼勒公司在全国有9家再制造工厂，雇员2500多人，已成为全球最大的工业“再制造商”之一。

用过的柴油发动机、卡车传输装置和其他重型设备组件，经过卡特彼勒公司的“再制造”，被赋予了新生命。

它们被贴上了新价签，并附上了新质量保证书，再次投放市场。

与那些刚刚下线的全新产品不同，经过“再制造”的产品价格仅为前者的一半，因而赢得了更多买主的青睐。

卡特彼勒之所以努力潜心经营“再制造”部门，主要是看中了“再制造”产品的低成本和高增长率。

由于全球原材料价格上涨和供应短缺，许多制造行业的利润空间受到挤压。

但“再制造”产品却不受原材料的限制，而且价格低廉，使市场大大拓宽。

卡特彼勒公司首席执行官詹姆斯.欧文斯认为，“再制造”产品具有很大的潜在的增长率，在未来几年里年增长率可达到10%到15%。

正因如此，卡特彼勒公司一步步扩充了“再制造”的领域。

2004年3月，卡特彼勒定下计划，将“再制造”触角延伸到除本公司之外的其他公司产品;8月份，它买下了两家为汽车行业服务的“再制造”;11月份，卡特彼勒在英国的一家工厂重新开张，并改造成“再制造”军用坦克、火车引擎和卡车传输装置的工厂。

目前，卡特彼勒公司也已经在上海开始建立工程机械类的再制造公司，这一举措将大大的促进工程机械再制造行业在全球范围内的发展与壮大。

小松、日立建机等工程机械厂商，纷纷开设专业的工程机械再生厂，或与其它的专业再生厂、再生件经销商（专门从事收购旧机、出售再生件业务）建立联营网络，开展工程机械再生经营，以此拓宽经营门类，弥补因新机销售不旺造成的利润损失。

如日立建机株式会社，年收购旧的工程机械约6000台，经专业厂整机修复或拆卸零部件修复后，由再生件经销商出售。

据1本建设机械工业会调查，1998年日本有9万多台废旧工程机械，其中58%的整机经修复再生后由国内用户使用;34%的整机输出到国外，由国外用户修复使用;8%的整机拆下可修复件，由专业再生件厂进行修复再生，作为再生配套件出售。

2.2目前国内再制造业的发展概况

我国对再制造工程的研究与应用尚处于起步阶段，目前正规的发动机再制造公司仅有两家，它们分别为济南复强动力有限公司和上海大众汽车有限公司。

两家公司均是高起点、专业化的具有国际水准的汽车发动机再制造公司，其生产的再制造发动机具有同新机相同的质量和售后服务，而价格仅为新机的55%，它们起点较高但其规模和能力远远满足不了我国废旧机电产品资源化的需求。

绿色再制造工程在我国尚属一个崭新的研究领域，很多项目主要集中在再制造单项技术的研究，还远没有形成规模产业化。

再制造作为一种变革传统生产方式、生活方式的社会经济活动，在节能节材、保护环境和走可持续发展道路方面具有重要意义。

从长远来看，再制造工程是人类生存和发展的必然选择。

据初步调查，到目前为止，我国工程机械行业还没有建立专业的工程机械再制造研究部门与生产企业，许多废旧的工程机械产品被闲置或报废。

同时，在当前我国开展再制造资源化存在的主要问题是:

旧品回收的逆向物流不健全;资源化技术手段落后;回炉再循环、再利用和再制造重视不够，资源化水平低;产业化程度不高等。

其原因主要是政策法规不完善，责任制和付费机制未建立，技术开发和理论研究滞后，企业和公众认识不足，参与意识不强。

如何从国家创新体系建设的全局出发，实施自主创新，发挥好基础研究和应用基础研究对产业技术发展的支撑和引领作用，增强工程机械在国际市场的核心竞争力，是目前工程机械行业需要思考和迫切解决的难题。

3再制造设计及加工方法

RE既不同于维修，又不同于回收利用。

再制造是将大量已报废或即将报废的装备拆卸后，按零部件的类型进行检测，以有再制造价值的零部件为毛坯，利用高新修复技术进行批量化修复，恢复并提升零部件性能。

最后，将再制造后的各种零部件按与新品制造过程相似的严格装配工艺完成装配，以及试验检测，使其技术性能达到甚至超过新装备[4]（见图3-1）[7]。

图3-1再制造工程主要内容

图1中的再制造流程主要是指将废旧产品基于其各自的回收体系回收集中到再制造单位，通过再制造工艺流程（拆卸、分类检测、再制造加工修复、再装配及产品检测），对废旧产品进行再制造加工利用，最终形成再制造新产品，并通过其再制造产品销售物流进入消费市场中。

