绿色设计在现代生产中的应用研究

绿色设计在现代生产中的应用研究1 研究背景1.1 产品的绿色设计需求市场经济情况下，工业企业为了满足不断增长的物质需求，开发出品种更多、质量更好、性能更强的产品。然而，企业追求最髙生产利润的本质，先天性地决定了其较少考虑生产中的环境问题，这导致了掠夺式的资源消耗以及废物排放等活动的发生，激化了工业产品与地球资源、环境保护之间的矛盾，最终使人类的发展难以为继。因此，人们提出了可持续发展的需求，要求产品须达到节约资源和能量、保护环境、保护人体健康三方面的要求，而在实际生产活动中，这些需求又衍生出各类次生需求，包括遵守环保法规、应对绿色贸易壁查、迎合绿色消费等，它们之间的关系如图 1-1所示。绿色设计(Green Design， GD)便是为应对产品的绿色需求而产生的设计方法，也称为生态设计(Ecological Design， ED)、环境化设计(Design forEnvironment， DFE )、生命周期设计(Life Cycle Design， LCD )或环境意识设计 (Environmental Conscious Design， BCD)等，虽然说法不同，但其含义大体一致，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等)并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。绿色设计是传统产品设计的延伸，如图 1-2 所示，它所面向对象不再是产品本身，而是整个产品系统。产品系统涵盖了产品从原材料获取、设计制造、包装流通、使用维护，一直到拆卸回收和报废处置的整个生命周期，绿色设计便是在产品系统的层面来考虑资源的消耗以及对环境的影响，寻找并釆用尽可能合理和优化的结构和方案，使资源的消耗以及环境的负面影响降到最低。因此，绿色设计的涉及面更广，包括 T能减排设计、产品可回收设计、产品再制造设计、包装运输设计等，这些内涵之间却由于在设计方法和理念等方面存在较大的差异，无法融合成统一的技术体系，显得庞杂。同时，绿色设计的也需求比较模糊，更依赖于人的经验。例如，在电子产品的包装设计中往往要求采用纸质包装来确保环保性，但是只有经验丰富的设计者才能意识到可以通过點胶取代钟钉，并要求供应商保证翁胶成分中不含有害物质来进一步提高产品环保性，而一般设计任务书中难以提出如此明确、细致的需求。绿色设计和传统设计在设计过程、设计目标、考核指标、知识内容、设计成果以及设计效益等方面存在着很大的不同，表 1-1 为绿色设计和传统设计的比较。这些差异导致了绿色设计在企业中难以实施，设计人员普遍不了解绿色设计知识，不知道如何寻找、利用绿色设计知识，因此有必要对绿色设计知识展开研究。1.2 国内外研究现状近二十年来，绿色设计已逐步成为设计领域的研究热点，国内外学者都对其展开了全面深入的研究，绿色设计的理论体系也随着各专家学者的研究处于逐步完善的过程中 1-3。绿色设计过程是一个典型的面向产品全生命周期的设计过程，如图 1-2 所示:1.2.1 国外绿色设计研究现状国外尤其是欧美国家和日本的相关研究机构对绿色设计研究比较早，作了大量的研究工作，取得了不错的研究成果，并且这些国家在绿色设计方面的推行力度比较大，绿色设计研究理论成果能够很好的与企业的生产相结合。这方面，已经走在了世界的前列。(1)国外绿色材料选择研究现状对于机电产品绿色设计的材料选择方面的内容，国外学者进行了大量的研究，取得一定的研究成果。R。Venkata R4针对给定工程组件的材料选择进行了详细的研究，提出了“材料适应性指数”的概念，并提出了基于图论和矩阵的材料多目标选择决策模型。Kalpesh Maniya 与 M。G 。Bhatt 5提出了 一种基于“偏好指数(PSI)“的材料选择方法，并对该方法进行了一致性检验，实验研究表明PSI 方法是一种合理适用的材料选择方法。R 。 Jeya Girabha， s。 vinodh6针对汽车组件的材料选择提出了一种基于模糊 VIKOR 和环境影响分析的材料选择模型，对汽车组件的材料进行了合理的选择。(2)国外拆卸性设计研究现状拆卸设计是产品绿色设计的又一项重要内容，拆卸性能的好坏直接影响到产品后期的回收工作，一个具有良好拆卸性能的机电产品，当产品报废后，能够简化产品的回收重用过程，节省拆卸时间，从而达到节约资源，减少环境污染的目的。