秦雪梅，俞 寧，詹 捷

(1.重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室;b.機械工程學(xué)院，重慶 400054;2.湖南大學(xué)中國汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心，長沙 410012)

汽車工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(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、資源與能源利用問題既是環(huán)境保護的焦點問題，也是汽車工業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題［1］。汽車作為一種復(fù)雜的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，從制造、使用到最終報廢，都會對環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。如何減少和控制汽車對環(huán)境的危害已成為人們普通關(guān)心和亟待解決的問題［2］。汽車零部件的設(shè)計變更涉及到產(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)生命周期評價方法，運用GaBi軟件對兩種材料的汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩進行環(huán)境影響評價，探索基于GaBi分析的生命周期評價方法在產(chǎn)品設(shè)計變更決策中的應(yīng)用。

1 生命周期評價方法及軟件

1.1 生命周期評價方法

生命周期評價(life cycle assessment，LCA)是對某種產(chǎn)品或某項生產(chǎn)活動從原料開采、加工到最終處理的一種評價方法。ISO14040將其定義為對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價［3］。一個完整的生命周期評價包括4個組成部分:目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(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。對所研究系統(tǒng)中的輸入和輸出數(shù)據(jù)進行匯編和量化分析。

3)影響評價。通過使用與清單結(jié)果相關(guān)的影響類型和類型參數(shù)，對清單分析階段所識別出來的環(huán)境負荷影響進行定量和定性的描述與評價［5］。

4)結(jié)果解釋。根據(jù)目的和范圍要求對評價結(jié)果進行評估，分析產(chǎn)品生命周期中的重大問題，進而形成結(jié)論和建議。

1.2 GaBi軟件

生命周期評價軟件的發(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PE-INTERNATIONAL開發(fā)的針對產(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)負荷庫，數(shù)據(jù)主要來源于Ecoinvent、PE-GaBi、PlasticsEurope 和 Buwal，所含評價方法主要有 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價

2.1 汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩

汽車轉(zhuǎn)向器是完成旋轉(zhuǎn)運動到直線運動(或近似直線運動)的一組齒輪機構(gòu)，同時也是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速傳動裝置。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滑脂，同時將剛性連接轉(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象，目的是通過兩種材料防塵罩的生命周期評價，對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)計人員選用產(chǎn)品材料提供參考依據(jù)。

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

圖1 防塵罩的生命周期過程

兩種材料防塵罩的主要參數(shù)見表1，表中的數(shù)據(jù)來源于重慶某汽車廠。生命周期評價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→預(yù)成型機→硫化機→修邊機→防塵罩成品。運用GaBi6對生產(chǎn)過程進行建模，如圖2所示。

圖2 橡膠防塵罩生產(chǎn)過程的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)過程采用吹塑成型，工藝流程為:原材料→除濕干燥供料機→吹塑機→防塵罩成品。運用GaBi6對生產(chǎn)過程進行建模，如圖3所示。

圖3 塑料防塵罩生產(chǎn)過程的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出現(xiàn)中途更換的情況。由于防塵罩在使用過程中不產(chǎn)生負面的環(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，汽車橡膠件和塑料件的回收利用對資源與環(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。制造過程中產(chǎn)生的廢料較易回收再生，而在廢棄整車處理時的材料回收是汽車回收再生的重點［8］。

廢舊橡膠屬于固體廢棄物，其來源主要有報廢的橡膠制品和制造過程中產(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題［10］。處理好廢舊橡膠和廢舊塑料對利用再生資源、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 影響評價

運用LCA軟件GaBi6對橡膠防塵罩和塑料防塵罩進行生命周期評價，得到兩種材料防塵罩生命周期階段對能源與環(huán)境的影響評價結(jié)果。

1)初級能源消耗對比。從軟件分析結(jié)果可以得出兩種材料防塵罩的初級能源消耗，如表6所示。兩種材料防塵罩的初級能源消耗總量為38.674 6 MJ，橡膠防塵罩的初級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比 MJ

2)兩種防塵罩的污染物排放對比。選擇對環(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比分析數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示:橡膠防塵罩的CO2排放值遠大于塑料防塵罩，橡膠防塵罩對環(huán)境的影響遠大于塑料防塵罩。

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比

3)酸雨(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、臭氧分解(ODP)和溫室效應(yīng)(GWP)的對比。圖5為兩種材料防塵罩的環(huán)境影響結(jié)果對比，圖中數(shù)據(jù)來源于GaBi6軟件數(shù)據(jù)庫。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)境影響對比

4 結(jié)束語

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。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。在進行汽車轉(zhuǎn)向器防塵罩材料設(shè)計變更時，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。通過對兩種材料零件進行生命周期評價對比分析，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;對某些生命周期階段進行了忽略假設(shè);在運用GaBi6軟件進行分析時對某些材料進行了替代。未來可針對上述不足做進一步研究。

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