在生產(chǎn)現(xiàn)場，很多制造系統(tǒng)既可以選擇使用氣動執(zhí)行器又可以選擇使用電動執(zhí)行器。在執(zhí)行器的方案選擇中，除了考慮機(jī)械性能、經(jīng)濟(jì)屬性，還應(yīng)當(dāng)考慮執(zhí)行器的清潔生產(chǎn)性能，研究哪一種執(zhí)行器系統(tǒng)更符合綠色制造的要求。采用從搖籃到墳?zāi)梗–radletoGrave）的生命周期評價（LifeCycleAssessment，LCA）能夠準(zhǔn)確把握執(zhí)行器的環(huán)境影響程度的差異。
LCA（LifeCycleAssessment）已有四十多年的歷史，國際上已經(jīng)形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)（如IS014040等）、環(huán)境數(shù)據(jù)庫（如美國、荷蘭、日本等國家的數(shù)據(jù)庫）、環(huán)境評價軟件（如Simapro，GaBi，TEAM）。國內(nèi)LCA的研究起步較晚，北京工業(yè)大學(xué)在國家“九五”、“十五”的高新技術(shù)研究計劃、國家自然科學(xué)基金等資助下，開展了一系列材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性研究。楊建新等對我國普通鋼材生產(chǎn)過程中的能源、物料消耗以及對環(huán)境的排放進(jìn)行了研究。王洪濤等在2009年開始研發(fā)LCA軟件，現(xiàn)已提供CLCD、ebalance和eDesign等環(huán)境評價軟件。林逢春等以兩種一次性塑料餐盒為例，在Simapro7.1軟件的支持下，運用Eco-indicator99影響評價模型完成了對兩種餐盒的生命周期評價。RolandHischier對等離子電視進(jìn)行LCA研究，指出制造階段和使用階段對環(huán)境影響*重。
當(dāng)前LCA的研究主要集中在材料和生產(chǎn)工藝領(lǐng)域，針對機(jī)電產(chǎn)品的LCA研究較少，執(zhí)行器方面還沒有完整的生命周期評價案例。氣動和電動執(zhí)行器是當(dāng)前機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用*廣泛的執(zhí)行設(shè)備。本文采用Eco-indicator99，借助Simapro7.1，進(jìn)行氣動和電動執(zhí)行器的LCA對比研究，解決兩種執(zhí)行器在相同工況下都能完成既定生產(chǎn)任務(wù)的前提下，哪種執(zhí)行器的環(huán)境負(fù)荷更少的問題，對機(jī)電產(chǎn)品的LCA研究意義重大。兩種執(zhí)行器的LCA研究步驟分為目標(biāo)和范圍確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋四部分。
1 環(huán)境影響評價因素分析
兩種執(zhí)行器在原料采集、制造生產(chǎn)、銷售使用、報廢回收等過程都會對環(huán)境產(chǎn)生影響，其環(huán)境影響評價因素歸納如下：
（1）在制造環(huán)節(jié)的環(huán)境影響因素有：原材料的采集、冶煉、加工等階段產(chǎn)生的能源消耗和環(huán)境污染排放，在制造組裝和運輸銷售階段產(chǎn)生的能源和化石燃料的消耗；
（2）在運行環(huán)節(jié)的環(huán)境影響因素有：氣動執(zhí)行器消耗壓縮空氣所產(chǎn)生的壓縮機(jī)耗電，電動執(zhí)行器的電能消耗，以及它們維護(hù)保養(yǎng)階段產(chǎn)生的器件的更換、交通等事務(wù)所造成的環(huán)境影響；
（3）在報廢回收環(huán)節(jié)的環(huán)境影響因素有：廢棄物掩埋、焚燒、原材材料提取等所造成的環(huán)境污染和能源消耗。
2 研究目標(biāo)和范圍的確定
2.1 目標(biāo)和范圍
目標(biāo)和范圍的確定是確定產(chǎn)品系統(tǒng)和系統(tǒng)邊界，包括了解產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、確定所要研究的系統(tǒng)邊界。確定研究的目標(biāo)與范圍是清單分析、影響評價和結(jié)果解釋的出發(fā)點和立足點。研究范圍所涉及的要素包括功能單位、初始系統(tǒng)邊界、時間邊界、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求等。
氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的研究目標(biāo)就是比較兩種執(zhí)行器在生產(chǎn)制造階段、運行使用階段以及報廢回收階段所造成的環(huán)境影響的差異，找出兩種執(zhí)行器整個生命周期所消耗資源、能源及排放的廢棄物的數(shù)據(jù)，計算其環(huán)境負(fù)荷狀況。通過應(yīng)用調(diào)研，選取在執(zhí)行器市場份額中占有率較高的三組執(zhí)行器進(jìn)行研究，如表1所示。
表1 執(zhí)行器研究對象
*PA，PB，PC代表三種氣動執(zhí)行器；EA，EB，EC代表三種電動執(zhí)行器。
氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)都是外購零部件或半成品進(jìn)行再加工，然后組裝、噴涂、檢測、包裝形成產(chǎn)品，*后銷售給終端用戶。因此，執(zhí)行器的LCA評價還需要追溯這些零部件或半成品的制造過程。這些中間產(chǎn)品的環(huán)境影響一般采用統(tǒng)計的方法，計算它們的能耗和資源消耗。執(zhí)行器的LCA研究范圍和系統(tǒng)邊界如圖1所示。
圖1 執(zhí)行器的LCA研究范圍和系統(tǒng)邊界
2.2 時間邊界
時間邊界的選擇與所確定的評價目的有關(guān)。如果研究目的是分析和確定系統(tǒng)的環(huán)境影響，普通的LCA即可滿足要求；如果研究目的是為了判斷生產(chǎn)過程、生產(chǎn)技術(shù)、原材料等的變化引起的環(huán)境負(fù)荷變化，那就需要采用面向變化的LCA，將評價結(jié)果以時間序列進(jìn)行比較，找出研究對象的變化和差異。
考慮執(zhí)行器近幾年的的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)差異不大，因此選取2009年的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定執(zhí)行器的生產(chǎn)和運行對環(huán)境所產(chǎn)生的影響。
3 清單分析
清單分析數(shù)據(jù)由資源能源消耗和污染物排放兩部分構(gòu)成。污染物排放包括直接排放和間接排放。直接排放是指執(zhí)行器零部件生產(chǎn)過程（鑄造、機(jī)加工、涂裝等）中產(chǎn)生的排放；間接排放是指在原料開采與能源生產(chǎn)過程、運輸過程中造成的排放。
在以執(zhí)行器為代表的機(jī)電產(chǎn)品在進(jìn)行LCA時，機(jī)電產(chǎn)品整個生命周期的能源、資源數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確獲得，使得LCA的清單分析很困難，只好采取統(tǒng)計和估算的方法獲得所需的數(shù)據(jù)。
氣動和電動執(zhí)行器都是按照批量零部件生產(chǎn)再進(jìn)行組裝的方式進(jìn)行，它們的生產(chǎn)過程如圖2所示，執(zhí)行器制造過程的主要工藝如圖3所示。
圖2 執(zhí)行器的生產(chǎn)過程
圖3 執(zhí)行器制造過程的主要工藝
3.1 氣動執(zhí)行器清單數(shù)據(jù)
氣動執(zhí)行器零部件的主要材質(zhì)是鋁合金、鋼鐵、銅等金屬，還有由聚氨酯、丁晴橡膠等有機(jī)化合物制作的緩沖密封元件。在生產(chǎn)線上多種規(guī)格的執(zhí)行器同時生產(chǎn)，執(zhí)行器的生產(chǎn)量波動也很大，基本都是按照訂單和庫存量來安排生產(chǎn)量。因此，無法通過全廠總消耗量求平均值的方法來估算每種執(zhí)行器生產(chǎn)所消耗的資源。只有通過氣動執(zhí)行器各零部件的材質(zhì)、質(zhì)量、電鍍面積、涂裝面積等信息估算它們的環(huán)境負(fù)擔(dān)，再累加得到氣動執(zhí)行器的總的環(huán)境影響。氣動執(zhí)行器零部件的工藝特征如圖4所示；PA零部件明細(xì)如表2。
圖4 氣動執(zhí)行器零部件的工藝特征
表2 氣動執(zhí)行器PA零部件明細(xì)表
*質(zhì)量為考慮切削加工余量零部件加工前的毛培質(zhì)量
3.2 電動執(zhí)行器清單數(shù)據(jù)
電動執(zhí)行器與氣動執(zhí)行器相比，種類較少，零部件的集成度較高，維修拆裝較困難，個體性能差別性也很大。因此，也采用單個執(zhí)行器的零部件環(huán)境負(fù)荷累加的方法，進(jìn)行電動執(zhí)行器的環(huán)境影響清單數(shù)據(jù)收集。EA零部件明細(xì)如表3。
表3 電動執(zhí)行器EA零部件明細(xì)表
4 Simapro7.1執(zhí)行器評價框架建立
在Simapro7.1中建立執(zhí)行器產(chǎn)品評價框架，如圖5所示。
圖5 基于Simapro7.1的執(zhí)行器評價框架