因此，在这方面，国外学者也对相关内容进行了研究。例如，Rahman 等 7针对报废汽车产品采用遗传算法对其拆卸序列进行优化。日本东京大学在 1996 年提出了逆生产理论，该理论主要用于针对产品的拆卸及拆卸下来的零部件的回收利用和再制造处理等，从而更好的解决废旧产品的处理问题。Shinichiro 8提出了基于 LCA 的废旧家电产品主动拆卸技术，为家电产品的设计提供了理论支撑，简化了家电产品报废后的拆卸过程，提高了拆卸效率。(3)国外回收设计研究现状对于机电产品的回收性设计，各国尤其是部分发达国家在这方面投入了大量的人力物力对其进行了深入的研究，并将回收设计的理论研究成果与生产实践有机的结合，取得了很好的经济效益。J Mar-Ortiz 等 9针对废旧电子产品的收集，提出了废旧电子产品的回收网络模型，提高了废旧电子产品的回收效率。GSelige 等详细地研究了以废旧机电产品回收价值为评价因素的回收方法。在产品设计与回收理论方面，提出长远规划和现时规划。1995 年，A。 Kriwet 针对机电产品的回收提出了回收网络模型，并对产品回收性设计准则进行了详细的研究。(4)国外生命周期评价研究现状在机电产品生命周期评价方面。我们知道绿色设计的目的就是为了生产出具有环境友好性的绿色产品，所以衡量绿色设计的优劣可以通过对绿色产品的绿色性能进行评估，国外的相关研究机构和专家学者对其展开了深入的研究。OngSK，KohTH 等 10针对机电产品的评价体系特点，提出了基于层次分析法的机电产品绿色度评价模型。Niall Murtagh 等 11开发设计出了一款面向机电产品的生态设计评价工具。Edgar0 等 12对产品及产品生产过程对环境的影响评价进行了系统的研究，为产品绿色度评价提供了科学的依据。1.2.2 国内绿色设计研究现状(1)国内绿色材料选择研究现状四川大学的周长春等 13提出了一种基于神经网络和遗传算法的材料选择模型，并在冰箱壳体的材料选择应用上得到验证。彭安华，岳睿 14对材料选择的多目标决策进行了研究，在充分考虑产品质量及成本的前提下，提出了基于 Choquet 积分的材料选择混合关联多属性决策方法，并以滑动轴承为例，验证了该方法的有效性。合肥工业大学的王雁，黄海鸿，刘光复等 15考虑到材料多属性决策的不确定性，提出了基于集对分析的材料多属性决策模型。(2)国内拆卸性设计研究现状国内针对拆卸设计的研究目前主要还是集中在拆卸序列的规划和拆卸模型的建立两方面。江吉彬 16针对多数拆卸设计理论的计算过程复杂、难以实际应用的问题，提出了基于层次网络图模型的可拆卸性设计，降低了拆卸理论与工程实践结合的难度。赵树恩等 17针对废旧汽车的拆卸技术进行了研究，提出了关于废旧汽车的可拆卸性设计系统模型，为汽车工业的可持续发展提供了科学的方法。南京航空航天大学孙有朝等 18在着重考虑拆卸效率的基础上，提出了基于零件故障率和拆卸时间的产品拆卸性定量评估方法，并通过相关的实例研究验证了该方法的实际应用价值。(3)国内回收设计研究现状国内对于机电产品回收性设计旳研究也取得了一定的进展，很多高校都在这方面投入了大量的精力进行研究，其中以合肥工大刘光复教授为代表的科研团队在这方面取得了较多的研究成果。王淑旺 19为了实现废旧产品回收方案的择优选择，提出了产品回收性能评估模型，并开发设计了对应的回收设计支持系统。刘学平 20提出了基于神经网络的机电产品回收评估方法。凌波 21针对汽车产品的回收利用，开发了汽车产品的回收信息管理系统。(4)国内产品绿色度评价研究现状目前，国内对于机电产品绿色度评价的研究，主要还是集中在评价指标体系科学合理的建立，寻求适当的评价方法以及评价工具的开发等方面。浙江大学的苏庆华 22对机电产品的评价指标体系的构建进行了研究，提出了面向机电产品的绿色度评价模型，并开发了具有使用价值的机电产品绿色度评价系统。王桂萍 23等提出了基于模糊可拓层次分析法的产品绿色度评价方法，并以此对数控机床的绿色度进行评价，得到与实际相符的结果。刘英会 24等在分析了传统模糊层次分析法在选择隶属函数时引起的复杂性和不准确性，提出了基于改进层次分析法的产品绿色度评价方法，并将其应用于冰箱的绿色度评价，取得了预期的效果。国内的很多高等院校在机电产品的绿色设计研究方面取得一定的研究成果，尤其是绿色设计理论在这些年的研究下正在逐步完善。