家电产品的回收设计.docx

文章编号 :100622343 (2002) 0420045203家电产品的回收设计刘志峰 , 林巨广 , 朱华炳 , 江吉彬 , 刘光复(合肥工业大学机械学院 ,合肥230009)摘 要 :家电产品设计往往侧重于功能 、经济性等因素 ,因而使用了种类繁多的材料及复杂的产品结构 ,使产品淘汰废弃后的处理难度加大 ,费用升高 ,并造成严重的环境污染 。根据家电产品的特点 ,提出了家电产品回收设 计的内容 、方法和设计流程 ,以期从源头上 ,系统 、合理地考虑与家电产品回收性能有关的设计问题 ,指导家电产品的回收设计过程 。关键词 :家用电器 ;绿色设计 ;回收设计中图分类号 : T H12文献标识码 :A企业为了迎合市场发展和竞争需求 ,不断加快新产品的开发速度 ,以赢得更多的市场竞争机会 。目前 ,废旧家电的 回收效率不高 ,效益不好 ,其关键因素就是这些家电产品在 设计过程中以满足产品功能为主 ,采用了种类繁多的材料 、 难以拆卸分离的连接结构等 ,使家电产品的结构复杂 ,回收 处理工作量大 。虽然 ,在家电产品设计中有时也考虑与拆卸 有关的一些因素 ,但是往往缺乏系统性 ,难于用于指导具体 的设计过程 。本文在分析了这些问题的基础上 ,提出了家电 产品回收设计的内容 、方法和设计流程 , 以期从源头上 , 系 统 、合理地考虑与家电产品回收性能有关的设计问题 ,指导 家电产品的回收设计过程 。法利用的废弃物 ,使资源得到了最大限度的利用 。(2) 回收设计有利于持续发展战略的实施 。回收设计 使新产品构成中的回收成分增大 ,减缓了对新资源的开采 、 消耗速度 ,有利于生态平衡和可持续发展战略的实施 。(3) 扩大就业门路 ,提供了更多的就业机会 。废旧家电 产品的回收重用是一个劳动密集型产业 ,经过回收设计的家 电产品 ,使其回收级别得到提高 ,会出现更多的就业岗位 ,也 就提供了更多的就业机会 。(4) 物流的闭合性 。某一种家电产品的废弃物可能就 是另外一种产品的原料 。只要技术 、经济上可行 ,物质就不 停地处于不同功能 、不同形式或状态下 ; 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 。(5) 回收过程本身不应对环境造成危害 ,不造成环境的 二次污染 。回收设计的概述及特点家电产品的回收设计是一种源头控制方法 ,它可以有效 地解决家电产品生产 、使用及达到使用寿命后的再利用 、再 生和回收处理问题 。家电产品的回收设计 D FR ( Design for Recycling) 是实现废旧家电有效回收所采用的手段和方法 , 即在进行家电产品设计时 ,充分考虑产品零部件及材料回收 的可能性 、回收价值大小 、回收处理方法 、产品结构工艺性等 一系列问题 ,以达到零部件及材料资源和能源的充分有效利 用 ,环境污染最小的一种设计思想和方法1 。资源回收和再利用是家电产品回收设计的主要目标 ,其 途径一般有两种 ,即原材料的再循环和零部件的再利用 。由 于材料再循环的难度较大 、成本高 ,目前较为合理的资源回 收方式是零部件的再造 ( Remanufact uring) 或再利用 ( Re2 use) 。对回收及重复利用零部件的家电产品可行性研究表 明 :零部件的重复利用可使产品的最终成本下降 30 % 。家电产品的回收设计具有以下特点 :(1) 回收设计可使材料资源得到最大限度的利用 ,并减 少了固体废弃物的数量 。由于从一开始就考虑了家电产品 废弃淘汰后通过各种途径和方式使产品 、零部件或材料得到 充分有效的重用 、移用和再生 ,最终剩下的是数量很少的无1家电产品回收设计流程及准则传统家电产品的寿命周期是一个线性过程或开环过程 , 产品经过生产过程进入流通领域销售给消费者 。消费者在 产品使用过程中 ,由于产品完全丧失使用功能而废弃或虽然 还具有一定的使用功能但由于过时已不能满足使用要求而 被淘汰 。废弃淘汰产品的处理处置通常是由社会来承担 ,产 品制造企业往往为了赢得市场的竞争 ,满足用户个性化的消 费需求 ,不断地开发各种新产品 。在产品开发过程中 ,很少 考虑产品回收性能 ,这样随着产品销售数量越来越多 ,便产 生了大量废弃物 。这些废弃物通常处理处置非常困难 ,费用 很高 ,并对环境造成了严重威胁 。而回收设计则要求改变这 种模式 ,将其开环直线型 (如图 1 中的实线所示过程) 的寿命 周期转变成图 1 虚线所示的闭环式的寿命周期 ,在这种情况 下 ,经过有效的回收处理可以使废旧家电的部分零部件得到 重复利用 ,其材料经过再加工后能够成为新的生产原料 。与开环直线型的产品寿命周期相比 ,闭环回收系统中增 加了多个回收环节。