張雷+徐國浩+張偉偉++張城++魏長慶
摘 要:為了支持汽車整車及其關鍵零部件的綠色設計研發(fā),以提高汽車產(chǎn)品的環(huán)境友好性、可再生利用性為目的,本文針對主要材料為改性PP聚丙烯(Polypropylene,PP)聚丙烯)的兩款汽車副儀表板進行了生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)對比分析,采用GaBi 4 軟件對生產(chǎn)制造過程中的物料消耗、能源消耗以及對外排放進行統(tǒng)計分析,并利用CML2001方法評價了生產(chǎn)制造及回收過程中的環(huán)境影響。對比分析結(jié)果表明:,A型汽車副儀表板較B型來說,在生產(chǎn)回收過程中,能耗、環(huán)境酸化和溫室效應影響較嚴重,故優(yōu)化現(xiàn)有的原材料制備工藝與成分含量,改良汽車副儀表板結(jié)構(gòu)設計是減少環(huán)境影響的有效途徑。
關鍵詞:生命周期評價;GaBi 軟件;汽車副儀表板;改性聚丙烯PP材料;酸化
中圖分類號:TH145.4;;U463 文獻標識碼:A
Life Cycle Assessment of Vice Dashboard Assembly of Automobile
Zhang Lei1,Xu Guohao1,Zhang Weiwei1,Zhang Cheng1,Wei Changqing2
(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, ,Hefei University of Technology, ,Hefei 230009, ,Anhui,China;
2. Chery Automobile Co.,Ltd, ,Wuhu 241000,,Anhui, China)
Abstract:In order to support the green design and development of automobile and its key components,to improve the environmental friendliness and renewable of automotive products, this paper is about LCA analysis of the vice dashboard of automobile made of the modified PP (polypropylene), using GaBi 4 software to make statistical analysis of material consumption, energy consumption and external emissions in the manufacturing process, and taking advantage of the CML2001 method to evaluate the environmental impact in manufacturing and recycling processes. The results show that: Compared with the vice dashboard of automobile of type B, in manufacturing and recycling processes of vice dashboard assembly of automobile of type A, the effects of energy consumption environmental acidification and Greenhouse are more serious, its the effective ways to reduce effects that optimizing the existing preparation technology of materials and improving the structural design of a vice dashboard assembly of automobile.
Key words:life cycle assessment (LCA); GaBi software; vice dashboard of automobile; modified Polypropylene PP; acidification
