应用GaBi的两种汽车转向器防尘罩的绿色评价

秦雪梅，俞 宁，詹 捷

(1.重庆理工大学 a.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室;b.机械工程学院，重庆 400054;2.湖南大学中国汽车技术与产业发展研究中心，长沙 410012)

汽车工业作为我国国民经济的支柱产业，直接影响到许多相关产业的发展。因此，研究与汽车相关联的环境污染、资源与能源利用问题既是环境保护的焦点问题，也是汽车工业健康、持续发展的关键问题［1］。汽车作为一种复杂的现代工业产品，从制造、使用到最终报废，都会对环境产生巨大的影响。如何减少和控制汽车对环境的危害已成为人们普通关心和亟待解决的问题［2］。汽车零部件的设计变更涉及到产品结构、产品材料等的变化。优化产品结构有利于改善产品的外形、功能和质量，选用绿色材料有利于节约能源和资源、提高产品环保性。本文根据生命周期评价方法，运用GaBi软件对两种材料的汽车转向器防尘罩进行环境影响评价，探索基于GaBi分析的生命周期评价方法在产品设计变更决策中的应用。

1 生命周期评价方法及软件

1.1 生命周期评价方法

生命周期评价(life cycle assessment，LCA)是对某种产品或某项生产活动从原料开采、加工到最终处理的一种评价方法。ISO14040将其定义为对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价［3］。一个完整的生命周期评价包括4个组成部分:目标与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释［4］。

1)目标与范围的确定。确定研究目的、系统边界、功能单位和假设条件等。

2)清单分析。对所研究系统中的输入和输出数据进行汇编和量化分析。

3)影响评价。通过使用与清单结果相关的影响类型和类型参数，对清单分析阶段所识别出来的环境负荷影响进行定量和定性的描述与评价［5］。

4)结果解释。根据目的和范围要求对评价结果进行评估，分析产品生命周期中的重大问题，进而形成结论和建议。

1.2 GaBi软件

生命周期评价软件的发展速度很快，产品主要有 GaBi、Boustead Model、KCL-ECO 和 Simapro等。GaBi是由德国PE-INTERNATIONAL开发的针对产品可持续发展的LCA软件。该软件拥有丰富的环境数据负荷库，数据主要来源于Ecoinvent、PE-GaBi、PlasticsEurope 和 Buwal，所含评价方法主要有 CML、EI、EDIP 和 UBP 等［6］。GaBi包含许多基本要素，主要有方案、数量、单位、流、用户、工艺和目标平衡等。本文所使用的软件版本为GaBi6。

2 汽车转向器防尘罩的生命周期评价

2.1 汽车转向器防尘罩

汽车转向器是完成旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系统中的减速传动装置。转向器防尘罩用在汽车转向系统上，与汽车转向拉杆连接，其主要作用是防尘和密封润滑脂，同时将刚性连接转成柔性连接。防尘罩的关键尺寸是防尘罩与转向拉杆球头销座之间的配合尺寸。对防尘罩的技术要求是防摩擦、防尘以及保证骨架内孔尺寸与精度［7］。

2.2 目标与范围的确定

本文选用材料为橡胶和塑料的同一款汽车转向器防尘罩作为研究对象，目的是通过两种材料防尘罩的生命周期评价，对比两种材料防尘罩生命周期阶段的能源和环境影响差异，为产品设计人员选用产品材料提供参考依据。

防尘罩的整个生命周期过程如图1所示。根据研究目的确定研究范围，重点是原材料，以及防尘罩制造、使用和回收处理的全过程。与其他各阶段相比，销售和运输阶段对环境的影响较小，故本文忽略不计。

图1 防尘罩的生命周期过程

两种材料防尘罩的主要参数见表1，表中的数据来源于重庆某汽车厂。生命周期评价的功能单位确定为单件防尘罩的产品质量(kg)。

表1 某款汽车两种材料防尘罩的主要参数

2.3 清单分析

2.3.1 原材料及其生产阶段

由于防尘罩生产的配方保密，因此本文只列出部分原材料数据。单件防尘罩所需原材料见表2。两种防尘罩原材料提取阶段的主要污染物排放和能耗见表3。

表2 单件防尘罩所需的原材料

表3 两种防尘罩原材料提取阶段的主要污染物排放和能耗

2.3.2 防尘罩制造阶段

1)橡胶防尘罩的生产采用模压硫化成型，工艺流程为:原材料→配料系统→炼胶机→预成型机→硫化机→修边机→防尘罩成品。运用GaBi6对生产过程进行建模，如图2所示。

图2 橡胶防尘罩生产过程的GaBi6软件模型

从所建立的软件模型可以看出橡胶防尘罩制造阶段消耗的电能为1.774 79 MJ。单件橡胶防尘罩制造阶段的输入和输出情况如表4所示。

表4 单件橡胶防尘罩制造阶段的输入和输出情况

2)塑料防尘罩的生产过程采用吹塑成型，工艺流程为:原材料→除湿干燥供料机→吹塑机→防尘罩成品。运用GaBi6对生产过程进行建模，如图3所示。

图3 塑料防尘罩生产过程的GaBi6软件模型

从所建立的软件模型可以看出塑料防尘罩制造阶段消耗的电能为1.990 78 MJ。单件塑料防尘罩制造阶段的输入和输出情况如表5所示。表中输出只列出了主要的污染物排放数据。