按产品的废旧程度 ,有的可以在产品级 加以重新利用(如经过清洗及消毒后再次进入二手市场的电 冰箱、电视机、洗衣机等) ;有的可以在部件级加以翻新重用或 移用(如电冰箱的压缩机及其它一些非受力部件等) ;有的只 能回炉冶炼成原材料 (如电冰箱的箱体、门体等) 。如此逐级2收稿日期 :2001 - 07 - 04基金项目 :国家自然科学基金重点资助项目( 59935120) ,安徽省自然 科学基金资助项目 ( 200220 E2 ) , 国家教委博士点基金资助项目 ( 199035903)机械设计与研究第 18 卷46分解 ,能被重用、移用或再生的部分 ,都得到了充分利用 ,到最后数量很少的无法利用的废弃物 ,往往是无法再利用或有害、 有毒的物质 ,只好当作垃圾予以填埋或焚烧。这种回收的优 先层次关系可用图 2 表示。尽管上述回收策略对不同类型产 品 ,具体内容可能会有所不同 ,但其基本原理完全相同。需要时 ,可将有害材料集成在一起 ,并能以一种简单的分离方式拆下 。例如修改处6 , 波轮式全自动洗衣机维护过程 中最难拆卸的零件是洗衣机的离合器 。由于脱水桶底部的 铝质托盘套在离合器的四方大轴上 ,四方轴配合不能用旋转 的方法使其松动 ,只有用拉出的方法 。拉出既不方便又很费 力 ,也无法使用拉爪 ,所以只能用冲击的方法向下打 离合器轴 ,这种冲击方法很容易使离合器轴产生变形 、翻边等而不能继续使用 。当粘连较紧时 ,拆卸往 往无法进行 ,最后只好用其它方法将托盘毁坏才能 拆卸下来 ,这种情况至少会损坏了两个零件 ( 托盘和 离合器) ,造成不必要的损失 。拆卸难主要是结构问 题 。从以下几个方面改进结构设计 ,可使拆卸非常 方便 。在托盘四方孔与离合器的四方轴配合处加 含油轴套或尼龙轴套 , 方法简单易行 , 成本增加甚 微 ;托盘的四方孔改为内螺纹 ,直接旋紧于离合 器轴上 ,面上加挡圈紧固 ;在现有结构上 ,托盘方孔改为圆孔 , 面 上加锁定垫圈 , 锁定 垫 圈上再用大螺母旋紧 。取消铝质托盘 , 压铸脱水桶时一并将桶 底( 现在的托盘) 压铸出 来 ,一体化结构 , 也可用3 的方法用锁定垫圈加 强刚性 , 此法可大大 降低产品成本 。(2 ) 可重用零部件 材料 要 易 于 识 别 分 类 。 即可 重 用 零 件 的 状 态 (如磨损 ,腐蚀等) 要容易 且明确地识别 , 这些 具 有明确功能的可拆卸零 件应易于分类 , 并根 据图 1家电产品闭环回收系统结构 , 连接尺寸及材 料给出识别标志 。目前国图 2 产品回收的优先层次关系2实现产品有效重用和回收的主要途径应是进行产品的回收性能设计 。由于影响产品回收性能的因素往往比较多 , 有些因素之间往往存在不同程度的耦合 。因此 ,良好的回收 性能设计应该是在统一的产品设计模型支持下 ,以计算机辅 助手段来进行 。家电产品回收设计的流程如图 3 所示 。目前由于计算机支持的回收设计软件工具尚不完善 ,回 收设计可以在设计准则的支持下进行 ,这些准则应该是来自 不同企业 、不同类型产品的设计经验的总结和归纳 ,也是计 算机辅助回收设计的基础 。家电产品回收设计的常用准则 主要包括 :(1) 设计的结构应易于拆卸 。合理的部件结构应保持 毫无损伤或方便地拆下目标零件 (要回收的材料及重用的零 部件) ,这可通过选用易于接近和分离的联结结构来实现 。外及国内的大部分电冰箱生产企业生产的电冰箱产品均标明了个部分结构材料的类型及其代号 ,使拆卸 、分类非常方 便 。(3) 结构设计应有利于维修调整 。设计的结构尽可能 用简单的工具调整 ,布局应符合人机工程学原理 ,便于对拆 下的零件进行再加工 ,易于调整及更换零部件 。同时尽可能 避免磨损或使磨损最小 ,根据任务分解原理 ,将易损件布局 在能调整 、再加工或需更换的零件上或区域内 。(4) 尽可能利用回收零部件或 。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 ;(5) 应便于分离拆卸不合理的材料组合 。有些零件为 满足使用性能要求 , 在目前状况下不得不采用不同材料组第 4 期刘志峰等 :家电产品的回收设计47全面地反映影响回收性能的各种因素 ,同时也应有利于采用一定的评价方法进行多目标评判 。在研究大量国内外文献 的基础上 ,作者提出了动态回收评价指标体系框架 ,以取代 原有的固定评价指标体系 ,来实现动态地 、全面地涵盖影响 回收工艺流程决策评价的各种因素 (具体内容另文专述) 。(2) 家电产品回收工艺性能决策评价方法 。家电产品 回收性能决策涉及多个评价因素和评价准则 ,因而评价方法 的选用将会直接影响评价结果的优劣和产品设计人员的决 策 。可采用改进的层次分析法 ( A HP) 与模糊数学相结合的 方法进行回收性能评价 。