目前，虽然国内的企业对机电产品的绿色设计也逐步重视起来，但就总体研究情况而言与国外还有较大的差距，只有为数不多的企业开展绿色制造的相关试点工作，且企业对于绿色设计的研究工作还未深入开展。2 绿色设计在现代生产中的应用2.1 工程机械工程机械在中国装备工业中占有重要的地位,是中国装备工业的重要组成部分。总的来讲,只要是路面修建,石施工,流动式的起重装卸作业及一些建筑构建等所需的机械设备,称为工超机械。它的主要用途有;、交通运输工程建设、工业与民用建筑、资源与能源工业建设和生产、矿山等原材料加王工业建设和生产、国防建设工程、农林水利维护和建设、城乡建设、化态环境保护等领域。当今,各个国家虽然对工程机械有着不同的定义,但称为在一定程度上有大的相似么处,如日本称为建设机械,美国和英国称为建筑机械与设备,俄罗斯称为建筑与筑路机械,德国称为建筑机械与装置。另外,在中国有些机械设备主要用于建设工程,为此成为建设工程,由于机械系统根据国务院的相关规定统称为了工程机械。中国工程机械的范畴相比其他国家还增加了铁路建设工程机械、搬运机械、电梯安装等。2.1.1 工程机械的分类众所周知,工程机械设备种类是非常多的。工程机械有很多零部件姐成,比如由驱动装貴、变速装貴、传动装貴、工作装置、制动装置、防护装置、涧滑系统、冷却系统等部分组成。那么根据各个机械设备的用途,抖下对工程机械进行了分类。工程机械包括的产品可分为 18 大类,初步统计有 288 个系列。这些产品类别包括有:2.1.2 绿色设计思维的应用工程机械产品低碳也就是绿色设计理念是,在产品的整个生命周期中为了环境、健康、安全的目标进行系统性考虑的设计过程。比如说,最小化在产品制造阶段对环境的影响,节约能源的设计是我们提倡的;我们可采用先进的设计方法来减少对资源的耗费 ;最小化在使用阶段为产生有害副产品的设计;最后, 在产品寿命结束阶段,提高产品的回收效益,包括面向材料和产品回收的设计,面向拆卸的设计,最少污染物的设计,遵循一定法律条款的设计等。随着国内外各大中城市对环境保护的円益重视,对机动车辆尾气排放用烟度、噪声等指标的限制愈来愈严格;特别是随着装载机等工程机械产品在市政建设中的使用量不断加大以及人们日益增强的环保意识,尽管目前工程机械尚未纳入限制排放的机动车行列,但可以预见对工程机械进行绿色设计势在必行。(1) 产品材料的绿色设计低碳材料的使用是工程机械绿色化中重要的一环。工程机械材料涉及面很广,通过属性大致分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料主要包括黑色金属和有色金属。有色金属用量虽对于金属材料来说占的比重较小,但由于具有良好的导热性、导电性,W及优异的化学稳定性等,而在工程机械产品研发中占有重要的地位。对工程机械零件的设计不仅仅是结构设计,还更多的是材料和工艺的设计。.由于传统工程机械产品设计在材料的选择上对环境的考虑不多,使得工程机械产品在全生命周期内对环境产生了一定的不良影响。当今环境的问题越来越突出和产品设计在新形势下有了更高的新要求,设汁过程中的材料选择问题也就比较明显。低碳工程机械产品巧计对选用材料提出了更高的标准,不但要求选择的材料既要在产品的基本属性之内,而且能够有利于环境的协调发展。理解和判断出各种工程机械材料的特性,合理的选择和使用材料及能够分析出工程机械及零部件在使用过程中的一些材料问题,是对从事产品研发人员的基本要求。为此对于工程机械绿色材料的选择和使用,回收处理上作出了几点建议。从工程机械产品的结构上进行产品的功能结构和产品材料结构的分析,在达到相关规定和功能的条件下,要考虑选择一些低碳材料以及要可能减少材料的种类。在工程机械的制造过程中采用绿色的工艺和加工设备,减少原材料的消耗。与此同时从产品的零部件上考虑产品在加工制造过程中的环保状况。在工程机械的报废处理阶段综合分析出的原材料使用量、材料的再回收率及废弃物的数量,加大对材料的使用状况的分析。(2) 动力装置的绿色设计动力装置是工程机械的核也动力。工程机械动力源大多为内燃机,内燃机在使用过程中就会有大量的有害的气体或者有毒颗粒散发到空气中去,对环境造成了破坏,尤其是在一些空气流通比较差的地方如沟壑、隧道等。与此巧时内燃机在使用当中存在着一些突出的问题如带来了废气污染,增加了热排放量,消耗了大量的石油资源等。因此我们首先,要加大研究天然气、太阳能、液化石油气、氨气及其 Ai 与天然气混合用的清洁能源,化如用电力作为工程机械的动力源是个发展趋势,具有广阔的市场前景。