該評價框架包含生產(chǎn)環(huán)節(jié)、運行環(huán)節(jié)、廢棄處理、拆卸過程、再利用過程共五層，各層次之間是相互銜接、前后呼應(yīng)。結(jié)構(gòu)框架沿著框架的層次結(jié)構(gòu)，逐步將執(zhí)行器的所有零部件清單數(shù)據(jù)信息全部錄入，在運行期間的能耗也錄入進(jìn)去。執(zhí)行器拆卸、報廢回收方式采取運送至廢品回收公司統(tǒng)一回收原材料的方式。數(shù)據(jù)錄入以氣動執(zhí)行器PA的缸筒為例，缸筒進(jìn)行機(jī)加工、鍍鎳、鍍鉻等處理后，接著運送至裝配車間，它的材料和工藝數(shù)據(jù)錄入如圖6所示。
圖6 氣動執(zhí)行器PA缸筒的數(shù)據(jù)錄入
5 環(huán)境影響評價和結(jié)果解釋
目前，國際上也沒有統(tǒng)一的環(huán)境影響類型分類方法。SETAC于1999年提出的Eco-indicator99分類評估方案至今仍為大部分LCA研究所遵循。Eco-indicator99的單位是Pt，它是一個無量綱的單位，這個值由當(dāng)?shù)鼐用窨側(cè)丝谌コ援?dāng)?shù)乜偟沫h(huán)境負(fù)荷再乘以1000得到。
氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的環(huán)境影響采用Simapro7.1中的Eco-indicator99（H）V2.06評估方案對進(jìn)行評價。該方案包含人類健康（Humanhealth）、生態(tài)系統(tǒng)健康和資源三大類，包含致癌物質(zhì)（Carcinogens）、呼吸有機(jī)物（Resp.organics）、呼吸無機(jī)物（Resp.inorganics）、氣候變化（Climatechange）、輻射（Radiation）、臭氧層破壞（Ozonelayer）、生態(tài)毒性（Ecotoxicity）、酸化或富營養(yǎng)化（Acidification/Eutrophication）、土地使用（Landuse）、礦石（Minerals）、化石燃料（Fossilfuels）共11個小類。
將所有執(zhí)行器的清單數(shù)據(jù)歸類特征化后，得到執(zhí)行器的環(huán)境影響特征化結(jié)果，再經(jīng)過環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)境影響加權(quán)后，得到三組執(zhí)行器的11種環(huán)境影響的單一綜合值，再將11種環(huán)境影響匯總為人類健康（Humanhealth）、生態(tài)系統(tǒng)健康和資源三類，*終得到三組執(zhí)行器的環(huán)境影響綜合值如圖7所示。
圖7 三組執(zhí)行器的環(huán)境影響綜合值
由圖7可知，六種執(zhí)行器均對資源的環(huán)境影響約占環(huán)境影響總值的50%左右，對人類健康影響約占環(huán)境總影響的40%。六種執(zhí)行器對環(huán)境影響的總值由強(qiáng)到弱順序為：EB>PB>EC>EA>PC>PA。所以，三組執(zhí)行器的環(huán)境影響評價結(jié)果為EA>PA，EB>PB，EC>PC，電動執(zhí)行器的環(huán)境影響程度比相應(yīng)的氣動執(zhí)行器大。
相同搬運能力的電動執(zhí)行器和氣動執(zhí)行器在整個生命周期中，電動執(zhí)行器的三個環(huán)境指標(biāo)（人類健康、生態(tài)系統(tǒng)健康和資源）的消耗都比氣動執(zhí)行器大。這是因為電動執(zhí)行器零部件比氣動執(zhí)行器多，結(jié)構(gòu)也比氣動執(zhí)行器復(fù)雜、精密，且涉及電機(jī)、線纜等高能耗高污染器件，因此電動執(zhí)行器的環(huán)境影響程度也氣動執(zhí)行器大。
6 結(jié)論
從環(huán)境影響的角度，對三組機(jī)械性能和工況相近的氣動和電動執(zhí)行器進(jìn)行了LCA研究，得出結(jié)論：（1）氣動和電動執(zhí)行器對資源的環(huán)境影響約占環(huán)境影響綜合值的50%；（2）機(jī)械性能和工況相近的氣動和電動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器的環(huán)境影響比氣動執(zhí)行器大。
通過對常規(guī)直線搬運工況下的氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的LCA比較，氣動執(zhí)行器的環(huán)境影響程度比電動執(zhí)行器小，搬運載荷越多，氣動執(zhí)行器的優(yōu)勢就越明顯。因此，在常規(guī)的直線搬運工況下，只要氣動執(zhí)行器能夠滿足工況要求，盡量選用氣動執(zhí)行器，減少電動執(zhí)行器的使用。
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