机械设计与制造工程
Machine Design and Manufacturing Engineering
2021年5月
50 5
May. 2021
Vci. 50 Nc. 5
DOI ： 10. 3969/j. issn. 2095 - 509X. 2021.05.021
尹凤福，杜泽瑞，李林，王瑞东，安瑞，梁振宁
（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061）
摘要：为解决废旧智能手机造成的环境污染及资源浪费问题，提出了废旧智能手机拆卸可行性价
值评估模型与方法。以“小米
3”智能手机拆卸和回收为例，基于智能手机分层树拆卸模型生成 拆卸序列，建立拆卸和回收利润模型。提出价值评估方法，对手动拆卸和自动化拆卸两种拆卸方 式下的废旧智能手机拆卸和回收价值进行评估，结果表明，自动化拆卸的回收利润远高于手动拆
卸。
关键词：废旧智能手机；拆卸模型；拆卸序列；自动化拆卸；价值评估
中图分类号:
TP18 ；X76
文献标识码:
A
文章编号：
2095 -509X （2021）05 -0099 -06
随着5G 时代的到来，智能手机更新换代的速 度日益加快，被淘汰的废旧智能手机不仅导致资源
浪费，而且对自然环境造成了严重影响，已成为城 市污染的一个重要来源（一些专家学者对此进行
分析研究，普遍认为解决问题的根本途径是实行
“绿设计与制造”&1-2'。绿设计不仅能减少物 质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且使产
品及零部件能够方便地分类回收，再生循环或重新
ccc29
利用，其主要内容包括产品的可拆卸性设计和可回 收性设计。因此，对大批量的废旧智能手机进行拆
卸和回收处理，并寻一种可行的方法，使废旧智 能手机的拆卸和回收利润达到最大化（
近年来，众多国内外学者在产品拆卸和回收领
域进行了深入的探索研究并取得了一定的成果。 美国东北大学Gupta ［3］团队对产品拆卸建模、产品
回收以及环境意识制造方面进行了系统的研究。
针对产品拆卸序列的研究，国内外学者从不同角度 提出了构建产品拆卸模型的方法（Feng 等⑷提出
了产品回收混合拆卸建模和优化方法，以最大程度 地提高回收利润和减少对环境的影响;Kuo 等［5］建
立了基于PetU 网的拆卸信息模型，采用以PetU 网
为基础的分析方法处理报废产品的回收和拆卸问 题；杨得玉等［6］针对产品故障特征构建了拆卸混
合图模型，提出了目标选择性拆卸序列规划方法;
聂应军等［7］针对废旧产品提出利用分解矩阵表达
拆卸方案，并综合考虑拆卸过程中不确定因素以获
取最大拆卸收益；王詰［8］针对汽车零部件的拆卸 建立了网络图模型，提出了规划拆卸序列方法。
另外，价值回收拆卸研究同样也引起了国内外 众多学者的关注。王淑旺等⑼针对废旧家电产品 有效回收利用方面的不足，开展了废旧家电产品回
收再利用关键技术的研究，探讨了废旧家电产品有
效回收的途径；陶祎芸等［10］针对废旧电子产品，建 立了自动化拆卸评价体系，通过废旧电能表验
证了
评价模型的有效性;Kwak 等&11'提出了产品在整个
生命周期内实现最大利润的模型；Smith 等&12'基于
已有法则提出了顺序优化的拆卸方案；Cong 等&13'
基于拆卸矩阵提出了机械硬盘的价值回收优化模
型以创造最大回收利润。
综上可知，众多国内外学者对该领域的研究越 来越深入，对报废汽车、废旧硬盘等产品的拆卸和 回收研究，取得了一系列的研究成果。但是，目前
针对废旧智能手机拆卸和回收的研究很少，没有形 成系统的智能手机拆卸和回收理论。本文提出了
智能 机拆 可行 的价 ，
适用于智能手机的完全拆卸，通过“小米3 ”智能手
收稿日期:
2019-10-22
基金项目：国家科技重点研发计划资助项目（2018YFC 1902300）
作者简介:
尹凤福（1969—），男，教授，博士，主要从事机电产品
通讯作者：杜泽瑞，男，硕士研究生,1073081050@ qq. cm.
,yinff@ qust. edu. cn.
