（机械电子工程专业论文）面向回收设计理论及系统构成的研究.pdf

面向回收设计理论及系统构成的研究 搁婴 面f 向回收设计是绿色设计的重要内容之一。本论文从理论上分析了面向回 收设计的设计准则和回收的基本要求；运用层次分析法( a l t l ，) ，通过对产品回 收性能影响因素的分析，判别了产品回收级别；建立回收特征信息模型，进而 构造出回收工艺决策智能体( a g e n t ) ，借助智能体完成了啦步回收1 ：艺的智能 决策：应用实例推理思想，对回收工艺网络图进行有权路i l | ，并生成了可行回 收工艺路径；基于c s 模式开发了面向回收设计软件系统( d f r s ) ，并对典型产 品家用电冰箱进行了实例分析。 关键词：面向回收设计层次分析法决策智能体实例推理c l ie n t s e r v e r r e s e a r c ho nr e c y c l i n g t h e o r y a n d s y s t e m c o m p o s i t i o n o f d e s i g n f o r r e c y c l i n g a b s t r a c t d e s i g nf o rr e c y c l i n g ( d f r ) i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts u b j e c t so fg r e e n d e s i g n i nt h i sp a p e r , t h er u l eo fd f r a n dt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fr e c y c l i n ga r e s t u d i e d a f t e rt h ei m p a c to fa l lt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ew a s t e s a b i l i t i e sf o r r e c y c l i n gh a sb e e na n a l y z e d ，t h er e c y c l i n gl e v e rt h e nc a nb ed i s t i n g u i s h e dw i t ht h e h e l po fa n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s t h ed e c i s i o n m a k i n ga g e n t ，w h i c hc a nb e t r a i n e dt os e l e c tt h er i g h tr e c y c l i n gp r o c e s s e sf o rac e r t a i np a r t ，i sc o n s t r u c t e dw h e n t h ef e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e lo ft h ep a r th a sb e e nb u i l t b yu s i n gc a s eb a s e d r e a s o n i n g ，a p p l i c a b l er e c y c l i n gr o u t e sc a nb ef o u n da f t e rr o u t i n go f t h er e c y c l i n g p r o c e s sn e t w o r ki sf i n i s h e d b a s e do nc l i e n t s e r v e rm o d e l ，t h es o f t w a r eo fd e s i g n f o r r e c y c l i n g ( d f r ) i sd e v e l o p e d ，a n d t h et y p i c a l p r o d u c t ，h o m er e f r i g e r a t o r , i s a n a l y z e d k e yw o r d s ：d e s i g n f o rr e c y c l i n ga h p d e c i s i o n m a k i n g - a g e n t c a s eb a s e dr e a s o n i n gc l i e n t s e r v e r 。喜 致谢 在研究生学习期间，我的导师刘光复教授百忙t 1 叼i 忘对我的生活和学习给 予关怀指导。师从刘老师只有短短的两年半时问，但先生高尚的人格、严谨的 治学态度、平易近人的待人处事方式和渊博的学谚 却使我永生难忘。在课题研 究和论文撰写过程中，先生均不遗余力地给予指导和教诲。值此学位论文完成 之际，谨向刘光复教授致以学生最山衷的感激和敬意! 莉；论文的研究过程中，始终得到刘志峰教授的大力支持，没有刘教授的关 心和帮助，论文不可能顺利完成。