秦雪梅，俞 寧，詹 捷

(1.重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054;2.湖南大學(xué)中國(guó)汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心，長(zhǎng)沙 410012)

汽車工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，直接影響到許多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究與汽車相關(guān)聯(lián)的環(huán)境污染、資源與能源利用問(wèn)題既是環(huán)境保護(hù)的焦點(diǎn)問(wèn)題，也是汽車工業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題［1］。汽車作為一種復(fù)雜的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，從制造、使用到最終報(bào)廢，都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。如何減少和控制汽車對(duì)環(huán)境的危害已成為人們普通關(guān)心和亟待解決的問(wèn)題［2］。汽車零部件的設(shè)計(jì)變更涉及到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品材料等的變化。優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有利于改善產(chǎn)品的外形、功能和質(zhì)量，選用綠色材料有利于節(jié)約能源和資源、提高產(chǎn)品環(huán)保性。本文根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用GaBi軟件對(duì)兩種材料的汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，探索基于GaBi分析的生命周期評(píng)價(jià)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更決策中的應(yīng)用。

1 生命周期評(píng)價(jià)方法及軟件

1.1 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)是對(duì)某種產(chǎn)品或某項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)從原料開(kāi)采、加工到最終處理的一種評(píng)價(jià)方法。ISO14040將其定義為對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)［3］。一個(gè)完整的生命周期評(píng)價(jià)包括4個(gè)組成部分:目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋［4］。

1)目標(biāo)與范圍的確定。確定研究目的、系統(tǒng)邊界、功能單位和假設(shè)條件等。

2)清單分析。對(duì)所研究系統(tǒng)中的輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行匯編和量化分析。

3)影響評(píng)價(jià)。通過(guò)使用與清單結(jié)果相關(guān)的影響類型和類型參數(shù)，對(duì)清單分析階段所識(shí)別出來(lái)的環(huán)境負(fù)荷影響進(jìn)行定量和定性的描述與評(píng)價(jià)［5］。

4)結(jié)果解釋。根據(jù)目的和范圍要求對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，分析產(chǎn)品生命周期中的重大問(wèn)題，進(jìn)而形成結(jié)論和建議。

1.2 GaBi軟件

生命周期評(píng)價(jià)軟件的發(fā)展速度很快，產(chǎn)品主要有 GaBi、Boustead Model、KCL-ECO 和 Simapro等。GaBi是由德國(guó)PE-INTERNATIONAL開(kāi)發(fā)的針對(duì)產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展的LCA軟件。該軟件擁有豐富的環(huán)境數(shù)據(jù)負(fù)荷庫(kù)，數(shù)據(jù)主要來(lái)源于Ecoinvent、PE-GaBi、PlasticsEurope 和 Buwal，所含評(píng)價(jià)方法主要有 CML、EI、EDIP 和 UBP 等［6］。GaBi包含許多基本要素，主要有方案、數(shù)量、單位、流、用戶、工藝和目標(biāo)平衡等。本文所使用的軟件版本為GaBi6。

2 汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩的生命周期評(píng)價(jià)

2.1 汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩

汽車轉(zhuǎn)向器是完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)(或近似直線運(yùn)動(dòng))的一組齒輪機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速傳動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)向器防塵罩用在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，與汽車轉(zhuǎn)向拉桿連接，其主要作用是防塵和密封潤(rùn)滑脂，同時(shí)將剛性連接轉(zhuǎn)成柔性連接。防塵罩的關(guān)鍵尺寸是防塵罩與轉(zhuǎn)向拉桿球頭銷座之間的配合尺寸。對(duì)防塵罩的技術(shù)要求是防摩擦、防塵以及保證骨架內(nèi)孔尺寸與精度［7］。