(3) 家电产品回收设计决策支持系统的构成 。家电产 品回收设计决策支持系统是综合利用大量数据 ,结合众多模 型(数学模型和数据处理模型) ,通过人机交互 ,依据专家知 识及相关数据辅助产品设计人员进行决策的系统 。(4) 家电产品回收设计的数据库和知识库 。回收设计 过程设计大量的数据 、经验和知识 ,例如产品的回收法律法 规要求 、各类产品应该达到回收标准和具体回收内容 、产品 所用材料的回收性能 ( 相容性 、可降解性等) 、回收工艺与方 法等 ;针对具体产品的拆卸结构类型及其选择方法 、产品存 在的环境影响及其范围 、产品功能模块的划分等 。这些数据 及知识是回收设计决策的基础 。(5) 回收设计的反馈机制与策略 。经过回收评价过程 后 ,产品在回收性能方面所存在的不足应该及时反馈给设计 人员 ,以便做出修改决策 。这种反馈需要适宜的反馈机制与 策略支持 ,如通过不同颜色表现应该修改的区域或通过特定 的编码表示回收性能的优劣及回收级别等 。这也是回收设 计中最重要也是实现难度较大的内容 。图 3 家电产品回收设计流程合 ,这样在设计时应从结构上考虑使其便于拆卸分离 ,便于 以后回收 。目前 ,美国至少已有 15 家计算机厂商推出了符合“能源 之星”标准的个人计算机 ; 德国施耐德公司已经设计和制造 出“绿色”电视机 ,其有害“电磁辐射”只有德国辐射标准的千 分之一 ,机壳改用钢材或铝材 ,消除原先使用塑料在变热时 产生的异味 ,且便于产品的回收和再生 。在考虑家电产品回收 、重用的效益和费用时 ,德国推出 了“取回”( take - back) 的回收政策 ,这是对产品设计的一个 全新的认识 ,产品不是向用户销售 ,而是向生产厂商“租用”。 Kodak 已设计了易于拆卸和再造的照相机 ,其制造的绿色相 机中有 60 %的零件都是通过回收直接装配在新产品中 。由上述分析可知 ,对家电产品的回收性能进行系统分析 , 可以发现现有产品设计在回收性能方面所表现出的不足 ,可 以积累大量的数据资料 ,促进家电产品的绿色设计、节约资源 和能源、减少垃圾、保护环境 ;也可以促使我国更快地向经济 循环型社会迈进 ,并最终实现家电制造业的可持续发展。结语4家电产品的回收设计是一个复杂的设计过程 ,它涉及零件设计 、材料选择和紧固方式和紧固件的选择等内容 ,而这 些内容往往又与许多学科知识有关 ,因此家电产品的回收设 计需要利用计算机技术 、信息处理技术 、家电产品的专业知 识等综合协调来解决 。参考文献 :刘光复 ,刘志峰 ,李刚. 绿色设计与绿色制造M . 北京 : 机械工业出版社 ,1999 .T E Graedel ,B R Allenby Indust rial Ecology M . Prentice Hall , Englewoo d Cliff s ,1995 .Carsten Nagel , Peter Meyer . Caught bet ween ecology and eco no2my :end - of - life aspect s of enviro nmentally co nscio us manufac2t uringJ . Co m p uters & Indust rial engineering , 1999 , ( 36 ) : 781792 .施震. 家电产品回收工艺流程决策评价支持系统的研究D .合肥 :合肥工业大学 ,2001 .张友良. 回收利用废家用电器利国利民 J . 家用电器科技 ,2000 , ( 7) :1415 .覃志庆 ,改进洗衣机结构 ,使复合器容易拆卸. 家用电器科技 ,1988 , ( 2) :171234家电产品回收设计的主要内容目前 ,面向回收的设计理论研究已经引起了人们的广泛 关注 ,但对回收设计的内容尚没有明确的认识 。作者在对家 电产品的回收性能进行分析和研究后 ,提出了家电产品回收 设计的主要内容 ,具体包括 :(1) 家电产品回收性能评价指标体系的建立 。家电产 品回收性能的评价指标体系是实现回收设计决策的前提条 件 。该指标体系必须能够科学地 、客观地 、并且能够尽可能356作者简介 :刘志峰( 1963 - ) ,男 ,合肥工业大学机械与汽车工程学院教授 ,硕士生导师 ,机电一体化教研室主任 ,中国机械工程学会 机械设计分会理事 ,主要研究方向为先进制造技术、机电产品绿色设 计与绿色制造、CA PP 、难加工材料切削加工及刀具技术等 ,出版专著2 部 ,参编 1 部 ,发表有关研究论文 80 多篇。