同时，我还要感谢刘学平和朱华柄丽位老师 以及施震同学，他们也给我提出了很多宝贵的意见。 谨把此论文献给远方的父母，感谢他们多年来在经济和生活f ：给予我无私 的关心照顾。 感谢徐传明、鲍捷等同学的帮助。 作肯：蒋i i 伟 2 0 0 1 2 2 7 插图清单 图1 1 形成闭合循坏的回收系统 图1 2 回收中的管理技术 图2 1 回收反馈信息对设计的指导作用： 图2 2 产品零部件的回收价值 图2 3 产品回收和处理的一般过程 图2 4 判断零部件回收级别的决策模型 图2 5 零部件回收特征信息的分类 图3 1 基于知识a g e n t 的基本框架 阁3 2 旧收工艺决策智能体的实现模型 图3 3 回收工艺路线生成流程图 图3 4 单步工艺知识的语义网络表示 图3 5 一个可行回收工艺网络图 图3 6 可行回收工艺路线l 图3 7 可行回收工艺路线2 图3 6 双门压缩机式电冰箱的分解图 矧4 1c l i e n t s e r v e r 体系结构 图4 2 面向回收设计系统流程图 图4 3o d b c 体系结构 图4 4 系统集成化的总界面 图4 5 信息输入向导 图4 6 回收对象信息浏览窗口 图4 7 面向回收设计系统d f r s 的工作环境 卫m加以凹叭鹪们“们。们伯册刚引驼 表格清单 表1 1 传统设计与回收设计附加要求的比较 表2 1 有毒有害物质名称及重点考虑的材料 表2 2 各种再利用方案的比较 表2 3 平均随机一致性指标r i 表3 1 现有的知识表达形式 表： 2 单步工艺知识库中一小部分 表3 3 待回收对象特征信息 表3 4 常见的搜索方法 表3 5 电冰箱材料组成 表4 1 几种数据库访问技术的比较 表4 2d f r s 系统中数据库管理类 卫h m拢弛叫跗勰叭鸺 第一章概述 伴随着工业和科技的飞速发展，人类在消耗了大量自然资源的同时，也对 生态环境造成了严重污染。回首2 0 世纪走过的曲折历程，越来越多的人们已经 认识到环境保护的重要性和紧迫性。保护环境、有效地利用自然资源已成为世 界性的潮流。1 9 9 2 年6 月，联合国召丌了“环境与发展”的世界首脑会议，与会 各囤一致承诺把走可持续发展的道路作为未来的共同发展战略。既要能满足社 会的当前需求，又不危及子孙后代的需求，实施可持续发展战略，最有效地利 用自然资源是人类发展的必由之路。 在实现可持续发展的探索过程中，形式多样的先进制造技术层h ；刁i 穷，其 中又以绿色设计最具代表性。在保证产品实现基本功能的前提下，它强调最大 限度地提高资源和能源的利用率，减少环境污染，力求实现全产品生命周期的 物流循环。面向回收设计作为绿色设计的一个重要分支也已在学术界和企业界 引起了普遍关注。 1 1 面向回收设计 六十年代以i j i ，世界各国废弃物的处理形式以垃圾场露天焚烧为主。焚烧 虽然减少了废物的体积，但焚烧过程中会排放出大量有毒有害气体，同时垃圾 场也会出于燃烧不完全而逐渐地成为老鼠、苍蝇的滋生场所。因此，到七十年 代初，垃圾场露天焚烧的方法便逐渐被垃圾填坑所代替。现在，大约有9 0 的 生活废弃物是垃圾填坑处理的。只要注意填坑封盖并加以适当处理，垃圾填坑 就可以比较干净和卫生，由烟尘引起的污染也可以排除。但垃圾填坑也有很多 缺点：填坑作业很少能实现废弃物的回收再利用。降水和地下水可能渗进 填坑，并从分解的废物中淋沈出各种化合物，进而对周围的水和生物形成污染。 垃圾填坑占用大量的空地，并需要耗费大量的人力和资会。 较好的解决办法不是把废弃物看作废物束处理，而是把它看作一种可以重 复利用的、能生产出同样的或其它有用产品的资源。这样不仅可以有效地解决 废弃物的处理问题，同时也节约了未经开发的资源。但是，不管重复利用的最 后结果如何，人们都不能回避经济问题。经济效益不好的回收再利用不可能具 有强大的生命力。因此，如何保证回收再利用具有高效性的同时，也具有良好 的经济性，这是摆在我们面前的一个重要课题。 1 1 1 面向回收设计的概念 有资料表明：尽管设计费用仅占总成本的3 0 左右，但设计阶段却决定了 产品生命周期中全部消耗的8 0 9 0 。面向回收设计的宗旨就是把握住产t 记 g i 命周期的源头，在设计阶段就充分考虑并优化产品的可回收性能。简单地u i ：， 雨i 向l 圃收设计就是在产品设计初期充分考虑其零部佴：材料的回收可能性、叫收 价值的大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问 题，力求达到资源、能源的最大利用，实现最小的环境污染。 初级制造系统 i7 r m 原 舅收材料；厂士三；! 废弃产晶 材 原材料冀 产 品 料 、i i 、 7 l 型垄l 消 供 下重用件 废弃产品 费 同收材 广_ 1 。 者麻、 莲蛰 者 。提取 、 i 竺：墨| 、 图1 1 形成闭合循环的同收系统 从上图可以看出，面向回收设计所论述的回收是区别于通常意义上的废l h 产品回收的一种广义回收。传统意义或是狭义的回收仅仅停留在对有限材料的 回收上，虽然这种回收利用对社会发展、收废利旧起到了积极的作用，但已难 以满足f 益发展的社会需求和可持续发展的要求。