在产品的技术寿命中共有三个明显的失效阶段,即早期故障期、偶发故障期、损耗故障期。这三个时期具有非常明显的特点,可用“浴盆曲线”图形来表示产品的这三个阶段(图2-6),典型的再制造时间点位于产品偶然故障期的末段位置 [8] 。不同的再制造时机选择,也影响着产品的再制造性。
图2-6 产品寿命周期的浴盆曲线
1.早期故障期
早期故障期在设备投产前的调整或试运转阶段。这一阶段故障较多,故障率较高,随着磨合及故障的排除,故障率逐步降低并趋于稳定。产品早期故障期的故障形态反映了产品设计、制造及安装的技术质量水平,也与调整、操作有直接关系。这时期的产品往往在保质期内,如果发生了不可恢复的故障,或者用户退货,则需要对该产品进行再制造。
2.偶然故障期
偶然故障期在设备正常使用阶段。这一阶段故障率较低,为一常量。这一阶段的故障不可预测,不受运行时间影响而随机发生。经过早期失效阶段后,产品将进入最低失效率的偶然故障期,这是设备的最佳工作期,即设备的有效寿命。在这一阶段,产品及其零件都能够按照它设计时的要求,保持持久的良好工作状态。这时期的失效主要是由于一些偶然的原因而产生,例如由一些非正常的事故或者过度的应力引起的故障。对于偶然原因引起的产品退役可以进行再制造,大量的再制造位于偶然故障期的末段。
3.损耗故障期
损耗故障期在设备使用后期。由于机械磨损、化学腐蚀及物理性质的变化,设备故障率开始上升。在经过比较长的工作时间的偶然故障期后,产品的失效率又会重新迅速上升,这主要是由于零件及其材料的过度磨损和疲劳而造成的。
废旧产品退役时间是由产品退役原因来确定的。一般来讲,根据当前的实际产品服役状态,产品存在以下几种寿命形式。
1.物理寿命
物理寿命是指产品在规定的使用条件下,从投入使用开始到因有形磨损导致设备不能保持规定功能而中止使用的时间,也称自然寿命。通过产品的正确使用、维护和修理可以延长产品的物理寿命。而且产品物理寿命的到期并不代表其所有的零部件寿命到达末端,这为再制造提供了良好的物质基础。
2.技术寿命
技术寿命是指设备从投入使用开始,到因第二种无形磨损导致功能落后而用户中止使用的时间。当前技术的飞速发展,导致了技术更新换代速度的加快,尤其是电子类产品,它是当前设备退役的一个主要原因,通过再制造升级可以提高产品的技术性能,从而延长产品的技术寿命。
3.经济寿命
经济寿命是指设备从投入使用开始到因经济性权衡结果而中止使用的时间,它受有形磨损和无形磨损的共同影响,从经济年限上考虑退役的最佳时刻。一台设备如果已经到了继续使用不能保证产品质量,或者在经济上不合算的程度,且进行修理或现代化改装的费用又太大的情况时,其经济寿命也就到了终点,这时就必须对设备进行报废。
4.环境寿命
环境寿命是指设备从投入使用到因产品本身或其使用违反新的环境法规而中止使用的时间。环境污染的加剧及资源的匮乏,导致政府不断加强环境保护力度,可能提高设备使用的限制或导致设备使用对象的匮乏,从而使设备因环境法规的限制而退役。例如当对发动机尾气排放标准提高时,一些低于排放标准的发动机就无法继续使用。
5.偏好寿命
偏好寿命是指产品从投入使用到产品因用户个人的喜好而放弃的使用时间。现代物质文化生活的提高,人们的欣赏水平或兴趣偏好的变化,往往也会导致用户放弃自己正使用的产品。尤其是电子类产品,随着物质生活的极大丰富和人民生活水平的提高,越来越多的人在使用中出现偏好报废,例如可能单纯因颜色或款式而被用户废弃的手机等电子产品。
由以上可知,物理寿命是设备最长的寿命形态,也是通常所表述的产品寿命,其他因技术、经济、环境、偏好等原因而退役的产品,都没有达到物理寿命,往往是在产品物理寿命的中间某一阶段来完成的,即它们的零件大多是没有失效的。但物理寿命并不就是使用寿命,在物理寿命的后期,磨损加快,故障增多,需要投入更多的人力、物力和财力才能保持设备的正常运行。因此根据不同的产品退役寿命阶段,可以采取相应的再制造方式,来满足产品寿命延长的需求。
再制造是消除设备有形磨损和无形磨损的重要手段。正确选择再制造时机,有效地掌握待再制造产品在其使用寿命中的位置,是保证再制造产品更加可靠的主要因素。
再制造时机是指设备工作多长时间,或在全寿命周期中的哪个阶段才进行某种再制造的选择。通常也称为再制造方式选择。再制造时机选择中既要考虑自然寿命、技术寿命、经济寿命,也要考虑环境寿命等,自然寿命是使用寿命的前提与基础。