其中，再制造工艺流程即是指对废旧产品拆卸检测，将其中有价值的零部件进行再制造加工修复，并与部分新零部件再装配，形成合格的再制造新产品的过程（见图3-2）[7]。

3.1再制造设计基本流程

再制造设计，是指根据RE的要求，运用科学决策方法，进行新产品再制造性设计、废旧产品再制造性评价，以及再制造加工仿真，最终形成最优化再制造方案的过程。

再制造设计包含了产品再制造工程的各个阶段［5］。

在产品设计阶段考虑产品报废后再制造工艺阶段（见图3-2）的各个因素，通过设计优化，赋予产品最大的再制造性，使产品易于再制造，减少再制造成本；同时确定出最优（经济收益、产品性能、环境污染）的再制造工艺方案。

图3-2再制造工艺流程

在产品再制造设计中，首先应当分析产品设计方案的再制造流程，预测设计方案的再制造性，进行再制造性分析。

设计信息是设计过程进行的依据，也是再制造性的基础。

基于其所提供相关设计参数，进行再制造性分析，提取出关键设计参数（PR）及其与产品再制造性间的映射关系（Γ（PR）），构建相应再制造性的评估模型；同时通过调控关键设计参数（PR）进行面向再制造的产品优化设计，并对所得方案进行再制造性评估，最终形成产品设计的初步优化方案（见图3-3）[7]。

3.2产品再制造性分析

一般来讲，再制造性是由产品设计方案赋予的，使其在再制造中能够获取最大效益的一种固有属性，可以定量和定性的描述；并取决于产品的结构参数、退役情况、再制造条件。

合肥工业大学刘志峰、宋守许等提出产品再制造性指标体系（见图3-4），对产品设计的再制造性进行合理的分析、预测与评价[7]。

图3-3再制造设计流程

图3-4产品再制造性评价指标体系

3.2.1技术可行性　

再制造工艺过程一般包括拆卸、清洗、分类检测、修复（Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）、零件检测、再装配、整体检测。

这7个主要工艺其各自的技术水平均不相同，因此选用3个最具再制造性的工艺流程（拆卸、检测、修复），并建立相应得评估指标。

技术型指标T体现着该工艺可行性的大小，即与工艺速率v和时间t有关。

v越大，所耗费时间t越少，表明工艺技术越稳定，则技术可行性越好。

可表示为

（3-1）

式中，T为产品总的再制造技术性指标，T＞0；TD为拆装工艺阶段的再制造技术性指标；TE为检测工艺阶段的再制造技术性指标；TR为修复工艺阶段的再制造技术性指标；tD为拆卸工艺的再制造工艺时间；tE为检测工艺的再制造工艺时间；tR为修复工艺的再制造工艺时间；tA为再装配工艺的再制造工艺时间；tO为辅助工艺的再制造工艺时间；t＞0，当t→∞时则表示该阶段技术工艺无法实现。

3.2.2经济可行性　

再制造中经济方面主要体现在3个方面：

零件本身的价值，再制造的制造成本，其他的附加成本（包装、运输等）。

经济性指标体现着再制造本身的利润，由于产品本身价值的不变，即经济性指标与再制造过程中的成本消耗有关。

消耗成本越多，经济可行性越差。

可表示为

（3-2）

式中，E为产品总的再制造经济性指标，E＞0；Ev为废品收购阶段的经济性指标；ED为拆装工艺阶段的经济性指标；EE为检测工艺阶段的经济性指标；ER为修复工艺阶段的经济性指标；EO为辅助阶段的经济性指标；

为报废产品成本；

为拆卸工艺阶段的成本；

为检测工艺阶段的成本；

为修复工艺阶段的成本；

为再装配工艺阶段的成本；

为辅助阶段的成本；e＞0。

3.2.3环境可行性

再制造环境影响主要集中在制造过程中的“二次污染”及相应的资源消耗方面。

为便于量化评估，可以将环境影响单纯定为处理“二次污染”和资源消耗的成本问题，即污染处理和资源消耗成本越大，环境可行性越差。

可表示为

（3-3）

式中，En为产品总的再制造环境性指标，En＞0EnR为资源消耗方面的环境性指标；EnE为环境污染方面的环境性指标；CR为再制造过程中的资源（如原材料、水电等）消耗；CE为“二次污染”（废气、废液等）的处理消耗；C＞０。

由上述再制造性评价指标可以看出，产品再制造特性可以看作是产品再制造各阶段再制造特性有效耦合形成的，其分析及评估取决于对产品再制造工艺流程中各阶段的再制造特性。

要对其再制造特性进行准确且高效的预测，则需采用准确和可靠性都较高的方法及手段获取再制造个阶段再制造特性的各项数据，如可采取少量实体实验附加大量仿真实验。

相对地说，该评价指标亦可细化到针对产品再制造某一阶段的再制造特性进行分析评估，借以得到产品某一再制造阶段的再制造性，并进行相应的工艺规划或设计优化，如针对产品再制造拆卸阶段分析，进行优化设计，以提高其再制造拆卸特性。