表5 单件塑料防尘罩制造阶段输入输出情况

2.3.3 防尘罩使用阶段

两种材料防尘罩在汽车使用寿命期间一般不会出现中途更换的情况。由于防尘罩在使用过程中不产生负面的环境影响，本文暂且忽略该阶段的环境影响。

2.3.4 防尘罩回收阶段

由于汽车产量和用量的快速增长，汽车橡胶件和塑料件的回收利用对资源与环境的影响已日益凸显。汽车的回收再生包括废弃汽车整车的回收再生和制造过程中产生的不合格废品与边角料的回收再生两类。制造过程中产生的废料较易回收再生，而在废弃整车处理时的材料回收是汽车回收再生的重点［8］。

废旧橡胶属于固体废弃物，其来源主要有报废的橡胶制品和制造过程中产生的边角料与废品。废旧橡胶的回收利用有直接利用和物理化学加工利用两种［9］。塑料废弃物是伴随着树脂的生产、成型、加工、应用和废弃而产生的。TPV作为一种通用热塑性弹性体具有热塑性，可反复利用，废弃物回收比较容易，只是热塑性弹性体产品数量少，在废弃物收集和分类方面存在问题［10］。处理好废旧橡胶和废旧塑料对利用再生资源、减少环境污染和改善人类生存环境具有非常重大的意义。

3 影响评价

运用LCA软件GaBi6对橡胶防尘罩和塑料防尘罩进行生命周期评价，得到两种材料防尘罩生命周期阶段对能源与环境的影响评价结果。

1)初级能源消耗对比。从软件分析结果可以得出两种材料防尘罩的初级能源消耗，如表6所示。两种材料防尘罩的初级能源消耗总量为38.674 6 MJ，橡胶防尘罩的初级能源消耗所占比重为69%。从节能的角度考虑，塑料防尘罩比橡胶防尘罩更节能。

表6 两种材料防尘罩的能源消耗对比 MJ

2)两种防尘罩的污染物排放对比。选择对环境影响较大的气体CO、CO2、NO、NO2和SO2作为主要的污染物考虑。表7列出了两种材料防尘罩的主要污染物排放数据，图4为两种防尘罩的污染物排放对比分析数据。结果显示:橡胶防尘罩的CO2排放值远大于塑料防尘罩，橡胶防尘罩对环境的影响远大于塑料防尘罩。

表7 两种材料防尘罩的污染物排放 kg

图4 两种材料防尘罩的污染物排放对比

3)酸雨(AP)、富营养化(EP)、臭氧分解(ODP)和温室效应(GWP)的对比。图5为两种材料防尘罩的环境影响结果对比，图中数据来源于GaBi6软件数据库。由图5可知:橡胶防尘罩的环境影响值大于塑料防尘罩;温室效应的影响较为显著。

图5 两种材料防尘罩环境影响对比

4 结束语

TPV材料防尘罩的质量小于丁腈材料防尘罩，为汽车减重和节能作出了贡献。在两种防尘罩的原材料提取阶段和加工制造阶段，TPV材料防尘罩的环境影响小于丁腈材料防尘罩。虽然TPV材料防尘罩在制造阶段的电能消耗大于丁腈材料防尘罩，但在总的能源消耗方面，TPV材料防尘罩远小于丁腈材料防尘罩。由于塑料是省资源、节能型的材料，TPV材料的回收利用性能也优于丁腈材料。在进行汽车转向器防尘罩材料设计变更时，不考虑两种材料产品的成本因素，而只考虑产品的节能性、环保性和质量可靠性。通过对两种材料零件进行生命周期评价对比分析，表明TPV材料零件的整体性能优于丁腈材料零件。

本研究存在以下不足:采集数据的完整性有限;对某些生命周期阶段进行了忽略假设;在运用GaBi6软件进行分析时对某些材料进行了替代。未来可针对上述不足做进一步研究。

［1］杨建新，徐成，王如松.产品生命周期评价方法及应用［M］.北京:气象出版社，2002.

［2］伍昌鸿，马晓茜.汽车制造、使用及回收的生命周期分析［J］.汽车工程，2006，28(2):207 －211.

［3］邓南圣，王小兵.生命周期评价［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［4］张力芹，许峰，丁善田，等.不同金属材料汽车车轮的生命周期评价［J］.黑龙江冶金，2010，30(4):6 －9.

［5］刘志峰，王进京，张雷，等.铝合金与玻璃钢汽车引擎盖的生命周期评价［J］.合肥工业大学学报，2012，35(4):433－438.

［6］李兴福，徐鹤.基于GaBi软件的钢材生命周期评价［J］.环境保护与循环经济，2009(6):15 －18.

［7］张远喜，周丽玲，庄涛.汽车转向器防尘罩硫化体系的研究［J］.中国橡胶，2011，27(4):40 －42.

［8］杨惠娣.塑料回收与资源再利用［M］.北京:中国轻工业出版社，2010.

［9］刘玉强，马瑞刚，殷晓玲.废旧橡胶材料及其再资源化利用［M］.北京:中国石化出版社，2009.

［10］周达飞，吴张永，王婷兰.汽车用塑料:塑料在汽车中的应用［M］.北京:化学工业出版社，2003.