2.2 目標(biāo)與范圍的確定

本文選用材料為橡膠和塑料的同一款汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩作為研究對(duì)象，目的是通過(guò)兩種材料防塵罩的生命周期評(píng)價(jià)，對(duì)比兩種材料防塵罩生命周期階段的能源和環(huán)境影響差異，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員選用產(chǎn)品材料提供參考依據(jù)。

防塵罩的整個(gè)生命周期過(guò)程如圖1所示。根據(jù)研究目的確定研究范圍，重點(diǎn)是原材料，以及防塵罩制造、使用和回收處理的全過(guò)程。與其他各階段相比，銷售和運(yùn)輸階段對(duì)環(huán)境的影響較小，故本文忽略不計(jì)。

圖1 防塵罩的生命周期過(guò)程

兩種材料防塵罩的主要參數(shù)見(jiàn)表1，表中的數(shù)據(jù)來(lái)源于重慶某汽車廠。生命周期評(píng)價(jià)的功能單位確定為單件防塵罩的產(chǎn)品質(zhì)量(kg)。

表1 某款汽車兩種材料防塵罩的主要參數(shù)

2.3 清單分析

2.3.1 原材料及其生產(chǎn)階段

由于防塵罩生產(chǎn)的配方保密，因此本文只列出部分原材料數(shù)據(jù)。單件防塵罩所需原材料見(jiàn)表2。兩種防塵罩原材料提取階段的主要污染物排放和能耗見(jiàn)表3。

表2 單件防塵罩所需的原材料

表3 兩種防塵罩原材料提取階段的主要污染物排放和能耗

2.3.2 防塵罩制造階段

1)橡膠防塵罩的生產(chǎn)采用模壓硫化成型，工藝流程為:原材料→配料系統(tǒng)→煉膠機(jī)→預(yù)成型機(jī)→硫化機(jī)→修邊機(jī)→防塵罩成品。運(yùn)用GaBi6對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 橡膠防塵罩生產(chǎn)過(guò)程的GaBi6軟件模型

從所建立的軟件模型可以看出橡膠防塵罩制造階段消耗的電能為1.774 79 MJ。單件橡膠防塵罩制造階段的輸入和輸出情況如表4所示。

表4 單件橡膠防塵罩制造階段的輸入和輸出情況

2)塑料防塵罩的生產(chǎn)過(guò)程采用吹塑成型，工藝流程為:原材料→除濕干燥供料機(jī)→吹塑機(jī)→防塵罩成品。運(yùn)用GaBi6對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3 塑料防塵罩生產(chǎn)過(guò)程的GaBi6軟件模型

從所建立的軟件模型可以看出塑料防塵罩制造階段消耗的電能為1.990 78 MJ。單件塑料防塵罩制造階段的輸入和輸出情況如表5所示。表中輸出只列出了主要的污染物排放數(shù)據(jù)。

表5 單件塑料防塵罩制造階段輸入輸出情況

2.3.3 防塵罩使用階段

兩種材料防塵罩在汽車使用壽命期間一般不會(huì)出現(xiàn)中途更換的情況。由于防塵罩在使用過(guò)程中不產(chǎn)生負(fù)面的環(huán)境影響，本文暫且忽略該階段的環(huán)境影響。

2.3.4 防塵罩回收階段

由于汽車產(chǎn)量和用量的快速增長(zhǎng)，汽車橡膠件和塑料件的回收利用對(duì)資源與環(huán)境的影響已日益凸顯。汽車的回收再生包括廢棄汽車整車的回收再生和制造過(guò)程中產(chǎn)生的不合格廢品與邊角料的回收再生兩類。制造過(guò)程中產(chǎn)生的廢料較易回收再生，而在廢棄整車處理時(shí)的材料回收是汽車回收再生的重點(diǎn)［8］。

