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                         國內外再制造的新發展及未來趨勢

                                              徐濱士
               
              摘要:再制造是維修發展的高級階段,是先進制造的重要組成,是廢舊產品高技術修復、改造的產業化;再制造具有“兩型社會、五六七”的特征。我國經濟社會發展對再制造具有十分迫切的需求,再制造的初步應用也已取得了非常明顯的節能減排效果。國際上,美國的再制造體系較完善,近10年來,中國的再制造發展迅猛,在再制造的政策法規、產業實踐及基礎研究方面成績斐然,已成為世界再制造中心之一。再制造的未來發展可概括為“探索再制造的科學基礎、創新再制造的關鍵技術、制定再制造的行業標準”。
                  關鍵詞:再制造工程;研究現狀;發展趨勢
                  1、再制造的內涵與研究范圍
                  20世紀的100年,人類創造的物質財富超過了以往5000年的歷史總和,但也極端消耗了地球資源,超出了大自然的恢復能力。為了緩解有限資源和過度消耗之間的矛盾,最大限度地利用廢舊產品的剩余價值,20世紀90年代,美國從產業角度建立了3R體系(Reuse再利用、Recycle再循環、Remanufacture再制造);日本從環境保護的角度也建立了3R體系(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體系(Reduce減量化、Reuse再利用、Recycle再循環、Remanufacture再制造)。
                  再制造以廢舊產品的零部件為毛坯,主要以先進的表面工程技術為修復手段(即在損傷的零件表面制備一薄層耐磨、耐蝕、抗疲勞的表面涂層),因此無論是毛坯來源還是再制造過程,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。再制造具有如下重要特征:再制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”。
                  再制造的出現,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。再制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污染問題。因此,再制造是對產品全壽命周期的延伸和拓展,賦予了廢舊產品新的壽命,形成了產品的多壽命周期循環。這是面向循環經濟的再制造的重要理論成果。
                  再制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,要考慮產品的再制造性設計;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余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面涂層的設計、制備與加工,以及對表面涂層和零部件尺寸超差部位的機械平整加工及質量控制等。
                  2、再制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,再制造勢在必行。目前全國役齡10年以上的傳統舊機床超過200萬臺,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1600萬臺,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制造的巨大潛力。
                  我國在役機械裝備的運行損失十分驚人,再制造勢在必行。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年全國因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%,而發達國家只達到4-5%。若能采取有效的修復及再制造等措施挽回10%的損失,則每年可節約1550億元。
                  再制造的社會效益十分巨大。與相關制造業比,再制造業的就業人數是其1-3倍。2005年,美國再制造業的年產值為750億美元,雇傭員工100萬,同年,美國計算機制造業的產值與此相當,雇傭員工只有35萬,說明再制造業具有顯著的創造就業與再就業的能力。
                  再制造的資源與環境效益同樣十分巨大。據美國《再制造工業發展報告》統計,每再制造1公斤的新材料,可以節省5-9公斤的原材料,每年全世界通過再制造節省的材料達到1400萬噸,可以裝滿23萬節火車車廂;再制造產品的能耗僅為新品生產的15%,全世界每年通過再制造可節省1600萬桶原油,相當于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,新制造1輛汽車的能耗是再制造的6倍,新制造1臺汽車發電機的能耗是再制造的7倍,新制造1臺汽車發動機的能耗是再制造的11倍。據對我國第一家再制造領域的循環經濟示范試點企業濟南復強再制造公司的數據統計,若每年再制造5萬臺斯泰爾發動機,則可節省3.825萬噸金屬,回收附加值16.15億元,節電7250萬度,實現利稅1.45億元,減少CO2排放3000噸[4]。