面向回收设计作为一种全新 的设计理念，是实现广义回收所采用的手段或方法，它与传统设计之间存在诸 多差别。 表1 1 传统设计与面向【亓l 收设计附加要求的比较 传统设计的要求面向i 亓i 收设计的附加要求 功能寿命周期 安全性环境保护法规同收材料特性及测试方法 使川同收方法及废弃规则物 人机i ：抖冈素利川可同收材料的设计准则 生产原材料生产和后勤保障 装配装配策略，面向拆卸的联结结构 运输重用及再生材料运输及装置 维护将拆卸集成在亓| 收斤勤保障中 【亓i 收废物处理产品同收：弭生：材料同收：处理 制造成本制造成本，使l i j 成本、同收成本 从6 0 年代中期丌始，一些发达的资本主义国家就已十分重视废弃物的回收 再利用，逐渐建立并完善了相应的法律法规，进而形成了一个独立的产业体系。 我国的废弃物污染控制起步8 0 年代初期，经过二十多年的理论研究和实践探 索，已建立了一套符合我国国情的回收体系。进入9 0 年代以来，根据国际形势， i f f j 对我国经济建设的巨大需求和资源供应严重不足的紧张局面，我国已把同收 ；矗 利用再生资源作为一项重要的发展战略。 回收是一个庞大的社会化系统工程，有效地回收和利用废i h 产品对节约利 回收资源，减少垃圾，保护环境，使我国更快地向经济循环型社会迈进具有积 极的作用。因此，加强回收理论研究，努力提高回收水平和回收技术具有巨大 的经济效益和社会效益。总的说来回收设计具有以下几个特点： 1 回收设计可使资源得到最大限度的利用，减少了固体废弃物的数量。 2 回收设计可减少环境污染，保护生态环境。山于废弃产品的绝大部分被 重新利用，因此，直接排放到环境中的各种废弃物的种类、数量大大减少，消 除或削减了产生环境污染的源头，使资源利用和环境保护同步发展。 3 回收设计有利于持续发展战略的实施。回收设计使新产品构成r i 的叫i 收 成分增大，减缓了对新资源的丌采、消耗的速度，有利于生态- y - 衡和可持续发 展战略的实施。 4 废旧产品的回收重用是一个劳动密集型产业，经过回收设计的产 h 使 其回收级别得到了提高，会出现更多的就业岗位，也就提供了更多的就业机会。 5 产品回收是一个社会化综合工程，一项系统工程。回收涉及到很多部fj ， 既有技术问题，也有管理和社会学等方面的问题。不同材料、升i i 同零件的川收 又涉及到不同的技术和工艺，需要综合知识。产品的回收既要考虑经济j 、u j 题， 又要考虑环境、资源和能源问题。 6 回收设计使物流实现闭合成为可能。某一种产品的废弃物可能就是另一 种产品的原材料，如果技术、经济上可行，物质就能处j ：不同功能、彳i 旧形， 的状态下。在不能完成某一功能时，只要经过回收就可能再生具有新的功能。 7 回收过程本身是清洁生产，应该对环境无害，回收过程t 1 产生的小l h ” 物不造成对环境的二次污染。 面向回收设计将产品废弃后回收再利用作为重点内容来考虑。废弃物的i i l i 收途径一般有两种，即产品材料的循环再利用和零部件的回收再利_ 3 。然而， 废弃物产生阶段的复杂性、废弃产品形式的多样性等因素使回收再利用变得尤 为困难。如何经济、有效进行废弃物回收? 如何变被动地治理污染为主动控制、 利用废弃物，实现资源“二次丌发”? 是真正意义上的面向回收设计所应该解 决的主要问题之一。 1 1 2 面向回收设计中的关键技术 考虑到面向回收设计所能带来的巨大的经济效益和社会效益，世界各围都 在不遗余力地进行理论研究和实践探索。但面向回收设计是一项系统f ：枉，一 方面需要有一套高效的管理机制，另一方面也需要具祷一定的技术条件和处理 能力，以满足客观对象复杂多变的特点。 1 旧收中的管理技术 围际上回收管理投术的建立大约经历3 0 年的发展过槲，已从理论j ：干实践 上确立了对废物尤其是对有毒害废物实行全过程管理和“三化”原则( 即减量 化一资源化一无害化) ，形成了“从摇篮到坟墓”( c r a d l e - t o g r a v e ) 的完整的 管理控制体系( 图1 2 ) 。工业发达国家还制定出严格的回收管理法规，设置专 门的管理机构，建立管理信息系统，丌发和建设集中性的废物处理、处置设施， 逐步形成了完整的管理系统，以实现对废弃物的有效管理和控制。同时，积累 川收 管理 i i i l 收 法律 幽1 2 亓】收中的管理技术 了不少可供借鉴的废弃物管理新方法和新技术。 废弃物最小量化管理技术 防止废弃物污染的最佳途径就是不产生或少产生废弃物，使需要储存、运 输、处理处置的废物数量降低到最小程度，这同时也是主动式保护环境的基本 原则。这其中包括原材料管理技术、生产工艺革新技术、减容技术、废弃物循 环利用技术等等。目i j ，西欧国家中已进行对皮革工业、啤酒工业和f 乜路板制 造业进行废物审计和最小量化的尝试工作，并取得了积极的效果。 废弃物转移跟踪技术 按照全过程管理的原则，对废弃物从其产生起，直至最终处置的每一个环 节都要实行监督管理，废弃物转移跟踪技术即是体现这一管理原则的重要组成 部分。其核心内容是：废弃物每发生一次转移，都必须由废弃物提供者填写货 单，并分送给运输者、接受者和回收主管部门，确保废弃物最终被妥善、安全 地处置。