廢舊橡膠屬于固體廢棄物，其來(lái)源主要有報(bào)廢的橡膠制品和制造過(guò)程中產(chǎn)生的邊角料與廢品。廢舊橡膠的回收利用有直接利用和物理化學(xué)加工利用兩種［9］。塑料廢棄物是伴隨著樹(shù)脂的生產(chǎn)、成型、加工、應(yīng)用和廢棄而產(chǎn)生的。TPV作為一種通用熱塑性彈性體具有熱塑性，可反復(fù)利用，廢棄物回收比較容易，只是熱塑性彈性體產(chǎn)品數(shù)量少，在廢棄物收集和分類方面存在問(wèn)題［10］。處理好廢舊橡膠和廢舊塑料對(duì)利用再生資源、減少環(huán)境污染和改善人類生存環(huán)境具有非常重大的意義。

3 影響評(píng)價(jià)

運(yùn)用LCA軟件GaBi6對(duì)橡膠防塵罩和塑料防塵罩進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，得到兩種材料防塵罩生命周期階段對(duì)能源與環(huán)境的影響評(píng)價(jià)結(jié)果。

1)初級(jí)能源消耗對(duì)比。從軟件分析結(jié)果可以得出兩種材料防塵罩的初級(jí)能源消耗，如表6所示。兩種材料防塵罩的初級(jí)能源消耗總量為38.674 6 MJ，橡膠防塵罩的初級(jí)能源消耗所占比重為69%。從節(jié)能的角度考慮，塑料防塵罩比橡膠防塵罩更節(jié)能。

表6 兩種材料防塵罩的能源消耗對(duì)比 MJ

2)兩種防塵罩的污染物排放對(duì)比。選擇對(duì)環(huán)境影響較大的氣體CO、CO2、NO、NO2和SO2作為主要的污染物考慮。表7列出了兩種材料防塵罩的主要污染物排放數(shù)據(jù)，圖4為兩種防塵罩的污染物排放對(duì)比分析數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示:橡膠防塵罩的CO2排放值遠(yuǎn)大于塑料防塵罩，橡膠防塵罩對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)大于塑料防塵罩。

表7 兩種材料防塵罩的污染物排放 kg

圖4 兩種材料防塵罩的污染物排放對(duì)比

3)酸雨(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、臭氧分解(ODP)和溫室效應(yīng)(GWP)的對(duì)比。圖5為兩種材料防塵罩的環(huán)境影響結(jié)果對(duì)比，圖中數(shù)據(jù)來(lái)源于GaBi6軟件數(shù)據(jù)庫(kù)。由圖5可知:橡膠防塵罩的環(huán)境影響值大于塑料防塵罩;溫室效應(yīng)的影響較為顯著。

圖5 兩種材料防塵罩環(huán)境影響對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

TPV材料防塵罩的質(zhì)量小于丁腈材料防塵罩，為汽車減重和節(jié)能作出了貢獻(xiàn)。在兩種防塵罩的原材料提取階段和加工制造階段，TPV材料防塵罩的環(huán)境影響小于丁腈材料防塵罩。雖然TPV材料防塵罩在制造階段的電能消耗大于丁腈材料防塵罩，但在總的能源消耗方面，TPV材料防塵罩遠(yuǎn)小于丁腈材料防塵罩。由于塑料是省資源、節(jié)能型的材料，TPV材料的回收利用性能也優(yōu)于丁腈材料。在進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩材料設(shè)計(jì)變更時(shí)，不考慮兩種材料產(chǎn)品的成本因素，而只考慮產(chǎn)品的節(jié)能性、環(huán)保性和質(zhì)量可靠性。通過(guò)對(duì)兩種材料零件進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)對(duì)比分析，表明TPV材料零件的整體性能優(yōu)于丁腈材料零件。

本研究存在以下不足:采集數(shù)據(jù)的完整性有限;對(duì)某些生命周期階段進(jìn)行了忽略假設(shè);在運(yùn)用GaBi6軟件進(jìn)行分析時(shí)對(duì)某些材料進(jìn)行了替代。未來(lái)可針對(duì)上述不足做進(jìn)一步研究。

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