2020-04-12
280При развитии отечественной автомобильной промышленности неизменным многие годы оставалось одно требование — повышение эффективности при выполнении машинами определенных технологических операций. Однако в последнее время приоритет требований сместился в сторону уменьшения воздействия автотранспортных средств на окружающую среду за счет улучшения их экологических качеств. Основные экологические подходы к проектированию технических систем сводятся к следующему (HCO/TR 14062, 2002):
· • повышение эффективности использования материалов (возможность уменьшить воздействие на окружающую среду за счет минимального использования материалов, использование материалов с низким воздействием на окружающую среду, использование восстановленных материалов, оценка совокупного воздействия на окружающую среду от всех материалов, входящих в конструкцию на стадии проектирования);
· • повышение энергетического КПД (определение затрат энергии на протяжении жизненного цикла; возможность уменьшения использования энергии, использование энергии более низкого воздействия на окружающую среду, использование энергии из восстановленных источников);
|
|
|
· • проектирование с целью повышения чистоты производства и эксплуатации (выбор чистых производственных технологий, исключение опасных материалов, разработка перспективных систем, исключающих решения, основанные на единичных экологических критериях, и др.);
· • проектирование для обеспечения долговечности (обеспечение длительного срока службы; возможности технического обслуживания и ремонта; экологических улучшений, обусловленных новыми технологиями, и др.);
· • проектирование с целью оптимальной функциональности (возможности исполнения множественных функций, унификации, автоматизированного управления и оптимизации; сравнение с экологическими показателями аналоговой продукции и др.);
· • проектирование для повторного использования, восстановления и рециклирования (рассмотрение возможностей для облегчения демонтажа, уменьшения видов применяемых материалов, использование материалов после рециклирования, деталей, узлов и материалов в последующей продукции);
· • исключение потенциально опасных веществ и материалов в продукции.
Экологические требования должны учитываться разработчиками машин как можно более полно уже на стадии проектирования с выполнением соответствующих конструкторско-технологических мероприятий по следующим направлениям:
· • повышение экологичности конструкции машины и ее агрегатов в части приспособленности к утилизации и рекуперации на последней стадии жизненного цикла;
|
|
|
· • повышение экономичности ДВС;
· • снижение массы конструкции;
· • уменьшение сопротивления движению;
· • снижение токсичности отработавших газов (в том числе за счет установки нейтрализаторов);
· • возможность использования экологически более чистых видов топлива;
· • применение комбинированных источников энергии;
· • улучшение акустических показателей;
· • снижение воздействия движителей на почву.
Повышение экологичности конструкции машины и ее агрегатов в части приспособленности к утилизации и рекуперации наиболее эффективно реализуется, если при конструировании применить принцип агрегатирования, который заключается в создании техники из унифицированных агрегатов, узлов, приборов и деталей.
Этот принцип в определенной мере принят при создании современных автотранспортных средств, и при утилизации машины ее изделия — модули должны использоваться в дальнейшем при создании новых объектов. Однако задачи по организации быстрой разборки автомобиля, сортировке и использованию изделий и материалов, совместимых с точки зрения их рециклирования, могут быть решены только при обязательной четкой идентификации, производимой с помощью стандартизированной маркировки изделий. В соответствии с Директивой 2000/53/ЕС разработчики и производители автотранспортных средств совместно с изготовителями материалов и оборудования должны использовать стандарты кодового обозначения узлов и материалов, пригодных для восстановления и утилизации.
Рассмотрим возможности использования экологического управления на этапе проектирования агрегатов автомобиля. Повышение экологической безопасности узлов, агрегатов и самого автомобиля при их разработке связано с совершенствованием системы проектирования за счет расширения круга задач, решаемых на разных стадиях проектирования. При системном исследовании, анализе и оценке проектируемых объектов и условий их функционирования определяются импликативные взаимосвязи (которые строятся по принципу «если..., то...») между показателями назначения (прежде всего функциональными, структурными и конструктивными) и показателями входа и выхода на основных уровнях продукционной системы — производства, эксплуатации и переработки.
Под продукционной системой понимаем совокупность материально или энергетически связанных единичных процессов, которые выполняют одну или более конкретных функций; под структурированной системой — совокупность технических элементов (подсистем), имеющих общее параметрическое множество.
Для определения экологических показателей проектируемых систем исследованы возможные экологические последствия функционирования их в полном жизненном цикле, т. е. исследованы материальные и энергетические потоки на входе и выходе продукционной системы.