在一些工业发达国家，这一项技术已得到了普遍应用。 废弃物交换管理技术 一个行业( 或企业) 的固体废物可能成为另一个行业( 或企业) 的原料。 在现代工业社会中，废物交换技术已不同于一般意义上的综合利用和“变废为 宝”的范畴，而是利用信息技术使废弃物资源得以合理配置、利用的系统工程。 就一般情况而言。，交换管理技术又可分为两种：信息交换型和物质交换型。废 弃物的交换不仅增加了行业间的合作，而且可降低处理处置费用，节省原材料， 保护环境和人类的健康。 废弃物信息管理系统 废弃物管理信息系统是各个行业进行回收处理的信息基础在工业发达国 家已广泛建立并f 式运行，成为废弃物管理中必不可少的工具。英国伦敦废物 管理局内有一套完整的废物管理信息系统，这个系统贮存了废物从产生至最终 处置各个环节数据资料，具有较强的数据处理功能。在我困，自1 9 9 2 年以来， 共有1 4 个城市开展了申报试点工作，已研究丌发了相应的废弃物信息数据库。 完善的社会法律保障 建立废弃物管理法规是废弃物管理的重要方法，这已为世界上许多国家的 经验所证实。美国的资源保护和回收法( r c r a ) ( 1 9 8 4 ) 和全面环境责 任承担赔偿和义务法( c e r c l a ) ( 1 9 8 6 ) 是迄今世界各国比较全面的关于废弃 物管理的法规。现在，我国固体废物污染环境防治法已诈式颁布。在此之 前的1 0 余年中根据我国国民经济发展计划和环境保护法中关于我国环境保 护的目标和要求，我国已陆续制定了一些相关的法舰条文。 2 废弃物处理处置技术 废弃物处理处置技术是指运用恰当的回收工艺和方法对收集来的废弃物进 行处理，使之实现减量化、资源化和无害化。从回收过程来看废弃物处理处霄 技术又可分为废弃物处理技术和废弃物处置技术。 废弃物处理技术( t r e a t m e n to fw a s t e s ) 废弃物处理是通过物理、化学、生物等不同的方法，使废弃物转化为适于 运输、储存、资源化利用以及最终处理的一种过程。依据回收处理工艺的性质 来划分，废弃物处理技术可概括为物理处理、化学处理、生物处理、热处理、 固化处理等。 物理处理。物理处理是通过浓缩或相变化改变废弃物的结构，使之成为 便于运输、贮存、利用或放置的形态。物理处理方法包括压实、破碎、分选、 增稠、吸附等，它是回收废弃物中有价物质的重要手段。 化学处理。化学处理是采用化学方法破坏废弃物中的有害成分，从而使 其达到无害化。化学处理方法包括氧化、还原、中和、化学沉淀和化学溶出等。 有些有害废弃物，经过化学处理还可能产生富含毒性成分的残渣，还须对贱渣 进行解毒处理或安全处置。 生物处理。生物处理是利用微生物分解废弃物中可降解的有机物，从而 使其达到无害化或综合利用。废弃物经过生物处理，在容积、形态、组成等方 面，均发生重大变化，因而便于运输、贮存、利用和处置。，生物处理方法包括 好氧处理、厌氧处理和兼性厌氧处理。 热处理。热处理是通过高温破坏、改变废弃物组成和结构，同时达到减 容、无害化或综合利用的目的。热处理方法包括焚化、热解以及焙烧、烧结等。 固化处理。固化处理是采用固化基材将废物固定或包覆起来以降低j c 刘 环境的危害。从而能较安全地运输和处置。固化处理的j ：要对缘是对环境、人 体有毒害的危险废弃物。 另外，废弃物处理按其过程也可分为预处理和资源化两个阶段。其中预处 理又有前处理和后处理之分。前处理是资源化前的预处理，主要包括收集、压 实施得、分选等工艺过程，目的是使单体分离或分成适当的级别，以便资源化 处理。后处理是对资源化处理后的残余或有害废物进行最终处臀河或者运输之 前的一种后处理，其主要过程包括破碎，压缩、固化方法等，其目的是使废物 减容或压成块状，以利于运输，贮存或者焚烧、填埋等最终处置。 废弃物的处理构成了从收集、运输、压实、破碎、分选、浓缩、脱水及固 化等一个庞大的预处理系统，并在预处理的基础上采用综合的技术对其进行深 加工资源化，提取再生资源基料。再经后预处理，成为残余废物或有害废物而 得到最终归宿。这样就完成了废弃物处理系统全过程的任务。 废弃物处置技术( d i s p o s a lo f w a s t e s ) 废弃物处置工程是废弃物污染控制的米端环节，是用来解决固体废物的归 宿问题。一些固体废物经过回收利用，总还会有部分残渣存在，而l l 很难再加 以利用，这些残渣往往又富集了大量有毒有害成分：还有些心体废物，| j 前尚 无法利1 j ，它们将长期地保留在环境中，是一种潜在的污染源。为了拄制其对 环境的污染，必须进行最终处理，使之最大限度地与生物圈隔离。 废弃物处置方法分为海洋处置和陆地处置两大类。海洋处置方法包括深海 投弃和海上焚烧；陆地处置包括土地耕作、土地填埋和深井灌注等。似总的来 说， j 的的废弃物处置方法还不够完善，需作进一步的研究。 1 2 两i 向回收设计的研究现状 如十4 使废弃的产品以较经济的方式实现部分零部件重用、材料循环，是绿 色设 1 和制造的重要内容之一。拆卸回收作为支持可持续发展总体策略的新型 生产模型，已经得到了世界范围内的广泛认同。