應用GaBi的兩種汽車轉向器防塵罩的綠色評價

秦雪梅，俞 寧，詹 捷

(1.重慶理工大學 a.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室;b.機械工程學院，重慶 400054;2.湖南大學中國汽車技術與產(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產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究與汽車相關聯(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)展的關鍵問題［1］。汽車作為一種復雜的現(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心和亟待解決的問題［2］。汽車零部件的設計變更涉及到產(chǎn)品結構、產(chǎn)品材料等的變化。優(yōu)化產(chǎn)品結構有利于改善產(chǎn)品的外形、功能和質量，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)品設計變更決策中的應用。

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:目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋［4］。

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

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。通過使用與清單結果相關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)結果解釋。根據(jù)目的和范圍要求對評價結果進行評估，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、工藝和目標平衡等。本文所使用的軟件版本為GaBi6。

2 汽車轉向器防塵罩的生命周期評價

2.1 汽車轉向器防塵罩

汽車轉向器是完成旋轉運動到直線運動(或近似直線運動)的一組齒輪機構，同時也是轉向系統(tǒng)中的減速傳動裝置。轉向器防塵罩用在汽車轉向系統(tǒng)上，與汽車轉向拉桿連接，其主要作用是防塵和密封潤滑脂，同時將剛性連接轉成柔性連接。防塵罩的關鍵尺寸是防塵罩與轉向拉桿球頭銷座之間的配合尺寸。對防塵罩的技術要求是防摩擦、防塵以及保證骨架內孔尺寸與精度［7］。

2.2 目標與范圍的確定

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)境的影響評價結果。

1)初級能源消耗對比。從軟件分析結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(GWP)的對比。圖5為兩種材料防塵罩的環(huán)境影響結果對比，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 結束語

TPV材料防塵罩的質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。在進行汽車轉向器防塵罩材料設計變更時，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;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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