0. 引 言
在我國,汽車工業(yè)是的能源和資源消耗較多,污染物排放也比較嚴重的部門之一。面對汽車產(chǎn)量和保有量的高速增長,我們不得不關注汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展所必須面臨的生態(tài)環(huán)境問題[1]。雖然新型材料零部件的應用使汽車在行駛過程中的油耗降低,在一定程度上節(jié)約了能源和也減少了環(huán)境污染,但其原材料獲取和加工制造階段的能耗和污染物排放量將大于對傳統(tǒng)材料的獲取和制造[2]。所以對汽車關鍵零部件進行生命周期分析,是改良汽車材料,提高汽車性能,減輕環(huán)境污染的重要依據(jù),也是實現(xiàn)生命周期評價方法在產(chǎn)品設計和生產(chǎn)階段應用的有效途徑。
1. 改性聚丙烯材料
改性聚丙烯(PP)作為轎車副儀表板的材料,具有熔體流動性能好、注塑質(zhì)量高、力學性能好、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱等級高等優(yōu)點,特別是具有更好的強度、剛性和裝飾性,對提高汽車性能、和質(zhì)量、,保障汽車使用安全和車身輕量化等都有著積極的意義[3]。近年來,將普通聚丙烯經(jīng)過填充、增強、共混改性再作為原料制作汽車、電器、儀表等工業(yè)配套零部件也已成為其重要的應用領域。例如使用共聚聚丙烯或經(jīng)過改性的聚丙烯可制作汽車保險杠、儀表板、方向盤、蓄電池外殼、支架、擋泥板、曲柄、止動器、風扇葉片、空調(diào)罩殼等[4],但是常用的改性PP聚丙烯(PP+EPDM)多含有橡膠等材料,橡膠材料的制備多采用硫化的方式,這難免造成生產(chǎn)的過程中放出過多的SO2氣體,造成環(huán)境的酸化污染。
2. 副儀表板總成的生命周期評價
2.1. 生命周期評價方法
生命周期評價( Life Cycle Assessment LCA )是一種評價產(chǎn)品、工藝過程或活動從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護、循環(huán)利用和最終處理整個生命周期系統(tǒng)有關的環(huán)境負荷的過程[5]。ISO 對LCA 的定義是::匯總和評估一個產(chǎn)品(或服務)體系在其整個生命周期間的所有投入及產(chǎn)出對環(huán)境造成潛在影響的方法[6]。一個完整的生命周期評價LCA包括4個組成部分: :目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋[7]。
(1)目標與范圍定義
該階段是對LCA研究的目標和范圍進行界定,是LCA研究中的第一步,也是最關鍵的部分。
(2)清單分析
清單分析是對所研究系統(tǒng)中輸入和輸出數(shù)據(jù)建立清單的過程。清單分析主要包括數(shù)據(jù)的收集和計算,以此來量化產(chǎn)品系統(tǒng)中的相關輸入和輸出。
(3)影響評價
影響評價的目的是根據(jù)清單分析階段的結(jié)果對產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響進行評價。這一過程將清單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體的影響類型和指標參數(shù),更便于認識產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響。
(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[8]。
2.2. 汽車副儀表板總成
汽車副儀表板總成是指位于駕駛座旁邊的用于安裝手剎制動和換檔換擋桿等部件的儀表板,,包括副儀表板 、煙灰缸內(nèi)外殼、電子按鈕板、橡膠墊及彈簧卡子等配件,,這些部件大部分為塑料件[9]。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,,對副儀表板總成件的質(zhì)量要求也越來越高,PP改性材料以其良好的加工性能、沖擊性能以及密度小等優(yōu)點在汽車副儀表板制造中用量較大[10]。
2.3. 目標與范圍的確定