・99・
2021年第50卷机械设计与制造工程
机拆卸实例，对智能手机拆卸和回收流程进行分
析，并
智能手机的拆卸和回收 。
1 能手机的 模型
针 智能手机的拆卸和回收，本文采用分层树状拆
&⑷进行研究，分层 状拆 ：型
能够 地 智能手机中零 空 合 。在构建拆 时，引入智能手机的模块化拆
，合理地进行模块 ， 一个零 ：
作为基础件，有助于提高拆 。基础（由人
工）是他零
配的基础，是
他零 :
联最多的零件，
的基础件优先 ， 后拆
础件。
本文以“
3 ”智能手机的拆卸为例。图1
为“ 3 ”智能手机的零件，包括
、后盖、盖板、电、 总、主板、前像头、后摄像头、
筒、震动马达、按总成、尾 板、中框、 、
排线、若干 钉等。
零
收价值及智能手机
拆 构 因素考虑，本文只针对“
3 ”智
能手机的主 进行拆 块 ，不考虑排
、钉连接件。 层状拆
，将
0 3”智能手机整
为4个块，
是外
壳H 、主控模块L 、管理模块P 、中框M 。4个模块
包含不同的零 ，外壳包括 C 和后盖 B ；主控模块包括盖板U 、主板A 、前摄像头F 、后摄
像头R 、听筒T 、震动马达V 、按键总成K 、屏幕S ；
管理模块包括电池E 、喇叭总成I 、尾 板N 。
图1 “小米3”智能手机零件图
图2是''小米3 ”智能手机分层树状拆卸模型,
M 为基础件。
（小米3
智能手机）
图2 “小米3”智能手机分层树状拆卸模型
2
能手机部件
的
品拆卸是体现
收价值的基础，拆
式
是
品零 收方式和回收 的重要因
，品拆
式可分为完全拆卸、
拆卸和目
拆卸。
本文主要 智能手机的完全拆卸进行研
究。智能手机的完全拆卸是将智能手机中的全部
零件进行拆卸，拆过程中零 之 在优先约
束 ，本文采用优先约束矩阵&15' 达此 ，
主体零 的优先约束矩阵，进行叠加 拆
先约束是指在空间上的一种约束
，该约
束的存在 一个约束的释放，但不具有相互
（
智能手机经层 块 后，零 之
在的优先约束
可用优先约束矩 达。
先约束矩阵为C =[=]，中8/二1，2，3， …，零 ，对零 /•的优先约束 ，取值为1或0。 零
8尤先于零
aqsh-012/•拆卸,
=8 二 1，否则二0 , i U J ，则=8 二0。
■=
1
=1
=2 °C 22…-C -•-
C 2c
C
l_C d % …口
结合图20小米3 ”智能手机分层树状拆卸模 , 品主体零件的优先约束矩阵， 3 r zKo
''小米3 ”智能手机的完全拆卸序列生成后，基
于分层树状拆 ，结合主体零件的优先约束矩
-100
-
2021年第5期尹凤福：废旧智能手机拆卸可行性的价值评估模型与方法
阵(图3)，由优先关系推理可得第一层节点的拆卸序列为H-P-L-M或H-L-P-M；同理可得到节点L的拆卸序列为U—A—F—R—T—V—K—S、U-A-R-F-T-V-K-S等共6!种；得到节点P的拆卸序列为E-I-N或I-E-N。通过各装配体子节点的拆卸序列，可叠加得出“小米31智能手机的完全拆卸序列，符合实际拆卸顺序(
3拆卸和回收价值评估
为确定废旧智能手机的拆卸和回收方案是否有利可图，能否解决资源浪费问题，本节进行废旧智能手机拆卸和回收的价值评估。结合废旧智能机的拆和拆的，拆
收，确智能机拆和收的价
估方案。此模型主要针对废旧智能手机进行非破坏性完全拆卸，使智能手机的拆卸回收利润最大化。拆卸回收利润模型包括总成本C和回收收入E，其中，总成本C又包括废旧产品的购买成本C p、拆卸成本c=_、运输成本C-、库存成本C h以及设施成本$；收入E包括零件回收和材料回收的总收入。
拆和收的:
1)购买成本是指购买废旧智能手机的费用，智能手机的购买成本函数表达式为：
C P=C p•S⑴式中：C p为单位购买成本，元;S为智能手机数量，部。
2)拆卸成本是指拆卸智能手机时所需要的费用。手机拆卸考虑使用两种拆卸方式，即手动拆卸和自动化拆卸。手动拆卸成本C d1主要包括拆卸工具的折旧成本和人工成本；自动化拆卸成本C也主要包括拆卸机器折旧成本、电费成本和机器操作者的人工成本。