自从拆卸回收设计及制造思想 被提f j ；来以后，世界发达国家对此非常重视，并陆续地有研究机构干企业加入 到这项 ：作中来。 1 ，当前回收理论的研究状态 面向回收设计理论与方法的研究是近9 0 年代彳丌始发展起来的。相对其它 的技计理论来说，面向回收设计是产品设计的新领域，它更进一步地扩赋了并 行工程的理论体系。国外最近面向回收设计主要理论研究归纳如下： 1 k i s h i i 在产品设计的早期阶段，对产品生命周期质量加以改善，同 时研究生命周期的集成设计工具：设计描述及生命周期评估。其特点是藜于网 络和i | j 向维护、回收的评估方法。根掘产品结构、零件之问联接雨i 评能办法) t 发了然于p c 机的生命周期的软件。其主体结构尚未完善，但在以历实j 1 软件的 丌发c h 上述概念是基本模型。 2 g s e l i g e r 等详细地研究了以废旧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( p r e d i c t i v ep l a n n i n g ) 和现 时规划( r e a c t i v ep l a n n i n g ) 。此外还丌发了废旧产品快速拆卸工具。 3 r i c h a r dm n o l l e r ，从新兴的d f d 设计思想出发，总结和归纳了产品设 计的一般原则和方法。材料选择，零件联接方式和废旧产品的回收、处理的策 略都在产品设计与环境的关系上得到阐述。 4 s e t a c 是由l e i g hh o l l o w a y 丌发的l c a 标准框架。其中包括能源流和 材料流的反馈系统，其核心是分析产品全生命周期成本的组成。 5 m r j o h n s o n 主要评估和优化了产品回收的拆卸工艺，材料相容、易归 类、并行拆卸操作和高回收率能大大减少拆卸过程。同时他还丌发了评估拆卸 过程成本和优化序列生成的软件。 综上所述，国外在面向回收设计的理论研究中已经取得很大的进展，他们 的研究工作主要考虑废旧产品的拆卸工艺和评价系统，而对产品的可回收性和 计算机辅助回收系统却考虑较少。但总的来说，回收设计的理论水平较以阿已 经有了一定的提高。 2 当前的应用状况 曰前，在可持续发展的强烈呼声下，绿色文化运动已在全世界范围内“泛 丌展。在这一良好的大环境中，废弃物的回收再利用技术也相应地得到了完善， 在一些发达国家已产生了可观的经济效益。 1 环境标志。 环境标志国外又称为生态标签( e e c - - m a r k ) 、蓝色天使( b l u e - - a n g e l ) 、 环境选择( e n v ir o n m e n t a lc h o i c e ) 、绿十字等。最近国际标准化组织( i s o ) 将其统称为环境标志( e n v i r o n m e n t a ll a b e l i n g ) ，可以说，环境标志已在全球 范围内形成了一股环境保护的冲击波。如：北欧委员会环境标志、f = | 本生态标 志、加拿大环境选择标志等。 2 绿色文化。 绿色文化包括一个国家有关的法律法规体系、市场政策制度、公众绿色意 识、企业绿色行为等。1 9 9 8 年欧盟委员会完成了废旧电子产品回收法( 草 案) ，它包括了绝大多数的电子产品，要求电子产品的回收与再利用率达到9 0 ， 到2 0 0 0 年，禁止使用镉、铅、水银和卤化阻燃剂材料，到2 0 0 4 年，所有新电 子产d 使用的塑料中，至少含有5 的再生塑料。德国制定了电子产品的拿凹 制度、门本将予2 0 0 1 年4 月1r 执行废1 日家电回收法等，已引起了企业 界的高度重视。 3 产品m 收。 拒荚i 耳、西欧、闩本等一些发达国家，废州产- 晶的回收再利用已进行了很 长时问的j f j f 究，j t q l 在多个行业的应用中取得了较好的成果。如：德陶施奈德、 格隆迪希等几家公司联手丌发出一种具有环保意识的“绿色电视机”，该机所月j 材料是轻型钢板、铝制件、木料及塑料，这种塑料可重新熔化，回收再用，且 性能不变，整机各个部件均可拆卸、拼装、更换，采用了适应环境保护的最新 技术；a 1 1 d i 公司正在利用旧组件制造新汽车然后售出，不仅降低了环境负荷 而且节约了费用，目f i 圹“出租”的产品有x e r o x 复印机：k o d a k 已设计了易于 拆卸和重制的相机。 为了解决汽车报废后成为汽车垃圾的问题，绿色汽车从丌始生产就考虑废 弃后的再利用，以保证l 力余个零部件均可以循环再生利用。马自达h r - - x z 型 汽车的基本结构由高碳聚纤维强化的塑料做成，包括驾驶室、外壳、车门等， 均可以百分之百地循环利用。美国是世界上汽车回收率最高的国家，每辆汽车 重量的7 5 都已重新利用起来。首先是把汽车上值钱的零部件，如发动机、电 机和其它零部件拆下来，美国大约有1 2 0 0 0 家汽车零部件回收商能够把这些零 件加以翻新，重新出售，这已是一项获利的、年营业额达几十亿美元的行业。 