3.3再制造的加工方法

失效零件的再制造加工是保证再制造产品质量、降低再制造费用的核心内容。

退役的机械设备再制造拆解后，有大量的零件因磨损、腐蚀、氧化、刮伤、变形等原因而失去其原有的尺寸及性能要求，无法再直接使用[8]。

采用先进合理的再制造加工工艺对这些废旧失效零件进行再制造加工，恢复其几何尺寸要求及性能要求，可以有效地减少原材料、新备件的消耗。

降低废旧机械设备再制造过程中的投入成本，必要时还可以解决难以从国外进口的备件缺乏问题。

实际上大多数失效的金属零部件可采用再制造加工工艺性能恢复。

而且通过先进的表面工程技术，还可以使恢复后的零件性能达到甚至超过新的零件。

如采用等离子热喷涂技术修复的曲轴，因轴颈耐磨性能的提高可以使其寿命超过新轴；采用等离子堆焊技术修复的发动机阀门，寿命可达到新品的2倍以上；采用低真空熔敷技术修复的发动机排气阀门，寿命相当于新品的3～5倍。

3.3.1失效零件再制造加工的条件

并非所有拆解后失效的废旧零件都适于再制造加工恢复。

一般来说，失效零件可再制造要满足下述条件。

1）再制造加工成本要明显低于新件制造成本。

再制造加工主要针对附加值比较高的核心零件进行，对低成本的易耗件一般直接进行换件。

但当针对某类废旧产品再制造且无法获得某个备件时，则针对该备件的再制造则通常不把成本问题放在首位，而是通过对该零件的再制造加工来保证整体产品再制造的完成。

2）再制造件要能达到原件的配合精度、表面粗糙度、硬度、强度、刚度等技术条件。

3）再制造后零件的寿命至少能维持再制造产品使用的一个最小寿命周期，满足再制造产品性能不低于新产品的要求。

4）失效零件本身成分符合环保要求，不含有环境保护法规中禁止使用的有毒有害物质。

随着时代发展的要求，环境保护更被重视和加强，同一零件在再制造时受到更多环境法规的约束，许多原产品制造中允许使用的物质可能在再制造产品中不允许继续使用，则针对这些零件不进行再制造加工。

失效零件的再制造加工恢复技术及方法涉及到许多学科的基础理论，诸如金属材料学、焊接学、电化学、摩擦学、腐蚀与防护理论以及多种机械制造工艺理论。

失效零件的再制造加工恢复也是一个实践性很强的专业，其工艺技术内容相当繁多，实践中没有一种万能技术可以对各种零件进行再制造加T恢复。

而且对于一个具体的失效零件，经常要复合应用几种技术才能使失效零件的再制造取得良好的质量和效益。

3.3.2再制造加工方法分类与选择

废旧产品失效零部件常用的再制造加工方法可以按照图3-5进行分类[9]。

再制造加丁T艺选择的基本原则是工艺的合理性。

所谓合理是指在经济允许、技术具备、环保符合的情况下，所选丁艺要尽可能满足对失效零件的尺寸及性能要求，达到质量不低于新品的目标。

主要须考虑以下因素：

1）再制造加工工艺对零件材质的适应性；

2）各种恢复用覆层工艺可修补的厚度；

3）各种恢复用覆层与基体结合强度；

4）恢复层的耐磨性；

5）恢复层对零件疲劳强度的影响；

6）再制造加工技术的环保性。

图3-5失效零件的再制造加工方法

3.4失效零件的机械加工恢复法

3.4.1机械加工恢复法的特点

零件再制造恢复中，机械加工恢复法是最重要、最基本的方法，目前在国内外再制造厂生产中得到了广泛的应用。

多数失效零件需要经过机械加1二来消除缺陷，最终达到配合精度和表面粗糙度等质量要求。

它不但可以作为一种独立的工艺手段获得再制造修理尺寸，直接恢复零件尺寸和形状精度，而且也是其他再制造加T方法操作前的T艺准备和最后加工不可缺少的工序。

再制造恢复旧件的机械加工与新制件加工相比较，有其不同的特点。

新产品制造过程中的生产过程一般是先根据设计选用规定的材料，然后用铸造、锻造或焊接等方法将材料制作成零件的毛坯（或半成品），再经金属切削加工制成符合尺寸精度要求的零件，最后将零件装配成为产品。

而再制造过程中的机械加T所面对的对象是废旧或经过表面工程处理的零件，通过机械加工来修复它的尺寸及性能。

其加1=对象是失效的定型零件，一般加工余量小，原有基准多已破坏，给装夹定位带来困难。

另外待加工表面性能已定，一般不能用工序来调整，只能以加工方法来适应它。

失效件的失效形式多样，加工表面多样，给组织生产带来困难。

所以失效件的再制造加工具有个体性、多变性及技术先进性等特点。

3.4.2再制造修理尺寸法

在失效件的再制造恢复中，再制造后达到原设计的尺寸和其他技术要求，称为标准尺寸再制造恢复法。

一般采用表面工程技术可以实现标准尺寸再制造恢复。

再制造时不考虑原来的设计尺寸，采用切削加工或其他加工方法恢复其形状精度、位置精度、表面粗糙度和其他技术条件，从而获得一个新尺寸，称为再制造的修理尺寸。