动拆本C d1函数达式为：
C d1=(a h+C y+a h-Cy)-C y(2)式中：a为每年工作时间，h；k i为拆卸工具的折旧费，元;C]h为拆卸工时费，元;Cy为人工数量，人。
自动化拆卸成本C也函数表达式为：
C d2=(C i+a h-k h+a h-k h-C；h)-C m(3)式中：k为每年拆卸机器的折旧费，元；Cp为每小时电费，元；％为每台机器需要人工数量，人;C m为机器数量，台。
拆卸成本_dk函数表达式：
C dk=(a h-k+a h-k h)-Ci h+(k+a h-C/+a h-k h.C l h)-C m(1"S(k+k)+
Vi
式中：C y=(1S,C m=为机器对产
a h./a h./m
品的拆除率，如自动化拆卸时，“=100%,/为手动拆卸率，部/h,/m为机器拆卸率，部/h。
3)运输成本C-是指运输手机的卡车费用，其函数达式为：
式中：k为卡车费用，元/辆;h为质量,kg；_为路线数量，条;C为车量的负载,kg°
4)库存成本C h是指库存持有成本和维护成本总和，函数达式为：
C h="0*C a*S(5)式中："0为平均库存水平;C y为库存成本，元/ (部•年)。
5)设施成本C f主要包括使用拆除系统所需空
的本，函数达式为：
C f=k p・(Sy C y+Sm C m)=k p+S+—+
a h*/l
W h■Vm
式中：k p为空间成本，元/(m3+年);s为工人所占空间,m2;s m为机器所占空间,m3。
综上述，拆卸总成本C为：
C=C p+C dk+C-+C h+C f=C p
(1.S(C i+Cy)+(a+Cp+Cy.C y
-—W h
+
•q
+ a
Ct•S•H
k・cp
+"0C a*S+k p*S*[ S
y(1—(
a h*/
+
伸缩杆JJL・S
(7) W h'耳m
拆卸回收的总利润B为:
B=E_C=E_C p_C dk_C-_C h_C f(8)
单位智能手机的拆卸回收利润B f为：
B f=B/@(9)
根据拆卸回收利润模型，运用CPLEX12.6软件进行计算分析，确定拆卸方案(
表1是拆卸回收利润模型中定量参数表，提供了拆卸“小米3”智能手机时计算利润的定量参数&16'。
101
2021年第50卷
机械设计与制造工程
表1定量参数表
数定义
数
C p/（元•部-1）
购买成本30a h /h
每年工作时间
2 080c-/（元• h -）
拆卸工时费85c-/（元• h-1 ）拆卸工具 费
0.8
k /元
每年拆 机
费
57 000Ceh/（元• h -）
每小时电费
14Ch/（人•台-$
每台机 要工人数
1C l h 人工数量
待定C m
机器数量待定A
机器对产品的拆除率
待定
/m/（部• h_1 $
机器拆卸率83
/- /（部• h"）
动拆卸率
25h /kg
量
0.145k/（元・-1 ）
车费用
300
条
路线数量10cp /kg
车负载1 000
"0
平均库 平0.5C y/（元•（部•年）-）库
本1Csp/（元• （ m 3 •年）-）
空 本1 000
$m /m 3
机
空间
27U h /m 3
工人 空
4
2是“
3 ”智能手机各零件拆卸和回收
数据，列出“
3 ”智能手机在不同拆
式下的拆卸时间、拆 本以及零件的质量和回收
价值。其中，“ 3 ”智能手机拆 本由拆卸回
收
算可得；拆 时 重复多次拆卸实
验求取平均
3 ”智能手机零件的质量拆 同
的多部“
3 ”智能手机，称重求
取平均 ；
零
收收入根据二 机回收网
站已完成的交
。
利用CPLEX 12.6软件对拆卸和回收利润模
进行计算分析，
“
3 ”智能手机的实际拆
及零
收 因素考虑， 品进行完
全拆卸，按 品装配的逆顺序为拆卸顺序，即以
C 、B 、U 、A 、F 、R 、T 、V 、K 、S 、E 、I 、N 、M 的拆卸顺序进
行拆卸。对“小米3”智能手机的A 、S 、F 、R 进行回
收再利用，其他零件进行
收。 算，得出