                  中國特色的再制造來源于維修,是維修發展的高級階段;同時,再制造是先進制造的組成部分,屬于綠色制造。但是,再制造又明顯區別于維修和制造,具有自身獨立的學科方向。維修產品的質量低于新品。若要確保再制造產品的質量高于新品,則必須按制造的標準進行生產。但是,與制造相比,再制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,制造的對象是經鑄鍛焊、車銑磨、熱處理后的新毛坯,性能均質、單一,而再制造的對象是舊毛坯,即報廢的成形零件,存在著尺寸超差、殘余應力、內部裂紋和表面變形等一系列缺陷;2)前期處理更繁瑣,制造的毛坯是基本清潔的,很少需要前處理,而再制造的毛坯必須去除油污、水垢、銹蝕層及硬化層;3)質量控制更困難,制造過程的質量控制已趨成熟,再制造毛坯的壽命預測和質量控制,因毛坯損傷的復雜性和特殊性而使其非常困難;4)工藝標準更嚴格,制造過程非常規范,再制造過程中廢舊零件的尺寸變形和表面損傷程度各不相同,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制造工程新學科。近年來我國大力推進再制造學科的發展,建立了專門從事再制造研究的國家級重點實驗室--裝備再制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、第40及第56條中六次闡述再制造,標志著再制造已進入國家法律。
                  3、國內外再制造的最新發展
                  3.1國外的最新發展
                  再制造在歐美發達國家已形成了巨大的產業。
              2005年全球再制造業產值已超過1000億美元,美國的再制造產業規模最大,達到750億美元,其中汽車和工程機械再制造占2/3以上,約500億美元左右。
                  美軍高度重視再制造。隸屬于美國國家科學研究委員會的“2010年后國防制造工業委員會”制訂了2010年國防工業制造技術的框架,將武器系統的再制造列為國防工業的重要研究領域。
                  美軍也是再制造的最大受益者。美空軍B-52戰略轟炸機,1962年生產,1980、1996年兩次再制造,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制造,2015年前還將完成750架的再制造。再制造后的阿帕奇直升機成為美軍現役武裝直升機中戰斗力最強的一種機型。此外,美軍還對CH-47支奴干運輸直升機、M1A1坦克、布拉德利裝甲車、AV-8B鷂式垂直起降戰斗機、“民兵”Ⅲ型洲際導彈等完成了再制造。通過再制造,美軍一方面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;另一方面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[5]。
                  近年來,日本加強了對工程機械的再制造,至2008年,再制造的工程機械中,58%由日本國內用戶使用,34%出口到國外,其余的8%拆解后作為配件出售。至2004年,德國大眾汽車公司已再制造汽車發動機748萬臺,變速器240萬臺,公司銷售的再制造發動機及其配件和新機的比例達到9:1。
                  歐美國家的再制造,在再制造設計方面,主要結合具體產品,針對再制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;在再制造加工方面,對于機械產品,主要通過換件修理法和尺寸修理法來恢復零部件的尺寸,如英國ListerPetter再制造公司,他們每年為英、美軍方再制造3000多臺廢舊發動機,再制造時,對于磨損超差的缸套、凸輪軸等關鍵零件都予以更換新件,并不修復。對于電子產品,再制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]對平板顯示器的再制造就是先將液晶顯示器LCD、印刷線路板PCB、冷陰極熒光燈CCFL等關鍵零部件進行拆解,經檢測合格后進行再利用;德國ReMobile公司[7]對移動電話的再制造也是先拆解、再檢測最后再利用;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)等的再制造也都是以再利用為主。
                  3.2國內的最新發展
                  我國再制造產業發展雖晚,但勢頭非常好,目前已成為世界上最重要的再制造中心之一,而且在基礎理論研究與技術應用開發方面走在了世界前列。
                  在再制造政策方面。1999年6月,徐濱士院士在中國西安召開的“先進制造技術國際會議”上作了《表面工程與再制造技術》的特邀報告,在中國率先提出“再制造”的概念。