Процесс разработки (проектирования) узлов, агрегатов и самого автомобиля — это трансформация различных требований в научно-техническую документацию для производства. Задачей проектирования на современном этапе является создание объектов, выполняющих заданные функции наилучшим образом (с наибольшей эффективностью) при минимальном использовании материальных и энергетических ресурсов, при минимальных затратах на производство и эксплуатацию объектов, при минимальном воздействии на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла. Поэтому вопросы поиска и оптимизации проектных решений по совокупности технических, технологических, экономических и экологических критериев занимают важное место в научных исследованиях. В основном развитие в области проектирования технических объектов получили работы по выбору сочетаний параметров, дающих лучшие значения рабочих показателей при выполнении ряда ограничений, т. е. работы по параметрической оптимизации.
|
|
|
Автоматизированные оптимизационные расчеты строятся на алгоритмах получения конструктивного решения без поэтапного анализа и оценки альтернативных вариантов на соответствие экологическим требованиям.
Примером практического использования такого подхода является анализ экологических показателей электрооборудования автомобилей[1].
Используя описанные выше методы и результаты расчета приведенной массы негативных выбросов в атмосферу при производстве и рециклинге материалов проектируемой системы (рис. 4.8), а также анализируя экологические показатели и функциональные ограничения (частота прокручивания вала двигателя при -20 °С), представленные на рис. 4.9, можно сделать выводы о преимуществах различных конкурентоспособных вариантов.
Таблица 4.8. Общая модель интегрирования экологических аспектов в процесс проектирования
| Стадии процесса проектирования | Действия, связанные с интегрированием экологических аспектов |
| Планирование | Рассмотрение экологических аспектов в полном жизненном цикле, формулирование экологических требований, анализ внешних факторов, выбор соответствующих подходов к экологическому проектированию, уточнение выбранных подходов с точки зрения основных проблем, экологический анализ эталонной продукции и др. |
| Концептуальное проектирование | Проведение ориентированного анализа жизненного цикла, формирование измеримых задач, разработка концепции проектирования, удовлетворение экологических требований, объединение требований с техническими условиями, использование результатов анализа эталонной продукции |
| Детальное проектирование | Применение экологического подхода к проектированию, увязка с техническими условиями, включая жизненный цикл объекта |
| Испытание/прототип | Верификация технических условий путем испытания прототипа и анализ рассмотренных данных по жизненному циклу прототипа |
| Производство | Сокращение технологических операций, выбор материалов и заготовок, не требующих дополнительной обработки. Использование лучших на данном этапе технологических процессов, способствующих сокращению материале- и энергоемкости и сокращению выбросов вредных веществ в окружающую среду |
нецелесообразности первоначально спланированной разработки, что предполагает полную переработку задания.
|
|
|
Второй этап (концептуальное проектирование) направлен на структурный синтез, он включает в себя выбор концептуальной конструктивной схемы объекта и его элементов, типа устройства. Здесь решаются такие задачи, как определение основных размеров элементов конструкции, выбор конструкционных материалов, подшипниковых узлов, выполняются механико-прочностные расчеты. Вопросы, которые приходится решать разработчику на данном этапе, в наименьшей степени поддаются формализации. Базой для выполнения этих работ является множество патентных технических решений, а также опыт предшествующих разработок. Основной результат этапа состоит в выборе прототипа объекта.
Основные экологические требования на этом этапе следующие: материалы новой конструкции должны быть экологически «дружественными»; следует избегать использования опасных и токсичных материалов (свинец, ртуть, кадмий, асбест и т. п.), а также композиционных материалов, которые плохо поддаются последующему рециклингу. Если возможно, необходимо использовать материалы, производство и обработка которых наносят наименьший вред окружающей среде и требуют наименьшего расходования энергии, а также рециклируемые и рециклирован- ные материалы. Предусмотреть возможности удобного демонтажа и использования продукции, ее отдельных узлов, деталей и материалов после окончания срока службы.
Третий этап (детальное проектирование) заключается в определении параметров объекта. При этом, как правило, решается задача нахождения такого сочетания значений параметров, которое дает лучшие значения одного или нескольких показателей (пока — функциональных) объекта, например КПД, массы активных материалов, стоимости и пр., при выполнении заданных ограничений. Здесь снижение веса и объема продукции приведет к повышению экологической эффективности как на стадиях транспортировки и перемещения, так и при эксплуатации. Оптимальный выбор характеристик различных деталей и узлов, а также соотношения массы различных конструктивных материалов в структуре объекта позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду при производстве и рециклинге этих материалов. При критериальной параметрической оптимизации возможна оптимизация по ряду критериев, среди которых должен присутствовать и экологический критерий, обеспечивающий минимизацию техногенного воздействия с учетом жизненного цикла.
Четвертый этап (испытание/прототип) — детальное исследование показателей качества и функционирования проектируемого объекта в различных условиях. Проводятся различные поверочные расчеты объекта — электромагнитный, тепловой, деформационный и др. На этом этапе целесообразно проводить исследование и определение вибрационных, акустических, тепловых, электромагнитных и других показателей воздействия на человека и окружающую среду, а также вычисление комплексного экологического показателя проектируемой системы для более обоснованного выбора окончательного варианта.