本文選用本體材料為PP+EPDM-T20和GMT(PP+GF)的某兩款汽車副儀表板總成作為研究對象,目的是通過對這該兩款車型副儀表板總成的LCA生命周期評價,分析副儀表板總成生命周期階段的能源和環(huán)境影響,為車企產(chǎn)品設計人員選用產(chǎn)品材料和改進車型零部件結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。
汽車副儀表板總成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,其重點是原材料,以及產(chǎn)品生產(chǎn)制造、使用和回收處理的全過程。與其他它各階段相比,銷售和運輸階段對環(huán)境的影響較小,故本文可對其忽略不計。因此,把汽車副儀表板總成的整個生命周期過程分為原材料獲取、加工制造、使用和回收處理4個階段。
圖1 副儀表板總成的生命周期過程
某兩款車型的不同材料副儀表板總成的主要參數(shù)見表1,表中的數(shù)據(jù)來源于某汽車廠。生命周期評價LCA的功能單位確定為單件汽車副儀表板總成的產(chǎn)品質(zhì)量((kg))。
表1 某兩款汽車副儀表板總成的主要參數(shù)
參數(shù) A款車型副儀表板本體總成 B款車型副儀表板本體總成
單件副儀表板本體總成質(zhì)量/kg 2.228 2.562
主要成分 PP+EPDM PP+GF
生產(chǎn)工藝 注塑成型 沖壓成型
結(jié)構(gòu)特征 上下本體聯(lián)接造型 整體造型
汽車壽命/a 15 15
回收方式 回收再成型 回收再成型
注: 汽車壽命按15 a行駛30 0000 km
用改性聚丙烯制造注塑成型儀表板的工藝過程為:原料干燥-注塑成型-修整-包裝[11]。
2.4. 清單分析
2.4.1. 原材料及其生產(chǎn)階段
由于生產(chǎn)的配方保密,因此本文只列出部分原材料數(shù)據(jù)。兩款車型副儀表板本體總成的主要零部件及其原材料清單如見表2和表3所示。副儀表板本體總成原材料提取階段的主要污染物排放和能耗見表4。
表2 A款車型單件副儀表板本體總成所需的原材料
所需材料名稱 材料質(zhì)量/kg 所含主要物質(zhì)名稱 物質(zhì)質(zhì)量/kg 備注
PP+EPDM-T20 1.805 填充熱塑性塑料
聚丙烯 1.173 3 含量比例65%
乙烯丙烯共聚物 0.180 5 含量比例10%
滑石粉 0.306 9 含量比例17%
ABS 0.169 非填充熱塑性塑料
丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物 0.152 1 含量比例90%
65Mn 0.09 低合金鋼
鐵 0.087 8 含量比例97.6%
電鍍鋅 0.035 鋅合金
鋅 0.034 8 含量比例99.4%
45CrNi 0.002 高合金鋼
鐵 0.001 9 含量比例96.5%
電鍍鋅鎳 0.002 鋅合金
鋅 0.001 9 含量比例92.8%
PE 0.016 非填充熱塑性塑料
聚乙烯 0.016 0 含量比例100%
45鋼 0.001 低合金鋼
鐵 0.0010 含量比例98.6%
EPDM 0.004 橡膠
乙烯丙烯共聚物 0.0018 含量比例45%
炭黑 0.0010 含量比例25%
注:PP-聚丙烯,EPDM-三元乙丙橡膠,T-滑石粉。,ABS-丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物,A-丙烯腈,B-丁二烯,S-苯乙烯。,PE-聚乙烯。
表3 B款車型單件副儀表板本體總成所需的原材料
所需材料名稱 材料質(zhì)量/kg 所含主要物質(zhì)名稱 物質(zhì)質(zhì)量/kg 備注
PP+GF 2.014 玻璃鋼
聚丙烯 1.409 8 含量比例70%
玻璃纖維 0.604 2 含量比例30%
ABS 0.465 非填充熱塑性塑料
丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物 0.418 5 含量比例90%
70G30HSLR 0.09 填充熱塑性塑料
尼龍 0.061 2 含量比例68%
玻璃纖維 0.026 1 含量比例29%
金屬鋅 0.0008 鋅合金
鋅 0.000 8 含量比例99.4%
POM 0.0042 非填充熱塑性塑料