                  2000年,“再制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,標志著再制造的基礎研究已經得到了國家的重視和認可;2005年,“資源循環型制造與再制造”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,再制造的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,再制造成為制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制造”,并把“綠色再制造技術”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范試點領域及企業名單,再制造成為4個重點領域之一,發動機再制造企業濟南復強動力有限公司被列為再制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《關于汽車零部件再制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制造產業試點,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“汽車零部件再制造產業試點企業”,其中包括一汽、東風、上汽、重汽、奇瑞等整車制造企業和濰柴、玉柴等發動機制造企業。
                  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、機床等產品的再制造”;并規定“銷售的再制造產品的質量必須符合國家規定的標準,并在顯著位置標識為再制造產品”。
                  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“中國特色的再制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制造區別于國外再制造的主要特征、自主研發的再制造高新技術在循環經濟試點企業的應用情況、再制造對節能減排的貢獻、再制造在抵御全球金融危機方面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、提問題并討論,表現出對再制造的高度關注。
                  在再制造實踐方面。僅以裝備再制造技術國防科技重點實驗室為例,采用等離子噴涂技術,完成了某型主戰坦克轉向機構重要薄壁零件“行星框架”易熱變形的再制造難題,經六輛坦克的實車考核,再制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,服役后出現環形壓槽,造成氣密性下降,英方無法修復,委托重點實驗室解決。采用材料成形與制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制造,突破了鋁合金材料零件再制造的國際難題,再制造的發動機已投入實車考核,性能穩定。
                  在再制造產業化方面。我國已基本構建了再制造產業,越來越多的專業化再制造企業不斷出現。僅2008年一年,在機械產品領域,就有近30家再制造企業掛牌,如二汽康明斯發動機再制造公司、廣西玉柴發動機再制造公司等。目前,發動機再制造企業濟南復強動力有限公司是我國最大的再制造企業,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制造。在2005年成為國家循環經濟示范試點企業后,該公司加強了與裝備再制造技術國防科技重點實驗室的合作,將最新的納米表面工程技術和自動化表面工程技術應用于生產線,顯著提升了廢舊發動機的再制造水平和再制造率,現已達到年產再制造發動機25000臺的能力。
              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,再制造成為制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制造”,并把“綠色再制造技術”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范試點領域及企業名單,再制造成為4個重點領域之一。
                  2006年4月,時任國務院副總理曾培炎在國家發改委上報的《關于汽車零部件再制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制造產業試點,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“汽車零部件再制造產業試點企業”,其中包括一汽、東風、上汽、重汽、奇瑞等整車制造企業和濰柴、玉柴等發動機制造企業。
                  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、機床等產品的再制造”;并規定“銷售的再制造產品的質量必須符合國家規定的標準,并在顯著位置標識為再制造產品”。
                  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“中國特色的再制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制造區別于國外再制造的主要特征、自主研發的再制造高新技術在循環經濟試點企業的應用情況、再制造對節能減排的貢獻、再制造在抵御全球金融危機方面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、提問題并討論,表現出對再制造的高度關注。
