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再制造

装备再制造领域的军民融合

发布时间:2018-12-27   来源:xudaqing   点击数:7156次

编者按:习近平总书记在党的十九大报告中指出:“坚持富国和强军相统一,强化统一领导、顶层设计、改革创新和重大项目落实,深化国防科技工业改革,形成军民融合深度发展格局,构建一体化的国家战略体系和能力。”装备保障是指为使装备处于战备完好状态并能持续完成作战任务所需的保障工作,涉及大量的保障资源,是推进实施军民融合发展的重要领域之一。本刊就装备再制造领域军民融合发展情况采访了我国表面工程学科和再制造工程学科的倡导者和开拓者之一——中国工程院院士、波兰科学院外籍院士徐滨士。

记者:徐院士,您好!是否能请您先介绍一下装备再制造工程的概念?

徐院士:装备再制造工程是以装备全寿命周期设计和管理为指导,以废旧装备实现性能提升为目标,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,对废旧装备进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动,是装备综合保障技术的重要组成部分和关键技术支撑。我国国家标准GB/T28619—2012《再制造术语》对“再制造”的定义为:对再制造毛坯进行专业化修复或升级改造,使其质量特性(包括产品功能、技术性能、绿色性、经济性等)不低于原型新品水平的过程。

再制造是制造产业链的延伸,也是先进制造和绿色制造的重要组成部分。再制造被列入国家“十三五”战略性新兴产业,《中国制造2025》提出“大力发展再制造产业,实施高端再制造、智能再制造、在役再制造,推进再制造产品认定,促进再制造产业持续健康发展”。再制造产品的质量特性不低于原型新品,而成本仅是新品的50%左右,可实现节能60%、节材70%、污染物排放量降低80%,经济效益、社会效益和生态效益显著。再制造流程主要包括废旧产品的拆解、清洗、检测、再制造成形、装配、性能测试等步骤。

欧美等国家再制造产业起步早、规模大、产值高,以工程机械、汽车、办公用品等为代表的传统再制造产业持续稳步发展的同时,以航空航天、医疗、电子产品等为代表的高端再制造技术和产业也迅速发展。其再制造模式主要以尺寸修理法和换件修理法为主,存在着再制造率低、破坏零件互换性、结构损伤无法再制造、再制造毛坏损伤检测手段单一等问题。

美国是再制造的最大受益者,再制造已经成为美军维持其庞大武器库运转而采取的战略性措施之一。例如,美军研制出了高柔性零件现场再制造系统——“移动零件医院(MobilePartsHospital,MPH)”,能够在临近战场需要的位置快速部署,成功对机枪等武器装备零部件进行快速再制造,大幅提升了装备快速精确保障响应速度和保障水平。美军对“阿帕奇”AH-64型直升机进行再制造升级,再制造后的“阿帕奇”AH-64D型直升机可一次同时攻击的目标数是原机的4倍,生存能力比原机提高了7.2倍。

此外,美军还对大型运输直升机、坦克、装甲车、垂直起降战斗机、洲际导弹等进行再制造。英国“挑战者”坦克、“勇士”装甲车用发动机、传动箱的再制造任务主要由卡特彼勒公司的再制造工厂承担,再制造提高了英军装备维修保障质量、效率与效益。由此可见,装备再制造工程促进了装备维修保障模式的变革,使装备及时适应作战需求,提高了装备建设经费使用效益,同时武器装备的再制造为新一代装备的研制提供实践经验,对提升装备的综合保障效能和核心战斗力具有重要意义。

我国采用了不同于欧美的以“尺寸恢复和性能提升”为主要特征的自主创新的再制造模式。我国再制造工程在维修工程、表面工程基础上发展而来,大量应用了零件寿命评估技术、表面工程、增材制造等先进技术,可使旧件尺寸精度恢复到原设计要求,并提升质量和性能。我国以尺寸恢复和性能提升为主要特征的再制造模式,在提升再制造产品质量的同时,还可大幅提高旧件的再制造率。

记者:装备的再制造与维修有什么区别?

徐院士:再制造不同于维修,维修是在产品的使用阶段为保持其良好技术状况及正常的运行而采用的技术措施,常具有随机性、原位性、应急性。维修的对象是有故障的产品,多以换件为主,辅以单个或小批量的零(部)件修复,维修后的产品多数在质量、性能上难以达到新品水平。再制造以高新技术为支撑,可使废旧装备的质量特性不低于原型新品。再制造不但可以通过延长装备的使用寿命获取经济效益,还可以通过降低废旧装备的制造活动成本、能源消耗成本和设备工具消耗成本等提高产品附加价值。再制造是高技术维修的产业化,是维修发展的高级阶段。

记者:为什么再制造后的产品质量会不低于原型新品?

徐院士:一部机电产品制造出来以后,经过若干年才会报废,而这期间科学技术迅速发展,新材料、新技术、新工艺不断涌现,对废旧机电产品进行再制造时可以吸纳最新的研究成果,既可以延长易损零件、易损表面的使用寿命,又可以对老产品进行技术升级改造,使其整体性能跟上时代的要求。而原始设备制造商只是把新的科技成果引入下一代的产品中,不轻易改动老产品的制造技术和工艺。

同时,再制造过程中,需要对再制造毛坯、再制造涂覆层进行损伤评价与寿命评估,确保再制造毛坯和再制造涂覆层能够承担下一轮服役周期。这种原始制造与再制造的技术差别,成为再制造产品的性能可以达到甚至超过新品的主要原因。

记者:目前装备再制造的关键技术应用主要有哪些?您在这方面的科研成就及创新性工作有哪些?

