1 绪论
1.1 研究背景及意义
近 40 年来，随着我国的经济迅速发展，制造行业也迅速发展，制造业成为了我国经济增长的重要支柱产业。由于“制造 2025”、“一带一路”等国家政策的带动，制造业面临着重要的发展机遇。近 20 年，我国在机械设备制造业的总投入已经由 2000 年的4.16 亿发展到了 2015 年的 32.37 亿，如图 1.1 所示，2012、2013 和 2014 年连续三年国内制造业总值突破 20 万亿元。
但经济发展的同时，机械制造产业发展所带来的资源消耗和能源消耗也在增加。根据《国民经济和社会发展统计公报》，2016 年全年消费总量为 43.6 亿吨标准煤，较上一年增加了 1.4%[1]，2017 年这一数值为 44.9 亿吨标准煤，其中煤炭消费量增长 0.4%，原油消费量增长 5.2%[2]。《BP 世界能源统计年鉴（2018 版）》[3]指出 2017 年中国能源消耗占世界总消费量的 23.2%，且中国能源消费增长 3.1%。根据国家统计局的数据，我国对于能源的需求不断增加，且很多都依赖进口，2009 年以来，进口煤、原油等化石燃料的数量高居不下，且对作为机械制造行业的原料铁、锰、铜矿砂的需求不断增加，如图 1.2 和图 1.3 所示。
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1.2 国内外相关领域研究现状
1.2.1 零部件再制造过程不确定性的研究现状
产品再制造是利用特定的工艺对于废旧产品进行加工，恢复产品的使用性能的过程，包含回收、拆解、清洗、检测、修复和装配等多个环节，相比于产品的原始制造，增加了许多不确定性。废旧产品的不确定性问题是再制造过程中的痼疾，这些不确定性因素会对再制造过程产生诸多影响，目前国内外的研究者对再制造不确定性有了很多研究。机械产品再制造过程中不确定性研究可根据研究对象可分为两个大的方面，一个是从产品本身研究再制造过程中的不确定性，一个是从生产过程的角度分析再制造过程的不确定性。
很多学者以废旧产品为立足点对再制造过程进行分析，考虑了废旧产品的质量或者生产过程中的质量控制对于再制造过程的影响。刘明周等[18]针对曲轴径向跳动不确定的问题，分析主轴颈圆度、曲轴弯曲度等影响曲轴径向跳动的因素，构建了径向跳动不确定测度模型；温海骏等[19]考虑回收的废旧曲轴的主轴的最大磨损量、主轴颈圆度和连杆轴颈最大磨损量等 10 个因素，利用 RS-TOPSIS 方法建立了曲轴质量分级模型；Tang等[20]考虑了废旧零部件质量的不确定性对于再制造加工时间的影响，建立了再制造系统开环排队网络模型；Mark 等[21]把废旧产品的质量分级，以每个等级的再制造数量、库存量和总的收益为约束条件，得出再制造过程中的质量分级对于再制造过程的影响；李聪波等[22]在对废旧零部件打分并分级的基础上，利用模糊 Petri 网建立了再制造工艺过程模型和工艺时间的模糊学习系统；李成川等[23]基于 GERT 网络考虑了在多条不确定条件下再制造工艺路线时零部件再制造加工时间的变化；刘长义[24]将再制造加工系统分为基础配置层、制造过程层和运作控制层，并从三个层面分析了不确定性，探究了不确定条件下再制造系统的质量控制方法，高旺[25]考虑产品一次服役时间的不确定性，以产品再制造过程中的经济和环境因素为约束条件，把主动再制造时机作为优化目标，基于蒙特卡洛法对主动再制造时机模型进行模拟求解。
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2 发动机曲轴不确定损伤分析及 GERT 基础理论
2.1 发动机曲轴的损伤分析
2.1.1 曲轴的工作条件
发动机作为汽车的核心部件，为汽车的运转和行驶提供动力。而曲轴作为发动机中的重要部件，在发动机中起着传输动力的作用。从动力传输角度来看，曲轴、连杆、活塞构成曲柄滑块机构。发动机开始工作时，进入“进气冲程”，进气门开启，排气门关闭，燃料和空气的混合气体进入燃烧室，活塞由于曲轴的惯性往下运动而增大气缸内的容积，气压低于外部的大气压。当进入“压缩冲程”时，进气门和排气门都关闭，曲轴靠惯性继续旋转，活塞在曲轴的带动下往上运动而压缩气缸内容积。当活塞达到气缸的上死点时，气缸进入到“工作冲程”，电火花将气体点燃，气体猛烈膨胀，气缸内压强急速增大，活塞在燃气的强大压力作用下带动曲轴旋转，向下死点运动。工作冲程结束后，由于惯性曲轴继续旋转，进入到“排气冲程”，排气门打开，燃烧的废气由此排出。当活塞达到上死点时，排气门关闭，进气门开启，进入到了新的一次循环。在发动机工作的一个循环中，有三个冲程是曲轴带着连杆转动，在工作冲程时，曲轴的连杆轴连接着连杆活塞，由活塞缸中燃烧而产生的动力通过活塞、连杆传递到曲轴。因此，从动力传输角度看曲轴的最外两个主轴颈分别连接着飞轮和带轮，曲轴将动力传输给带轮，由带轮将动力传输出去。从结构角度来看，各个主轴颈通过主轴颈轴瓦与发动机曲轴箱连接，各连杆轴颈通过连杆轴瓦与连杆连接，曲轴在工作时，会受到来自轴瓦的冲击力与摩擦力，如图 2.1 和图 2.2 所示。