“
3 ”智能手机在手动和自动化两种拆
式
下的成本和
，
4、图5
（
表2
%小米3”智能手机拆卸的相关数据
智能机零动拆 时套动拆 时套动 成本/套
动 成本/套质量成
回收价格
再利用/元材料回收/元
卡托 4.0
2.00.090.080.7112 500 jE/t 0.01
后盖
32.08.0
0.770.31
12.85
10 000 jE/t 0.13盖板27.0
6.50.650.25 4.6311 000jE/t
0.05
主板13.0 3.50.310.2613.38
25.0元/部
25.0
前摄像头 2.5 1.50.060.060.17 1.0 t 1.0
后摄像头 2.5 1.50.06
0.06
0.67 1.5 t
1.5
听筒
1.5
1.0
0.040.040.30
12 000 t 0.01
震动马达 3.5 2.00.090.08 1.1985 000
t 0.10按键总成 2.5 1.5
0.06
0.06
0.4512 000
t 0.02
屏幕
22.0
6.00.530.2336.94
20.0 t 20.0
电7.0 3.0
0.17
0. 1248.2125 000
t 1.21总14.0 5.00.330. 19
4.4612 000
t 0.05尾插小板 4.0
1.00.09
0.04 1.64
13 000 t 0.02中框
2.0 1.0
0.050.04
15.84
11 000
t
0.20
尺 _
E
来二、羅<
O
.5O .5O
.5O
3.22.L
L
O.
亠手动拆卸
自动化拆卸
2.66
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
拆卸步骤
图4 单部“小米3”智能手机拆卸成本
由图4可以看出，手动拆卸总成本是3.30元,
自动化拆卸总成本是1. 82 ，手动拆卸总成本几
是自动化拆卸总成本的2倍， 动化拆
动拆卸。
5为单位时间内“小米3 ”智能手机拆卸回
收 状图， 可知，自动化拆油门拉线
为1 400
，
动拆
为 410
，
二维码打印设备位时
，
动 拆 收
动拆 收
（
析 因可知，拆 “
3 ”智能手机
-102
-
2021年第5期尹凤福：废旧智能手机拆卸可行性的价值评估模型与方法
賦_
喫
慝
呈
回
fe w
a
手动拆卸自动化拆卸
拆卸类型
图5单位时间“小米3”智能手机拆卸回收利润
手动拆卸时间为137.5s，而自动化拆卸时间为43.5s，位时间内拆卸智能手机数量较大，智能手机的拆卸时间是两种拆法收的主要因素。
智能手机拆卸时间是影响回收利润的重要因素，对两种拆式的拆卸时间进行研究分析。定义手动拆卸时间为K，引入影响因子由方程式(10)&16'定义此影响因子
K二©+K(10)式中：K为一定程度的自动化拆卸时间,s(
动化程度不仅对拆卸时间有所影响，还关联着回收利润，因此在CPLEX12.6软件中引入不同的©值进行计算，可得手动拆卸因子©对回收利润的影响，6(
15.81-------------------------
00.20.40.60.8 1.0
手动拆卸因子卩
图6手动拆卸因子©影响回收利润变化由图可知，随着手动拆卸因子卩由0.2增加到1.0,03”智能手机的拆收17.3元减少到15.9元，表明拆的自动化程度对拆卸回收利润有一定的影响。
综上，当智能手机完全拆卸时，优先选择在非破坏拆下进行自动化拆卸，同时要更多关注零收再利用的深度拆卸，以拆卸收，智能手机带来的环境
和浪费。
4结束语
针智能手机带来的日益严重的环境污染和浪费，本文提出智能手机拆卸可行性的价。该通过智能手机拆，引入模块化拆，生成拆，拆收，智能机的拆
收进行价析。分析结，拆收是一种处理机的有，除了能解决环境和浪费，还能够可观的。在拆收的过程中，要先动拆
式，并多地关注零收再利用的深度拆卸，以使智能手机的拆收利润最大化。
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