车辆回收与再生技术 - 文章

车辆回收与再生技术

作者：重庆大学冉振亚赵树恩李玉玲

欢迎访问e展厅
展厅 4	汽车与公路设备展厅乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ...

[摘要] 在分析废旧汽车零部件回收再生方案及其回收经济性的基础上，讨论了汽车回收再生的技术方法和策略；并提出了汽车面向回收再生设计及面向可拆卸性设计的基本原则，建立了可拆卸性设计系统模型；指出面向回收再生设计及面向可拆卸性设计是节约资源、降低成本、实现汽车产品绿色化设计及创建汽车工业可持续发展模式的有效手段之一。
关键词：回收再生设计可拆卸性设计拆卸规划拆卸评价

1 前言

随着经济的迅猛发展及人类物质生活需求的日益增长，世界范围内的资源短缺、环境污染等问题也正在不断地威胁着人类的生存环境。特别是近年来汽车工业的蓬勃发展，致使汽车的社会保有量急剧上升，与此同时，废旧汽车的数量也在同步增长，报废汽车留下的难以处理的垃圾对环境的严重污染，正逐渐为人类所共识。因此，如何使汽车制造业尽可能地提高报废车辆的再利用率及降低废弃物对环境的污染是当前设计研究的一个重要问题，也是汽车工业所面临的重要课题。

2 废旧汽车回收再生技术现状

进入20 世纪90 年代以来，世界汽车生产每年保持在5000万辆左右，我国1999年汽车生产量为180.5万辆，2004年达到500万辆，全世界汽车按普通轿车材料构成比和材料利用率70%计算，每年消耗的钢铁、有色金属、塑料、橡胶、玻璃等材料的数量令人震惊。同时，随着汽车产量和保有量的不断增加，平均每年的废旧汽车数量也在急剧增长，世界上废旧汽车每年产生的废渣约为550 万吨，这些废渣的处理不仅带来了巨额的经济支出，而且大量废弃物的积存对生态环境也造成了严重污染。因此，废旧汽车的回收再生技术将以其节约资源、降低成本，减少废弃物生成、保护环境的双重优势而受到当代汽车设计研究及制造业的关注。

目前世界各国都已开始关注废旧汽车的处理和材料回收利用。特别是在德国、英国、美国、日本等经济发达国家和汽车保有量大国，都在报废车辆和废品的再利用方面制定了完善的制度，并且在汽车的报废标准、程序、方法和鼓励政策措施等方面不断的完善和提高。特别是日本政府已于1991 年制定了“再生利用促进法”，亦即义务实施回收法规，日本汽车工业协会从1997 年也开始推进“废旧汽车再生利用起动工程”，并提出了废旧汽车材料回收利用的具体目标。我国政府也已经把“以汽车为对象，提供可回收、可拆卸成套技术，并与企业结合，建立示范点”作为“十五”目标及主要研究内容之一。因此，有效的利用现有资源，充分利用资源再生，减少汽车废弃物，创建汽车工业可持续发展模式，将是21 世纪汽车工业的永恒主题。

3 废旧汽车零部件回收的经济性分析

3.1 汽车零部件回收再生的形式

回收是指将废车中的可用零部件及材料按其性质进行分类，以实现零部件重用或材料循环；再生是指在新的产品中利用使用过的或废弃的零部件和材料。汽车零部件的回收通常包括：a) 直接使用；b) 维修后再用；c) 再制造等三种形式。依照零部件在产品生命周期内的循环过程，可以建立如图1 所示的面向产品生命周期的回收再生模型。

图1 面向产品生命周期的回收再生模式

3.2 回收效益与回收效率

产品回收效益是指回收产品的总价值扣除拆卸成本后所得到的效益，即

式中，Vtotal 为拆卸回收的总利润；Vr 为回收效益；Cd 为拆卸成本；Vre 为重用零件的回收效益；Vrs 为重用部件的回收效益；Vm 为材料的回收效益；Ci 为焚烧处置的成本；Cl 为填埋处置的成本；

为重用零部件回收效益的总和；

为焚烧处置的总费用；

为填埋处置的总费用；

为材料回收效益的总和；

为拆卸操作的总成本。
产品的回收效率是指零部件的净回收效益与其本身所具有的回收总效益之比，即

I=(Vr- Cd - Ci - Cl)/ Vr

式中，Vr 为零部件的回收价值；Cd 为拆卸成本；Ci 为焚烧处置的成本；Cl 为填埋处置的成本。由此可见，废旧产品的回收效率与产品的回收价值、拆卸难易程度有关。