其次,通过改进发动机的一些结构,使得喷油器喷油雾化好、功率大,提高新技术的研发力度,加强相关充气设施的建设,减少二氧化碳和一氧化碳的排放,保护环境,进一步解决当今日益严重的环境问题。再次,运用低碳的设计理念进行发动机的机内、机外废气净化技术的研究,要求在现实的条件下,加快研发发动机的燃油电控喷射技术、各种催化净化技术和废气再循环技术,进一步的减少发請机燃油的消耗以及热量的排放,实现工程机械发动机的低排放,高效率。同时通过寻找节能、实效、环保的平衡点,将三者结合起来,从而设计出集经济性能、技术性能和环保效应为一体的低碳工程机械动力装置。(3) 液压系统的绿色设计工程机械液压系统的低巧设计是通过节约能源与环境维护并行工程的方式进行地,依据低碳设计的理念,要求在产品的整个尘命周期内把工程机械产品的基本属性和环境属性结合起来综合地分析。在实际化活中,工程机械的使用给环境带来了不小的破坏和污染,如由于液压油的泄漏造成的工作介质对外部环境的污染,液压系统噪声对工作环境的污染等。液压系统的故障大部分是由于液压油的不清洁造成的。工程机械液压系统的污染物分为装配污染物、入侵污染物和生成污染物。装配污染物主要来自于厂家的制造、装配和调试过程中,入侵污染物和生成污染物来自于使用过程中,取决于工程机械的工作环境、维护和保养水平。根据液压系统出现的问题,需采取以下措施来实现液压系统的低碳设计。(1)对于工程机械的液压系统带来的污染,应在研发时就做好未雨绸缪的准备,提前考虑污染的源头以及如何降低污染和防止污染。(2)在工程机械产品低碳设计的设计阶段,应考虑不但要符合产品自身的属性还应该符合相关的环境要求,W 及考虑产品在报废后的回收利用,加工处理,再利用等问题等,从而达到环境保护和资源优化应用的目的。与此同时还要充分考虑工程机械在加工制造阶段与使用阶段对生态环境的负作用,并将其对环境的危害程度降到最低。(3)在工程机械液压系统使用的过程中,要求使用符合规格的液压油如采用无毒液压油,进一步的研发液压油的回收再利用技术,提升设备的质量,从而减少液压油的泄漏,要求通过相关的技术条件加快实现工程机械传动装置的工作介质绿色化的速度。另外要求在设计时尽量的减少用于装配的零件数目,优化组合多个功能元件,提高液压系统的集成度,从而达到优化配置,节约资源的目的,实现液压系统模块化组合的综合研究。(4)液压系统噪声对于工作环境的污染来讲破坏性是很大的。为了控制噪声,在工程机械产品的制造阶段和安装阶段应加强监督和管理,确保产品制造和安装的质量,降低噪声带来的环境污染。4.2.2.2 工程机械液压系统维护的注意事项(1)选用适合工程机械的液压油液压油是工程机械设备重要组成部分,在工程机械液压油系统中液压油起着传递润滑、压力、冷却、密封的作用。液压系统出现故障和使用的程度降低的主要原因是液压油选择不恰当。应按照产品说明中规定的型号选择液压油,不同型号的液压油不能使用,否则会使得液压油产生化学反应,影响机器的运转。当遇到特殊惰况还应使用一定的代替油。对于一些变质油要禁止使用。(2)保养时需要注意的要点。目前智能装置被安装了工程机械液压系统上,它可以对液压系统某些隐患提供一定的报警作用。由于它的准确度、可靠性及监测范围有一定局限性的,因此对于液压系统的检查保养,需采用将智能装置监测结果与定期检查保养相结合的方式。(3)在实际中预防固体的物质进入到工程机械的液压系统内。干净适合的液压油对于液压系统讲至关重要,是液压系统的化命。液压系统中是由许许多多精密的组件组成的,如一些精密的空隙或小孔等。如果固体杂质进入到液压系统的精密組件内将造成精密组件拉伤,损坏、油道堵塞等,阻碍了液压系统的正常运行,给工作人员带来了安全隐患(4)要求防止空气和水入侵液压系统。液压系统是高精度,高强度的系统,为此需加强对液压系统的管理和维护,主要强调两个方面:一方面 ,如果在通常的温度和压力下液压的油含有容积化为 6%8%的空气 ,压力降低了里面的空气就会散发出来,导致大量的气泡裂开和噪声的出现,使得液压元件严重损坏。进一步讲,这种山许多的气体进入到液压系统中造成的液压气蚀现象,不但使液压油氧化,加速其变质还使得液压油压缩性增大,从而导致液压系统王作不稳定以及执斤元件不玉作或者工作怠慢的不良后果,降低工作效率,浪费了能源与资源。另一方面,如果有大量的水分进入到液压系统内,液压元件就会绣蚀,造成油液