此外，美国i b m 公司从1 9 9 1 年先后开发出的1 2 种型号易于分解、低电耗 的家用电脑，每台机器上仅有3 个螺钉，拆卸格外方便，还提高了产品的档次； 最后，机身用再生塑料制成，待电脑废弃不用后仍可再生制作其他物品，并将 从旧机器上拆卸下来的贵重会属零部件翻新后组装在新机器上出售，对余下的 零部件则卖给玩具制造商，用来制造高科技玩具，这样既增加了经济效益，又 避免了旧机器被用户扔进垃圾堆而污染环境。 国内在这领域的研究尚属空白，鉴于这些法律法规也将成为我困家f 乜产 品进入相应国家的新的“壁垒”，所以在我国深入开展回收设计的研究和应用已 是一项十分紧迫的历史任务。 1 3 选题的意义及本文的主要研究工作 回收已是个“古老”的话题。随着人类思想观念和科技水平的不断提高， 回收已从早期简单、有限的材料回收发展成为一种广义回收。但现实中的情况 却并不近如人意，总的来讲表现为以下几个方面： 1 企业只注重新产品的丌发，而严重忽视废旧产品的有效回收利用。废 弃淘汰的产品大量产生，造成严重的社会负担和环境污染；生产企业和工程界 都在优先考虑加快新产品丌发，快速将新产品推向市场，而资源能源则呈现出 过快丌发和过量消耗的态势。与此相反，对如何利用被快速置换或快速废弃淘 汰的废旧产品，充分利用其剩余价值则重视不够。 2 强调防止环境污染，忽视资源的再生利用。要从根本上减小或消除环境 污染，必须从源头抓起，在产品设计时就要注重产品生命周期每个阶段的凹收 利j t j ，使产品具有良好的回收性能。提高重复利用率和再生率。 3 回收仅停留在简单的材料回收，而忽视了产品零部件等深层次的利川。 材料回收是产品回收过程中最基本且最简单的回收，回收的材料往往是送往冶 炼厂作为原料，制成的材料再作为制造系统的输入，用于制造新产品。这样， 使零部件中所剩余的价值没有被重新利用，并造成大量的残余废弃物。 4 缺乏使用回收产品的意识和健全的回收市场机制。目前，在大多数消费 者的观念中，都不愿购买回收再造产品。 5 回收设计的理论研究仍停留在一个较低的层次上，距离实际应用还有很 长的一段路有走。虽然国内外一些知名的企业已经建立了一些示范性的回收工 厂，但如果将之用于解决全球每年的数量巨大的废旧产品却还是杯水车薪。 我国人多地少，人均资源占有量在世界上也是靠后的，只有走资源再利用 的道路，才是实现可持续发展和解决环境保护问题的根本途径。另一方面，从 整体来讲，我国居民消费水准还不是很高且具有地区差异性，因此，通过一定 的回收渠道和技术保障，丌展家电产品的回收、重用研究，走循环经济的发展 模式，不仅可以为企业带来显著的经济效益，而且也具有极大的社会效益，同 时获得的经验、数掘和积累的知识可以反过来用于指导家电产品的绿色设计， 以便最终保证家电产品具有良好的可回收性能。另外，随着我国即将加入世界 贸易组织( w o r l d t r a d e o r g a n i z a t i o n w t o ) ，所面临的国际竞争也将越来越激烈， 我们生产的产品不但要符合国内的有关标准，还要符合国际惯例及有关国家的 标准，如欧洲的“制造商责任制”等，也就是说，我们要承担出口家电产品的 回收利用和再商品化义务，同时也要设计、制造在产品最终废弃时其回收利 j 性能和处理性能均良好的产品。 机电制造业是一个网家的基础行业之一，因此，结合量大面广的机电产品， 从基于回收的绿色设计基础理论和策略方面进行系统的深入研究，对提高我国 机电产品在未来国际市场上的产品形象，消除“绿色贸易壁垒”的束缚，具有 积极的现实意义，也对大量的轻工企业进行更新改造、实现持续发展具有现实 的指导作用。 本论文的研究工作正是处于这样一个背景下，中心内容是“面向回收设计 的理论研究及系统构建”，具体工作可以分为以下几个方面： 1 针对典型机电产品家用电冰箱进行实拆分析。 当前，国内回收设计的研究仍处在起步阶段，缺乏必要的数据支持，无法 得到可行、实用的方法支持家电产品的回收设计过程。我们，合肥工业大学绿 色技术研究小组，通过对几类常见家用电冰箱的实际拆卸分析，得到了大量关 于冰箱的结构组成、联接关系、材料成分等第一手数据资料，为后续l f l - j ： 下 了i i 芒实的基础。 2 面向回收设计的理沦分析。 本文着重就回收设计的设计准则、产品回收的基本原则、产品啊收层次的 决策算法以及网收f 一息的扪述进行了深入探讨。而这些都足决定废弃产1 7 能彳f i 经济地、有效地、“清洁”地进行回收的基本约束条件。为了较好地实现预定功 能，我们运用了层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa h p ) 对影响产品 回收层次的多方面因素进行了综合分析；运用特征理论对产品的回收信息进行 了有针对性的描述。 3 回收工艺智能决策的实现。 运用软件a g e n t 的主动性、自治性、反应能力等属性，使a g e n t 携带着回 收对象的特征信息在单步工艺库中寻找与该对象属性相吻合的回收工艺。进而 生成工艺拓扑网络。在经过相应的路由算法后，最终生成可行回收工艺路径以 备评价。 4 回收设计系统的研究与开发。 回收设计系统是应用计算机技术来进行虚拟回收设计的软件系统。浚系统 具有集成化的用户界面，操作者只须简单点选几项输入参数，余下的工作全部 由系统自动完成。