多聚甲醛 0.004 1 含量比例98%
聚氨酯 0.01 非填充熱塑性塑料
二氧化鈦 0.006 0 含量比例60%
聚氨酯 0.003 9 含量比例39%
SWRCH18A 0.0285 低合金鋼
鐵 0.028 1 含量比例98.5%
EPDM 0.011 橡膠
乙烯丙烯共聚物 0.004 9 含量比例45%
炭黑 0.002 7 含量比例25%
注:POM-聚甲醛。,70G30HSLR-尼龍樹脂。,ABS-丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物,A-丙烯腈,B-丁二烯,S-苯乙烯。,SWRCH18A –冷鐓鋼。
表4 副儀表板本體總成原材料提取階段主要污染物排放和能耗 (單位:kg)
污染物與能耗 PP+EPDM材料提取階段 PP+GF材料提取階段
能耗/MJ 322.669 149.927
污染物 CO2 2.450 CO2 1.147
CO 8.37×10-4 CO 1.76×10-4
SO2 3.64×10-3 SO2 1.18×10-4
NO 2.77 E-11 NO 6.65 E-12
注:數(shù)據(jù)來源于GaBi4軟件數(shù)據(jù)庫。
2.4.2. 汽車副儀表板總成制造階段
A款汽車副儀表板本體總成主要是上下兩塊副儀表板組成,如見表5所示,其主要材料為聚丙烯(PP)作為基體,混有橡膠(EPDM)增韌劑和礦物粉填料。其主體部件的主要生產(chǎn)主要工藝采用注塑成型,將干燥后的塑料粒子在注塑機中通過螺桿剪切和料桶加熱熔融后注入模具中冷卻成型,。工藝流程為::注塑(儀表板本體等零件)→ 焊接(主要零件)→ 裝配(相關零件)[12]。而B款汽車副儀表板本體總成則是整體沖壓造型,所含結(jié)構(gòu)如見表6所示,其主要材料為聚丙烯(PP)作為基體,并混有玻璃纖維(GF)。其工藝制造流程為:將玻璃纖維氈和PP片材疊合后,經(jīng)加熱、加壓、浸漬、冷卻定型和切斷等工序制成GMT片材,然后采用沖壓成型工藝,按樣板將GMT片料下料,加熱到一定溫度裝模,快速合模加壓,經(jīng)冷卻、脫模、切邊和修整得到GMT制品。運用GaBi4軟件對汽車副儀表板本體總成生產(chǎn)過程進行建模,如圖2所示。
圖2 汽車副儀表板本體總成生產(chǎn)過程的GaBi4軟件模型
由于汽車副儀表板本體總成零部件數(shù)量太多,本文主要考慮主要零部件機加工過程中的耗電量,具體數(shù)據(jù)如見表5和表6所示。
表5 A型副儀表板本體總成關鍵零部件加工制造階段所需能耗
零件 材料 重量/kg 數(shù)量 能耗/MJ
副儀表板上本體 PP+EPDM-T20 0.583 1 1.024 214
副儀表板下本體 PP+EPDM-T20 1.040 1 1.827 072
副儀表板前擋板 ABS 0.120 1 0.186 408
墊塊 PE 0.004 4 0.007 236
杯托總成 ABS/PP+EPDM-T20 0.1 1 0.162 472
電話儲藏室總成 ABS/PP+EPDM-T20 0.138 1 0.223 561
表6 B型副儀表板本體總成關鍵零部件加工制造階段所需能耗
零件 材料 重量/kg 數(shù)量 能耗/MJ
副儀表板本體 PP+GF 1.208 1 3.408 521
鉸鏈銷 70G30HSLR 0.013 1 0.031 485
扶手箱包覆骨架 ABS 0.225 1 0.349 515
杯托總成 ABS/PP+GF 0.21 1 0.592 441
儲物盒 ABS/PP+GF 0.44 1 1.231 492
2.4.3. 汽車副儀表板總成使用階段
副儀表板總成在汽車使用壽命期間一般不會出現(xiàn)中途更換的情況。由于副儀表板總成在使用過程中不產(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。
2.4.4. 汽車副儀表板總成回收階段
由于汽車產(chǎn)量和用量的急速增長,報廢汽車典型塑料零部件的回收利用對資源與環(huán)境的影響已日益凸顯。廢舊汽車最理想的回收方式就是原零件重用或再制造,再制造就是將已經(jīng)損耗的產(chǎn)品重新恢復到既有利用價值又有經(jīng)濟價值的狀態(tài),是循環(huán)經(jīng)濟的高級形式[13]。