4 面向回收再生的汽车设计策略和方法

报废车辆的回收再利用，不是报废后才需要解决的课题。而应在汽车设计时就应该制定相应的标准来规范产品的回收利用率、重金属含量计算(如铅、锡、锌、铜、等)以及回收利用时能够采取的回收办法和手段等。国际上提出了3R (Reduce、Reuse、Recycle)的概念和观点，来全面考虑汽车废品再利用的标准化研究，从“设计到回收”的理念已在发达国家的汽车产品研究领域和制造业中得到了贯彻和加强。

4.1 面向再生的设计方法（Design For Recycling， DFR）

车辆的回收再利用包括零部件的再使用和材料的再利用，因此在设计阶段应主要从这两个方面来考虑设计的策略问题。其主要目的是为了使构成产品的零部件和材料能够并且方便的被再使用，因此必须遵循以下原则：

（1）固定方法的标准化，提高拆解效率。图2 为两个零件分别采用铆接、焊接、插接和螺纹联接等联接方式。从整体性来看，铆接和焊接较好；但就处理技术而言，焊接或铆接成组合件势必会造成回收困难，因此车体采取扣件插接或螺纹联接代替其它传统的接合方法，会提高组件的拆解容易度。

(a)铆接（ b）焊接（c）插接（ d）螺纹联接
图2 零件的联接方式

（2）采用系列化、模块化的产品设计。在不同系列的产品中尽可能的采用相同的零部件和标准件，以便于分类。
（3）尽可能地选取可重新使用的零部件或经过工艺处理后具有与同类新零件相同功能和寿命的零部件。
（4）考虑零件的异化再使用方法，在全社会范围内寻找其再使用的途径，充分利用回收的零部件。
（5）物质使用最小化。遵循“最少就是最好”的原则，在保证总功能的前提下，设计时应以使用物质最少作为目标来完成。
（6）材料种类最少化。设计适应尽可能的减少使用材料的种类，以便提高分类效率和回收率并降低材料的购买价格。
（7）选择理想材料。在不影响功能的前提下，尽可能使用可再循环利用材料、生物材料及回收再生材料，促使整个社会形成一个有效使用资源的良性循环。
（8）分考虑材料的兼容性，即便这些材料构成零部件无法拆卸，也可一起被再生利用。

4.2 面向拆卸的设计方法(Design For Disassembly， DFD)

面向拆卸的设计是绿色设计的主要内容之一，要求在产品设计的初始阶段就将可拆卸性作为结构设计的目标之一。拆卸回收的目的是为了使零部件材料得到最大限度的回收再利用，使最终产生的废弃物数量为最小，以节约资源、保护环境，同时使企业获得最大利润。在零部件回收时必须遵循回收价值原则，即：当零件回收价值加上该零件不回收而进行其它处理所需的费用大于拆卸费用，则回收该零件；当零件回收价值小于拆卸费用，而两者之差又小于该零件的处理费用，则回收零件；反之，若两者之差大于该零件的处理费用，则不回收该零件。

可拆卸性设计系统是指对产品的设计进行拆卸分析、计算拆卸方向、生成拆卸序列并给出拆卸评价及设计建议的软件系统。可拆卸性设计系统有以下四个模块组成，图3 所示为基于几何推理的拆卸性设计构成及流程框图。

(1) 产品模型的建立及信息的输入。随着CAx 的集成化发展及DFx 技术日臻成熟，在产品的设计、制造、装配、试验、销售、使用、维护、报废、回收的全生命周期内，应建立一个统一的产品模型，无需各个系统间再进行信息模型的转换。但在当前研究中，基于统一的产品模型研究还不完善，所建立的模型往往只针对某种领域。因此，可拆卸性设计系统不能直接采用CAD 系统模型，必须进行再加工，建立针对可拆卸性设计的内部模型。它包括：零部件的分类、零部件的结构信息、材料及工作环境信息、相邻零部件的关系等信息，这些信息通常可通过从CAD 系统读取数据交换文件或者通过用户交互式输入获得。

图3 可拆卸性设计系统构成及流程框图

（2）拆卸顺序规划（ DSP， Disassembly Sequence Planning）

DSP 是从产品的拆卸角度出发，优化产品的拆卸序列并对被拆的零部件生成拆卸方向，并用AND/OR 树表示出来。AND/OR 树的树根表示产品或部件，它由多个OR 子孙构成。每个OR 子孙可以表示为产品或部件的一个分解，并以节点表示，每个节点中包含该零件的所有信息，它们之间的连线表示相邻零件的联接关系。这样对同一部件可能会产生多种可行的拆卸顺序及路径，则需要依据拆卸原则从中优化出较快、较简单的方案作为拆卸的最优方向，从而缩短拆卸时间、降低拆卸成本、提高拆卸回收效率和回收效益。