                  在再制造實踐方面。僅以裝備再制造技術國防科技重點實驗室為例,采用等離子噴涂技術,完成了某型主戰坦克轉向機構重要薄壁零件“行星框架”易熱變形的再制造難題,經六輛坦克的實車考核,再制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,服役后出現環形壓槽,造成氣密性下降,英方無法修復,委托重點實驗室解決。采用材料成形與制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制造,突破了鋁合金材料零件再制造的國際難題,再制造的發動機已投入實車考核,性能穩定。
                  在再制造產業化方面。我國已基本構建了再制造產業,越來越多的專業化再制造企業不斷出現。僅2008年一年,在機械產品領域,就有近30家再制造企業掛牌,如二汽康明斯發動機再制造公司、廣西玉柴發動機再制造公司等。目前,發動機再制造企業濟南復強動力有限公司是我國最大的再制造企業,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制造。在2005年成為國家循環經濟示范試點企業后,該公司加強了與裝備再制造技術國防科技重點實驗室的合作,將最新的納米表面工程技術和自動化表面工程技術應用于生產線,顯著提升了廢舊發動機的再制造水平和再制造率,現已達到年產再制造發動機25000臺的能力。
              今后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)創新再制造的關鍵技術,即不斷創新研發用于再制造的先進表面工程技術群,使再制造零件表面涂層的強度更高、壽命更長,確保再制造產品的質量達到或超過新品。先后開發成功納米表面工程技術和自動化表面工程技術,前者包括納米顆粒復合電刷鍍技術、納米熱噴涂技術、納米減摩自修復添加劑技術等,后者包括自動化電弧噴涂技術、自動化納米顆粒復合電刷鍍技術等。納米表面工程技術的核心是利用納米顆粒材料的小尺寸效應,通過在涂層或添加劑中的均勻、彌散分布,實現納米顆粒與基質金屬間原子尺度的化學鍵結合,從而顯著提高涂層的強度學和摩擦學性能;自動化表面工程技術的核心是利用機器人或操作機來取代手工操作,通過自動控制規劃路徑,實時反饋調節涂層成形工藝參數,實現表面涂層制備的自動化、智能化。上述技術已應用于發動機再制造生產線,如:納米顆粒復合電刷鍍技術成功修復了進口飛機發動機壓氣機葉片,300小時臺架試驗滿足要求,突破了對國外進口產品的國產化維修技術瓶頸,再制造費用僅是國外技術費用的1/10;自動化電弧噴涂技術用于重載汽車發動機缸體、曲軸箱體等零件的再制造,單件發動機箱體的再制造時間由90min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面工程技術和自動化表面工程技術外,還需研發生物表面工程技術等新的方向。
                  3)制定再制造的行業標準,即盡早建立系統、完善的再制造工藝技術標準、質量檢測標準等體現再制造走向規范化的標準體系。國內再制造因起步較晚,再制造企業的技術積累少,再制造的標準缺乏,因而一定程度上阻礙了再制造的廣泛應用。2008年,國家標準化管理委員會批準成立了“全國綠色制造標準化技術委員會再制造分技術委員會”,秘書處掛靠裝備再制造技術國防科技重點實驗室。該委員會正陸續制訂并有望近期出臺“再制造概念、術語”和“再制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制造企業正在聯合制定“再制造技術工藝標準、再制造質量檢測標準、再制造產品認證標準”等多類標準草案,包括:再制造發動機工藝流程標準、發動機再制造產品性能評價與質量檢測標準、廢舊發動機零件剩余壽命評估標準、再制造的關鍵零件(曲軸、缸體、凸輪軸、連桿軸等)質量檢測標準、再制造發動機試車考核標準等。下一步應深化標準內涵,制定出具有良好通用性和可操作性的標準方案。
                  5結論
                  1)中國構建了包括再制造在內的“4R”體系,再制造是廢舊產品高技術修復、改造的產業化。再制造的重要特征是再制造產品質量和性能不低于新品,有些還能超過新品,成本只是新品的50%,節能60%,節材70%,對環境的不良影響顯著降低?筛爬椋骸皟尚蜕鐣、“五六七”。
                  2)中國特色的再制造來源于維修,是維修發展的高級階段,也是先進制造的重要組成,但是與維修和制造相比,再制造蘊含著更深的科學理論和更高的技術基礎。再制造已創造出了巨大的經濟和社會效益。
                  3)再制造在中國得到快速發展,再制造不僅進入了國家法律,而且在產業化實踐和基礎研究等方面均取得了良好的階段性成果,中國已成為國際再制造中心之一,在國際再制造領域發揮著重要作用。
                  4)為推動再制造的進一步發展,今后可圍繞“探索再制造的科學基礎、創新再制造的關鍵技術、制定再制造的行業標準”等方面展開工作。
               
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