( Mechat ro nic Engineering Depart ment , Beijing Instit ute ofGrap hic Co mmunicatio n ,Beijing 102600 ,China) P35Abstract : This paper int roduces t he four basic failure modes of t hree t ypes of shaf t s ,and explicates t he multi2failure mode re2 lated mechanical reliability analysis app roach. By using f unctio n2 al f unctio n equatio n , t he co mp uting formula of failure mode re2 lated correlatio n coefficient and reliability is given o n t he basis oft he t heory of O. Ditlevsen. L ast ,an example is given to illust rate t he co mp uting met hod.Key words : reliabilit y design ; failure related ; f unctio nal f unctio n ;correlatio n coefficient ; shaf tA Visual Compiled Progra m Technology of V Cincture Trans2missioin General DesignYE Nan2hai1 , XIA J ian2fang1 , XU J ing2jing , GAO bin2(1 . College of Machine2elect ric Engineering ,Cent ral Sout h U ni2Abstract : In t his paper , t he necessity of feat ure refilling infixt ure co ncep t ual design is int roduced , t he algorit hm of feat ure refilling is p resented , and t he basic t hought of feat ure refilling and t he detailed realizatio n are given.Key words :fixt ure co ncep t ual design ;feat ure refillingDesign f or Recycl ing on Appl iances ProductL IU Zhi2feng , L IN J u2guang ZHU Hua2bing J IAN G J i2bingL IU Guan2f u(Mechanical & Auto College of Hefei U niversity ofgy , Hefei 230009 ,China) P45Technolo2Abstract : Typically design of appliances p roduct focus o nit s f unctio n ,cost and so o n ,many kinds of material and co mpli2 cated st ruct ure is int roduced ,as a result when p roduct is discard2 ed or washed out , it is difficult to dispose and high in cost , to make serious enviro nmental pollutio n. In t his paper , it is p rop2 osed co ntent ,met hod and design flow o n design for recycling o n appliances p roduct according to appliances feat ure ,so t hat let de2 signer co nsider design factors related wit h recycling performance of appliances reaso nably and systematically f ro m design stage and guide design p rocess for recycling.Key words :appliances ;green