（3）拆卸评价。拆卸评价主要包括拆卸成本及拆卸时间的计算。零件的拆卸性评价指标为[5]

式中，dt 为拆卸时间；de 为拆卸成本；cl 为单位时间劳动力成本；ce2 为所需工夹具的使用成本；SWi为拆卸时间的影响系数；sdt 为标准拆卸时间；SW1 为重量的影响系数；SW2 为体积的影响系数；SW3 为材料脆性的影响系数；SW4 为零件刚柔性的影响系数；SW5 为拆卸阻力的影响系数。

（4）建立完善的知识库。通过对大量的连接结构进行分析，建立较完善的知识库，以便对产品中存在的不合理结构提出修正建议。

4.3 实例分析

图4 所示为省略了部分零件的变速器中间轴的装配图，它由轴、轴承A、套筒、齿轮、轴承B、键等6 个零件组成。假定要对轴进行回收，则可对其进行如下拆卸性设计。

图4 部件装配图

首先，在可拆卸性设计系统中，运用“AND/OR” 树表达方法，对该部件进行拆卸性信息建模，可以建立如图5 所示的无方向网络图。图5 中的节点分别包含了相应零件的名称、类型、材料特征、形状特征及尺寸参数等信息，连线反映了这些零件之间的装配关系，它存储有装配关系的名称、类型、配合方向、装配参数等装配信息。

图5 部件的图模型

然后，确定其最优拆卸顺序。对于轴的拆卸而言，首先需确定从哪个零件开始拆卸。由图4 可以看出，拆卸轴既可以从轴承A 开始，也可以从轴承B 入手。显然采用后者无需拆卸轴承A 和套筒就可以得到要回收的轴，其拆卸路径最短，故在回收拆卸时应优先考虑。接着进行拆卸评价以决定最优方案，最后将有关信息反馈给初始设计。

此简单例子说明，建立拆卸性信息模型及拆卸顺序规划是面向拆卸设计的两个关键技术；零部件的拆卸方案可能不止一种，应按拆卸原则规划出最佳拆卸顺序，以提高回收效益。

5 结论

(1) DFR/DFD 是实现汽车绿色化设计的重要手段之一，也是汽车产品面向全生命周期设计的重要组成部分，在未来的汽车产品设计中必将进行DFR/DFD 设计。

(2) 面向产品回收再生及可拆卸性设计并不是产品装配设计的简单可逆过程，应逐步建立适应于CAD/CAPP/CAM 及DFD/DFR 的统一信息模型，并使其能自动生成零部件的装配、拆卸等最优顺序，以利于产品并行化、集成化和面向生命周期的设计。

参考文献
1 邹家祥主编.现代机械设计理论与方法.北京:科学出版社， 1990
2 陈璐，蒋丹东，蔡建国.可拆卸性设计中的面向对象建模技术研究.中国机械工程，2000，9(9):987~991
3 徐顺利，薛学进，李鸣鸣.面向装配及拆卸的产品设计.中国机械工程， 2000， 9(9):1020~1021
4 蒋丹东，刘光复.可拆卸性设计的系统构成.合肥工业大学学报（自然科学版）1999，8(4):12~16
5 胡迪青，胡军军，胡于进等.支持面向装配和面向拆卸设计的CAD 系统.中国机械工程，2000，9(9):1001~1006
6 刘志峰，林巨广，刘光复等.废旧产品回收工艺流程评价决策支持系统研究开发.中国机械工程，2002，10(20):1773~1776
7 倪俊芳，杨晓东，蔡建国.面向经济回收的产品设计.机械科学与技术， 1997，11(6):1009~1012
8 黄天泽.世界汽车工业发展动向.湖南大学学报， 1997，10(5):43~49.
9 刘志峰，刘光复.产品的可拆卸性及其设计方法.机械设计与研究， 1997(1):7~12
10 孟明辰，韩向利.并行设计.北京:机械工业出版社，1999
11 Hong C Zhang ，T sai C Kuo. A Graph-based Approach to Disassembly Model for End-of-life Product Recycling.IEEE/CPMT International Electronics
Manufacturing Technology Symposium，1996:247~254
12 Woo T C， Dutta D. Automatic Disassembly and Total Ordering in Three Dimensions.Journal of Engineering for Industry， 1991，113:207~213
13 Harjula T， Rapoza B， Knight W A et al. Design for Disassembly and the Environment. Annals of the CIRP， 1996， 45(1): 109~114(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/10/2005)


您的位置：首页 > 交通运输/海工装备展区 > 汽车与公路设备展厅 > 产品库 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录