设计该系统的目的是辅助用户进行回收工艺设计，为回收设 计者和新产品的丌发提供有效的参考信息。 第二章面向回收的设计理论与方法 机电产品的回收设计理论是绿色设计的核心内容之一。当用户选择不同的 回收对象时( 可以是零部件、结构体甚至是整个产品) ，与其属性4 r t , 勿合的回收 工艺也各不相同，因此回收工艺设计是一个极其复杂的分析过程。该分析过程 涉及许多相关理论和技术方法。具体包括：回收设计的设i ：t 准则研究；对废弃 产品的回收原则深入探讨：运用层次分析法对影响产品阿收层次的多方而【划豢 进行综合分析：由特征理论对产品的回收信息进行描述。本章试图从以下几个 方面进行分析、论述。 2 1 回收设计的设计准则 回收设计是9 0 年代初发展起来的一种全新设计理念。经过近十年的理沦 i j | ： 究和实践总结，人们发现进行回收设计应满足三个方面基本要求：一是对产一1 设计过程的要求；二是对产品设计人员的要求；三是对生命周期过程管理的要 求。同时为了保证设计生产的新产品具有较好的回收性能，人们普遍认为川收 设计应遵循以下几条设计准则： 1 结构准则 产品结构应便于拆卸。拆卸是废弃物实现有效回收的丽提。产品结构部 件的布置应保证能方便、快捷地拆下目标零件( 要回收的材料及重用的零部仆) ， 这可通过选用易于接近并分离的联结结构，优化布置零部件之问的相对位锚! 水 实现。产品的可拆卸性强不仅可以保证回收具有较高的拆卸效率，而且可以订 效地实现零部件按材料类型和环境性进行分类，这相应地缩短了回收过程，三 提高了回收材料的纯度。在进行废弃物回收时，分离是关键工艺之一。复杂的材 料组合形式，特别是相容性较差的材料组合，往往难以有效分离，从而影f 9 了 回收整体效率。有些零件为满足使用性能要求，在目前状况下不得不采用刁i 材料组合。在这种情况下，产品设计者充分重视对应结构体的可拆卸性能以 便于废弃后进行有效的回收。 结构设计应有利于维修调整。产品的设计结构尽可能用简单的i j - t - 就能 调整，其布局应符合人机工程学原理，便于对拆下零件进行再加工，易于调整 件及新换零件的重新安装。同时尽可能避免磨损或使磨损最小，可根据仃务分 解原理，将易损件布置在能调整、再加工或需更换的零件上或区域内。 贵重物和有毒物的位置应便于回收。如果从经济和生态的角度来分析， 贵重物和有毒物是我们回收的重点。因此在设计产品时应使其位于容易接近、 组合或拆卸的位置，以求降低回收难度。在产品设计过程中，如果忽视了最l i 零件的合理布置，不仅容易在回收过程中造成环境污染，也会影响其它fi 标物 的回收效果。 参i 在不影响功能的前提下，简化产品包装。产品包装一方面能起到美观的 作用，另一方面也一定程度上保护了产品。但目前，产品废弃的包装材料却已 成为影响生态环境的一个重要污染源。简化包装，即减少包装材料的数量和种 类，简化包装体结构，可提高产品包装的回收再利用性能。 2 材料准则 尽可能使用易降解材料。一方面，易降解材料在加工制造、使用维护等 过程对环境产生的危害小，劳动保护性好。另一方面，由于其本身所具有的特 性，易降解材料可以通过一些通用的处理工艺进行高效回收，而且回收过程产 生中问排放物和最终残留物也很少。 尽可能利用回收零部件或材料。在回收零部件的性能、使用寿命满足使 用要求时，应尽可能将其应用于新产品设计中；或者在新产品设计中尽可能选 用回收的可重用材料，这样可充分利用材料资源，节约生产费用，降低生产成 本，保护生态环境。当然，大部分的回收重用材料需要经过一定的技术处理后 才能达到实际使用要求。 不影响产品性能地前提下减少用料。依掘零部件功能要求、相对运动关 系、位置关系，对零部件集进行重组，尽可能减少材料用量和材料种类。撇丌 降低产品成本等方面的优点而仅从回收角度来分析，这样设计有助于降低材料 分离的复杂度，也有利于提高材料的回收率和纯度。 当时，面向回收设计系统仍未成熟，回收设计准则也很难独立地应刖到产 品设计中去，而是必须结合实际回收的反馈信息爿能起到相应的指导作用( 见 图2 1 ) 。在实际的设计过程中，新产品设计人员往往以回收设计的理论准则为 目臼自 系统数据库 倒2 1 同收反馈信息对没汁的指导f ：川 参考标准，结合实际产品回收过程中的反馈信息，分析现有产品在结构设计和 材料选择中存在的缺陷，以求在此基础上设计出来的新产品具有根好的可回收 性。另一方而，回收设计准则在这一过程中也会得到不断的细化和提高。 2 2 产品回收的基本要求 由上述分析可知，产品的实际回收是回收理论进一步完善的基础，同时进 行废弃物回收再利用也是产品实现物流闭合，体现其“绿色”特性的重要阶段。 从国内外各方面的理论研究和实际应用结果来看，进行产品回收时应重视以下 几条回收的基本要求： 1 经济性要求 产品在其使用寿命结束后，废旧产品中的有些零部件还具有一定的网收价 值，这就是零件材料的回收价值与零件的重用价值。为了便于对回收价值进行 评估，可根据产品的不同回收方式进行分析。零件重用或材料回收反映了废 产品回收所能取得的经济效益。然而，有些从废旧产品中回收后的零件和材料 使用| j i 需花费加工和处理费用，产品设计人员必须对这些问题进行全而考虑， 以便能取得良好的经济效益。