design design for recyclingThe Dyna mic Analysis of the Winding Mechan ism of CoatingMachineL U Ning(Depart ment of Mechanlcal Engineering , U niversity of Engi2neering and Technology ,Shanghai 200336 China) P48Abstract : The p roductio n line of coating machine is several hundred meters lo ng ,but film is flexiable. So many elect ric2mo2 tors located alo ng t he line have to be used to drive t he lo ng film. Winding mechanism is at t he end of t he p roductio n line. The torque of winding mechanism is affected by multiple factors. This paper p ut forward t he design scheme and dynamic analysis of winding mechanism which can co nt rol t he winding velocit y according to t he burden of torque auto matically.Key words :winding machanism ; diffential gears system dy2namic analysisThe CAD of Conjugating2Ca m Beating2woof Mechan ism inSword2bar LoomYU Xiao2ho ng1 , WU Ke2jian2 , CHEN Zhi2yuan2 , B IAN xin2xiao1(1 . School of Mechanical Engineering School ,Beijing U niversit y of Science and Technology , 100083 , China ; 2 . Depart ment of Machinery Engineering , Sout heast U niversty , Nanjing 210096 , China) P50Abstract : This paper st udies t he CAD met hods about t he co njugating2cam beating2woof mechanism in sword2bar loo m , and co nst rues t he op timizatio n by which to design t he st uct ureparameters of t he co njugating2cam mechanism. It also developedversit y , Hunan Changsha 410083 , China ; 2 . HunanSchool of Machine2elect ric Engineering , Hunan410083 ,China) P39ChangdeChangdeAbstract : V Cinct ure Transmissio n General Design is ascer2 tained according co mmo nly as so me known terms such as pow2 er ,revolutio n , center distance of t ransmissio n and wor k co ndi2 tio ns. This kind of design is very important in machine design. Making use of t he st ro ng f unctio n of Matlab L anguage , i . e. co mp uter & grap hics visibility f unctio n , t he article formulated M2Functio n to run V Cinct ure Transmissio n General Design. Now ,V Cinct ure Transmissio n General De