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2.2 GERT 基础理论
随机网络是系统工程学中用来分析和研究一定概率分支的流程事件的方法，图形评审技术（Graphical Evaluation and Review Technology, GERT）是 1966 年美国 Pritsken 在研究阿波罗系统的最终发射时间时提出的一种能解决多种随机变量之间相互关系的网络技术[53]。
GERT 与零件再制造过程存在诸多相似之处，GERT 是计算流程事件的一种工具，零件的各个再制造工艺经过一定简化处理可以看成是流程事件，并可以通过矩母函数和传递函数将各个工艺的环境影响、经济和技术等因素作为变量进行考虑计算；GERT 的计算过程考虑概率，而废旧零件的损伤也是不确定的，再制造工艺路线呈现多样性，通过概率表达工艺路线的不确定性具有一定实用性，基于此，本文将利用图形评审技术对不同工艺路线情况下再制造过程中的资源环境、经济和技术维度进行评价。
2.2.1 GERT 网络图的基本结构
GERT 网络由枝线、节点和流三部分组成，如图 2.7 所示为 GERT 的基本构成单元，枝线是一个节点到另一个节点的有向线段，通常表示活动，在本文中表示一个再制造工艺单元，节点是枝线连接点，如图 2.7 中的节点 i 和 j，表示所处的一个状态，流代表网络中节点间各种定量的参数和某种制约关系，如从节点 i 到节点 j 的再制造工艺单元的实现概率、费用成本、资源环境和技术难度等。
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3 工艺单元层面的环境经济和技术评价 ............................. 20
3.1 工艺层面的环境影响评价 ................................. 20
3.1.1 生命周期评价方法及四个步骤 .................................... 20
3.1.2 曲轴再制造清洗工艺的生命周期评价 ......................... 20
4 工艺链层面的环境经济和技术评价 ............................ 31
4.1 不确定再制造工艺链的环境评价 ............................... 31
4.1.1 各个工艺单元的环境影响 ............................... 32
4.1.2 再制造工艺链的环境影响模型 .......................... 33
4 工艺链层面的环境经济和技术评价
4.1 不确定再制造工艺链的环境评价
曲轴再制造过程中，整个工艺链的环境影响可由各个工艺组成的不同概率工艺链的环境影响共同构成，为此，需要先求出各个工艺的环境影响的函数，并求得相应的矩母函数和传递函数，并基于 GERT 的方法进行求解。
曲轴再制造工艺链的评价可分为四个主要步骤：画出 GERT 图、写出矩母函数和传递函数、求解等效传递函数和等效概率、反解出参数和概率。如图 4.2 所示，建模过程先根据再制造工艺路线画出相关参数的 GERT 图，由建立的 GERT 图统计再制造工艺相关参数的函数表达式，并写出工艺的矩母函数和传递函数，在此基础上，利用梅森公式求解相关节点的等效传递函数和等效概率，之后再利用矩母函数的性质反解求出相应参数的表达式。
在此，先从环境维度详述建立起曲轴再制造过程的环境影响值的模型。
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结论
目前我国的废旧产品日益增加，已经开始造成了大量的报废产品，带来了严重的环境污染、资源浪费问题，而我国的再制造产业发展不久，再制造面临这很多问题。机械产品的再制造固然有着非常显著的环境、经济和社会效益，评价再制造过程就是其中的一个重要的基础问题。本文考虑了零件损伤对再制造工艺时间的影响，从零件再制造的环境、经济和技术三个维度出发，以再制造工艺评价为基础，进而分析再制造工艺链，提出了再制造过程可持续性评价模型。本文所做的工作如下：
（1） 对再制造评价的国内外研究现状做了概述，并对其局限性和不足做了论述。对废旧零件的损伤进行了分析，探讨了废旧零件损伤类型和损伤程度对再制造过程的影响，考虑这些损伤对再制造工艺时间的影响并作合理的假设。
（2） 研究了再制造工艺单元层面评价，以工艺时间不确定为基础，采用生命周期评价方法、生命周期成本分析方法，从环境、经济和技术三个维度展开了再制造工艺单元的评价，根据曲轴的再制造过程和企业数据，得到了各个工艺单元三个维度的评价结果。
（3） 基于曲轴再制造的工艺路线，采用图形评审技术研究了再制造过程不确定因素（主要是工艺时间和不确定工艺路线）对整个再制造过程的传递和表达，得到了工艺链层面三个维度的评价，并利用了层次分析法，将三个维度的指标综合，得到了再制造过程可持续性指标。
参考文献（略）