儀表板因涉及種各種材料而成為汽車上較難回收的零件之一。PP類儀表板的回收再利用,一般采用將廢舊PP儀表板粉碎,添加由70%~92%的石蠟聚合物和8%~30%的無機填料組合的混合物,之后加熱熔融和捏煉,生產(chǎn)樹脂合成物,并將其用作生產(chǎn)新儀表板的基體[14]。單件汽車副儀表板總成粉碎過程消耗電能為0.068 kW·h,加熱熔融過程消耗電能1.50 kW·h。處理好廢舊汽車典型塑料零部件對利用再生資源、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. 環(huán)境影響評價
對兩款汽車副儀表板總成進行全生命周期分析后,選取對環(huán)境影響較大的幾種污染物作為研究對象。表7列出了兩款副儀表板本體總成污染物排放量,圖3為兩款副儀表板本體總成污染物對比分析數(shù)據(jù)圖。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示:A型汽車副儀表板總成較B型產(chǎn)生更多的污染物,其對環(huán)境的影響也比B型大。
表7 兩款副儀表板總成污染物排放量 (單位:kg)
主要污染物 A型副儀表板總成 B型副儀表板總成
CO2 80.357 89 38.306 860
CO 1.931 672 0.053 755
CH4 3.006 130 0.089 875
SO2 4.535 942 0.343 631
NOx 6.283 110 0.223 391
圖3 兩款汽車副儀表板總成污染物對比數(shù)據(jù)圖
運用LCA軟件GaBi4對兩款汽車副儀表板總成進行生命周期評價,可得到主要材料為改性PP的汽車副儀表板總成生命周期階段對能源與環(huán)境的影響評價結(jié)果。最終將其全生命周期環(huán)境影響按照CML2001[CML2001 - Dec. 07,Western Europe(EU)]生命周期影響評價方法進行標準化和加權(quán)評估,結(jié)果如圖4所示。
圖4 兩款汽車副儀表板總成的環(huán)境影響對比圖
由圖4可知,生產(chǎn)汽車副儀表板本體總成過程所產(chǎn)生的主要環(huán)境影響主要為溫室效應與環(huán)境酸化,而原材料PP/EPDM較PP/GF對環(huán)境造成的影響更為明顯。其主要原因為這主要是因為PP/EPDM材料的生產(chǎn)主要采用動態(tài)硫化的方法[15],在制備過程中能耗較大并附帶會產(chǎn)生大量SO2氣體。
4. 結(jié)束語結(jié)論
一.(1)汽車零部件原材料的制備、生產(chǎn)制造、使用和回收過程都對環(huán)境有影響, 需進行全生命周期分析才能做出全面合理的評價。
二.(2)由汽車副儀表板總成生命周期評價結(jié)果顯示,溫室效應和酸化的環(huán)境影響較為顯著。
三.(3)GaBi軟件基于LCA方法對汽車副儀表板本體總成進行生命周期分析,找出了其生命過程中對環(huán)境影響最大的階段和影響類型,從而為制定汽車零部件綠色生產(chǎn)方案做準備。
四.(4)造成環(huán)境影響的原因主要是汽車副儀表板生產(chǎn)工藝過程中原材料的獲取及生產(chǎn)造成的。因此,要降低環(huán)境影響可以改進其PP/EPDM材料的生產(chǎn)工藝、,調(diào)整改性PP材料的成分含量、,使用PP/GF材料替代,提高生產(chǎn)效率,提高能源的利用效率。
五.(5)由A型副儀表板本體總成與B型結(jié)構(gòu)特征比較可知,對汽車生產(chǎn)制造商而言,可以優(yōu)化副儀表板總成結(jié)構(gòu)設計,改進注塑模具,將副儀表板上下本體融合,形成整體副儀表板本體,以減少主體材料與連接緊固件的使用量,達到汽車副儀表板設計集安全性、綠色性、舒適性與輕量化于一身的目的。
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作者簡介:
責任作者:張 雷(1978-),男,,安徽合肥人,。博士,主要研究方向為機電產(chǎn)品綠色設計與制造。
Tel:13956088853
E-mail:zhlei@hfut.edu.cn
通訊作者:徐國浩(1988-),,男,, 山東煙臺人,。碩士,主要研究方向為機械制造及其自動化。
Tel:13696508198
E-mail:guohaodaxia.student@sina.com
通訊地址:安徽省合肥市合肥工業(yè)大學屯溪路124信箱