徐院士:目前成熟的再制造关键技术主要有:废旧零件寿命预测和评估技术、纳米电刷镀技术、高速电弧喷涂技术、微弧等离子熔覆技术和纳米自修复添加剂技术等。我们实验室针对航空发动机压气机叶片易磨损及叶片易受外来物磨损的问题,采用纳米复合电刷镀技术对压气机叶片进行再制造,提高了零部件的强度和耐磨性。利用纳米颗粒复合电刷镀技术和纳米减摩自修复添加剂技术实现了非导电纳米陶瓷颗粒与金属离子的电化学共沉积及装备运行中摩擦副表面微损伤的自修复。采用微弧等离子束再制造技术对我军某型号航空发动机叶片进行3D打印再制造,解决了叶尖修理极限确定、逐层堆积过程中成形困难和复杂型面近净成形等难题。利用等离子喷涂对重载装备的关键薄壁零件进行再制造,其耐磨性最高可达同类新品零件的18.3倍,而成本只是新品的10%,材料消耗只是新品制造的1%。

纳米自修复添加剂技术。它被称为运行中的再制造技术。这项研究最早始于俄罗斯,他们在采矿钻井时发现,钻头在采到地下某一深度的岩层时,钻头不仅没有磨损,以前的磨损部位反而还得到了修复。他们很惊讶,深入分析才知道原来这一层岩石是具有自修复功能的蛇蚊石。蛇蚊石经过一系列复杂的机械作用及摩擦化学作用,形成一层具有保持作用的修复层,实现自修复。

这些年来,我们也研制开发出多种纳米减摩自修复添加剂。当含有修复功能的微纳米颗粒复合添加剂被加入重载车辆的润滑油中后,微纳米颗粒会随润滑油分散到摩擦副接触表面,在一定的温度、压力、摩擦力的作用下,微纳米颗粒会在摩擦表面沉积,并与摩擦表面作用,填补磨损面,形成一层修复膜。现在这项技术已开始在部队应用。如我军某型重载车辆由于零部件老化,发动机经常出现故障,我们将微纳米减摩自修复添加剂加入20辆重载车辆中,重载车辆的动力性提高了,机油消耗也减少了。

自动化高速电弧喷涂技术。利用操作机夹持喷枪,通过编程实现喷涂过程的路径规划,实时反馈调节喷涂工艺参数,按照设定路径实现自动化的喷涂作业。该技术用于重载汽车发动机缸体、曲轴箱体等重要零件的再制造,单件发动机箱体的再制造时间由手工操作的1.5h缩短为20min,效率提高4.5倍。曲轴、缸体等零件的再制造,其材料消耗为零件本体重量的0.5%,费用投入不超过新品价格的10%。再制造曲轴还减少了新曲轴制造中的400℃条件下8h的碳氮共渗工序,节约了大量的能源。

纳米复合电刷镀技术。我们将纳米材料与电刷镀技术结合研发出了纳米电刷镀技术。具体做法是在普通镀液中添加特种纳米颗粒,主要是碳化硅、氧化铝等陶瓷颗粒,得到镀层后这些颗粒就均匀分散在镀层中,工作时依靠纳米陶瓷颗粒的高硬度及对裂纹扩展的“钉扎”作用,耐磨性比不含纳米颗料的电刷镀层高1.6~2.5倍,硬度是其1.5~1.7倍,抗接触寿命由105周次提高到了106周次。纳米电刷镀技术目前已经广泛应用到坦克、军用车辆、舰船和飞机发动机等关键零件的修复上。例如,用在某型飞机发动机压气机叶片的再制造上,突破了国外对该飞机维修技术和设备的垄断。

超音速等离子喷涂技术。行星框架是某型重载车辆转向机构重要的薄壁零件,易于磨损失效。采用等离子喷涂及自熔剂合金新材料,完成了行星框架的再制造。经过车辆的实车考核,再制造行星框架的使用寿命达到新品的3倍,成本及材料消耗为新品的1/10及1/100。

记者:作为国家战略性新兴产业,目前我国再制造产业状况如何?

徐院士:首先,我国再制造产业政策环境不断优化。我国的再制造发展经历了产业萌生、科学论证和政府推进3个阶段,我国再制造产业的持续稳定发展,离不开国家政策的支撑与法律法规的有效规范。我国再制造政策法规经历了一个从无到有、不断完善的过程,《循环经济促进法》《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》《关于加快推进生态文明建设的意见》《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》《高端智能再制造行动计划(2018—2020)》等法律、法规明确提出支持再制造产业的发展,我国再制造产业政策环境不断优化。

其次,我国再制造试点企业数量和再制造产品种类逐步增多。截至2018年5月,我国再制造试点企业达到150余家,建立了9个国家再制造产业集聚区和再制造产业示范基地。同时,发布了7批《再制造产品目录》,涵盖工程机械、电动机、办公设备、石油机械、机床、矿山机械、内燃机、轨道车辆、汽车零部件等10大类130余种产品。

还有就是我国再制造技术体系逐步完善。我国再制造技术原来采用国外的换件法和尺寸修理法等单一技术,经过十余年的发展,探索提出以“尺寸恢复和性能提升”为特征的自主创新模式,中国特色再制造模式注重基础研究与工程实践相结合,创新发展了中国特色的再制造关键技术,构建了废旧产品的再制造质量控制体系。涵盖再制造工程设计、再制造关键技术、再制造质量控制技术等中国特色的再制造技术体系逐步完善,再制造产品设计技术、旧件性能评价、拆解和清洗、表面修复、无损检测等再制造基础理论和关键技术研发取得突破进展,确保再制造产品的性能质量和可靠性。

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