此外，设计人员也需重视那些不能回收而需付u j 处理费用的零部件。废旧产品能否经济地回收，取决于其回收效率与回收效益。 大体上讲回收的经济效益可以进行如下分析： tf + fn f v 。- = v rc m m c 汹。= y c 。一( s 。r ) 一y c ， i = 1，= ii = i 式中v 。l 总的回收经济效益 v 。产品回收收益 c 。总拆卸费用 c 产品后期处理费用 由上式可以看出，若要提高零部件总回收价值，则需降低零部件的拆卸、 【圃收和维护费用。例如，若设计的零部件可达性好、易拆卸，则单位时i h j 内的 回收价值就能得到提高，拆卸费用也就随之降低。其最终结果是更少的零部件 需要处理，产品废弃物的处理费用也随着降低。 在实际的回收过程中，某一产品往往既含有无价值的材料，也包括有价值 的材料。无价值材料往往会导致一系列的环境问题：材料或零部件有害，需特 殊处理：单件或多件零部件其回收价值很小，但处理费用很大：或是法律法规 要求产品必须进行回收，由此而需付出巨大的处理费用。从废旧产品中不断拆 卸与回收零部件，其影响回收价值的各项指标变化大致如图2 2 所示。 在高价值零部件优先回收的| j 提下分析图2 2 可知，随着零部件从废旧产 品中不断拆卸与回收，在图中出现以下两种情况：1 当达到图中所示l 1 = 1 , 2 时，v 。一c 。一c 。= 0 。即从该点往后产品回收总的经济效益将进 价值费用 o 经济拆卸部分拆卸完全拆卸 图2 2 产品零部什的亓i 收价值 入负价值阶段。点而且经济效益亏欠将随拆卸深度的加大而增加。2 s 点表示 拆卸过程或步骤，开始进入负价值拆卸。因此，在拆卸回收废旧产品的过程r h 一方面，应注意回收价值、拆卸费用和后期处理费用三者之问相互关联、相互 影响的特点；另方面，我们也需重视三者产生的整体效益与回收的经济要求 是否相符。 2 生态要求 有毒有害的废物是一类对环境污染极为恶劣的废弃物，由于有许多政府、 机构负责管理和处置这类废弃物，所以它有许多的定义：美国的定义是“能引 起或助长死亡率上升或严重不可恢复的疾病；可造成严重残疾：在操作、储运、 处理或其它管理不当时会对人体健康或环境带来重大威胁的废物”。世界卫生组 织的定义则是：“根据其物理或化学性质、要求必须对其进行特殊处理和处置的 废物，以免对人体健康或环境造成影响的废物” 表2 1 有毒有害物质名称及重点考虑的材料 有毒害物质名称需重点考虑的材料 砷及其化合物 产生焦油或蒸馏产生的柏油残渣 汞及其化合物 化学药品 镉及其化合物 过氧化物、氯酸盐、过氯酸盐与盏氯酸盐 铊及其化合物乙醚 铍及其化台物朱知其性质或其环境效应的化学实验材料 铬及其化合物t i 棉 铅及其化合物硒及其化台物 锑及其化合物碲及其化合物 酚的化合物多环芳烃 氰化物金属羟基化合物 异氰化物铜的可溶性化合物 卤化有机化合物 金属表面处理或抛光处理川的酸或碱 氯化物溶剂多氯联苯 杀虫剂与植物约品 随着现代工业的发展，生产制造和同常生活都在大规模产生着废弃物，其 中的有毒害废弃物，长期以来一直是一个挥之不去的社会问题。如不进行处理 和处置，则会对社会造成巨大的经济损失；如果进行回收处理，尽管直接获益 不高，却减少了社会的经济损失，也就是间接取得了经济效益。但同时我们应 注意到“清洁回收”是废弃产品回收再利用应具备的一个重要特征。本文认为 “清洁回收”的含义应从以下两个方面来理解：首先，回收工艺的清洁，即网 收工艺本身不会产生二次污染，包括回收时产生的噪音，排放出的废气、废水 等；其次，对有毒有害物必须采取必要的方式方法加以处理，如降解、包胶固化 等，使它对环境的污染达到最小程度，而不论这样做的经济代价有多大。 在仅考虑回收的环境要求i j 提下，进行废弃产品回收时，如何实现“清沽 回收”可以从以下两个途径加以考虑： 在拆卸工艺允许的情况下，尽可能地将有毒害的零部件拆卸分离出来， 单独采取相应的工艺回收。 若某废弃物同时可以被多种回收工艺处理，则选用其中对环境影响最小 的回收工艺。 若与回收对象属性相符的回收工艺，其结果回产生较大的环境污染，则 需在对应的工艺后追加污染控制环节。 3 回收可靠性要求 在进行废弃产品回收时，回收的可靠性也应予以足够的重视。总的来说， 回收可靠性受到以下两个因素的影响：所选用的回收工艺。回收山于起步较 晚，至今尚未形成完备的技术体系。现在较为普遍的情况是，特定i t ：i k f l j 某j ! 企业为他们所生产的产品设计专用的回收工艺。由于针对性强、技术要求商， 因而这些工艺在使用时的可靠性与具体的操作环境、操作者的素质都有很大关 系。回收对象的形态。单纯考虑回收丁- 艺这一因素来提高回收可靠性往往不 能达到很好的效果。回收对象作为参与回收的主要部分之一同样会对回收可靠 性产生重大影响。具有不同形状、温度和状态的回收对象被同一回收工艺处理 时，回收过程会表现出不同的可靠性。 分类再利用的总体方案通常有三种：整体破碎、按组别拆卸分解、按单个 零部件彻底拆卸分解。从回收可靠性的角度分析，整体破碎往往会掩盖大量的 有用信息而使回收可靠性随之下降。相应的按组别拆卸分解则相当于在回收之 前对有用的信息作了一次整理，使回收信息变得明晰且有条理。表