根据对产品寿命形态的分析,可以确定对产品再制造时机的控制方式。
1.物理寿命末端的再制造
物理寿命末端再制造是指在产品到达物理寿命末端时,对产品开始进行再制造。它是当机械设备报废退役后,才进入再制造企业进行再制造,以恢复原产品的性能为目的。它必须充分准备人力、工具、备件等再制造资源,以便有效地完成再制造,这也是当前最主要采用的一种再制造方式,主要发生在产品退役后。
产品设计时虽然要求采用等寿命设计,即各零部件的寿命等同于产品的寿命,以降低零部件的性能要求和资源消耗。但实际上的等寿命设计只是一种理想化状态,退役产品中相当多的零部件其寿命还处于偶然故障期,失效率非常低且可靠性比较高,而且可以使用一个新的产品寿命周期。例如废旧机床的床身,在经过长期使用后,相当于进行了长时间的时效处理,其内部的残余应力得到了充分的消除,保持了较高的形状精度,经过对接合面的恢复,完全可以使用多个寿命周期。因此在再制造前,必须了解产品及其零部件在寿命的浴盆曲线关系图中明确的位置,正确地预测它在下一个产品使用寿命周期中的可靠性。但在再制造过程中,对使用的废旧件只要不能确定零部件的剩余寿命,或者确认零部件将很快进入磨损失效比较高的损耗故障期,则不能再直接利用这个零部件,需要更换或进行零部件再制造。尤其在与汽车安全相关的零部件方面,例如汽车的转向器、制动器等零件的再制造,更要加强对废旧件剩余寿命的检测。
2.产品物理寿命中的定期再制造
定期再制造是在产品物理寿命中期采取再制造的一种方式,是预防再制造的一种,根据产品使用时间来确定再制造间隔期。它以使用时间为再制造期限,只要达到预先规定的时间,不管其技术状态如何,都要进行再制造。这是一种带有强制性的预防再制造方式。例如发动机到达规定的工作时间后必须进行大修,而目前济南复强动力有限公司采用对到达大修期限的发动机进行再制造的方式,相对大修模式来说,具有更高的综合效益。定期再制造可以使设备零部件在未到达极限时进行再制造,可以减少工作量和提高效益。
定期再制造的依据是设备的磨损规律,关键是准确地掌握设备的故障率曲线,即在偶然故障期结束时,故障率随时间迅速上升到进入损耗故障期之前,进行再制造。定期再制造的优点是容易掌握再制造时间、计划、组织管理,有较好的预防故障、提高设备可靠性的作用。但这种方式主要考虑以磨损规律为决策依据,对其他失效形式未考虑在内,缺乏对实际情况的应变。
3.在役时的视情再制造
视情再制造发生在产品使用的过程中,它不是根据故障特征,而是由机械设备在线监测和诊断装置预报的实际情况来确定再制造时机和内容。当监测到的情况,通过维修无法达到要求时,可以对其进行再制造,以全面恢复其性能和可靠性。在线监测包括状态检查、状态校核、趋向监测等项目,并定期按计划实施,需要投资和经常性费用,是一种最有效的再制造时机确定方式。
视情再制造适用于:①属于耗损型的设备,且有如磨损那样缓慢发展的故障特点,能估计出量变到质变的时间;②难以依靠人的感官和经验去发现故障,又不允许对机械设备任意解体检查;③对那些机件故障直接危及安全,且有极限参数可监测;④除本身有测试装置外,必须有适当的监控或诊断手段,能评价机件的技术状态,指出是否正常,以便决定是否立刻再制造;⑤传统的视情维修无法全面恢复设备到用户指定的要求状态。视情再制造的优点是可以充分发挥设备的潜力,提高设备预防损毁的有效性,减少再制造工作量及人为差错。但视情再制造要求有一定的诊断检测条件,根据实际需要和可能来决定是否采用视情再制造,检测成本高。
4.非正常退役产品的机会再制造
机会再制造主要针对环境报废、偏好报废或因意外事故而损毁报废的产品,它主要发生在产品非正常退役情况下,即发生在使用过程中,产品尚未到达物理寿命的末端时进行的一种再制造。机会再制造是与视情维修或定期再制造同时进行的一种有效的再制造活动。例如厂家生产的新汽车发动机,也可能在使用早期就因材料失效而导致整个发动机故障,无法修复,则只能返回再制造厂进行再制造。或者因非正常原因导致的不可修复故障,都会使产品非正常退役而进行机会再制造。
产品在使用中是采用再制造还是维修方式,要进行综合的经济效益和环境分析,科学地选择最佳的方式。综合经济效益分析包括对再制造或维修后产品的性能分析、再制造或维修的费用投入分析、环境效益及社会效益分析等多方面因素。