На этапе производства определяют допуски на параметры. Решение этой задачи связано с результатами вероятностного анализа, а также зависит от возможностей технологического оборудования, с помощью которого будет производиться проектируемый объект. Здесь следует стремиться к сокращению технологических операций, выбирать материалы и заготовки, не требующие дополнительной обработки. Использовать лучшие на данном этапе технологические процессы, способствующие сокращению мате- риало- и энергоемкости и сокращению выбросов вредных веществ в окружающую среду.
Результаты проектирования, полученные на предыдущих этапах, фиксируются в комплекте проектной документации, содержащей набор текстовых и графических документов. В сопровождающих документах актуально указывать полученные результаты экологического анализа с учетом жизненного цикла, полученные экологические показатели, схемы последующего рециклинга системы в целом, отдельных узлов, деталей, материалов.
Можно сформулировать следующие особенности экологического проектирования технических объектов:
· • имеется не только иерархическая подчиненность этапов и их структурированных систем сверху вниз, но и зависимость экологических показателей последующих этапов от результатов, полученных на предыдущих этапах, что приводит к появлению обратных связей между этапами и определяет итеративный характер проектирования;
· • этапы синтеза (с учетом экологических требований) чередуются с этапами экологического анализа тех последствий, к которым приводит этот выбор;
· • проектные задачи отличаются большим многообразием, объемом и трудоемкостью, что определяет целесообразность применения экологических критериев различной сложности.
Задачи комплексного проектирования приведены в табл. 4.9.
При проектировании (конструировании) автомобилей для повышения экологической безопасности необходимо следовать следующим рекомендациям [4] (Звонов В. А. и др., 2001):
· 1. Разработка новой концепции:
o • снижение потребления материалов и топлив (а соответственно, и энергии) на всех стадиях жизненного цикла;
o • расширение функций продукции (повышение универсальности);
Таблица 4.9. Задачи комплексного проектирования
| Стадии проектирования | Задачи технического проектирования | Задачи экологического проектирования |
| 1. Техническое задание | Определение основного назначения, технических характеристик, показателей качества и технико-экономических требований | Анализ условий функционирования объекта с учетом жизненного цикла, объект должен иметь наилучшие, но не избыточные характеристики, определение технико-экологических требований |
| 2. Техническое предложение | Техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки объекта на основе анализа различных вариантов возможных решений задачи проектирования | Технико-экологическое обоснование целесообразности разработки объекта на основе комплексного экологического анализа различных вариантов возможных решений задачи проектирования |
| 3. Эскизный проект, структурный синтез | Разработка принципиальных решений, дающих общее представление об устройстве и принципе работы объекта, определение основных размеров элементов конструкции,конструкционных материалов, механико-прочностные расчеты | Анализ и выбор экологически «дружественных» материалов, в т.ч. рециклируемых и рециклиро- ванных, по возможности избегать использования композиционных материалов, предусмотреть использование объекта, его узлов, деталей, материалов по окончании срока службы |
| 4. Технический проект, параметрический синтез | Разработка окончательных технических решений,определение параметров объекта, оптимизация по технико-экономическим критериям | Снижение веса и объема продукции. Определение экологических критериев оптимизации, снижающих техногенное воздействие на всех стадиях жизненного цикла |
| 5. Разработка документации | Разработка конструкторских документов для изготовления и испытания объектов | Методические указания по изготовлению и испытанию объекта в соответствии с технико-экологическими требованиями. Результаты экологического анализа, экологические показатели с учетом жизненного цикла |
| 6. Опытный образец | Проверка качества функционирования объекта | Проверка экологических показателей |
· • продукция должна иметь наилучшие характеристики, но не иметь избыточных.
· 2. Выбор экологически «дружественных» материалов:
o • необходимо избегать использования опасных и токсичных материалов (свинец, ртуть, кадмий, хром, асбест и т. п.);
o • необходимо выбирать материалы, производство и обработка которых требуют меньшего расходования энергии;
o • необходимо использовать рециклируемые и рециклиро- ванные материалы.
· 3. Снижение веса и габаритов продукции:
o • снижение веса способствует снижению затрат энергии на перемещение;
o • снижение объема способствует уменьшению места, необходимого при транспортировке к потребителям и при хранении.
· 4. Оптимизация технологии производства:
o • использование технологических процессов, способствующих меньшей энергоемкости и меньшим выбросам вредных веществ;
o • уменьшение количества технологических операций;
o • использование материалов, которые не требуют дополнительной обработки (доводки) поверхности деталей;
o • технологический процесс должен проектироваться так, чтобы до минимума снизить образование отходов;
o • повторное использование отходов переработки в том же производственном процессе.
· 5. Повышение эффективности системы распределения (доставки) продукции:
o • необходимо использовать наиболее экологически «дружественную» упаковку (рециклируемую, наименьшей возможной массы и объема, не содержащую токсичных компонентов);
o • транспортировка должна осуществляться преимущественно по железной дороге или водным транспортом, нежелательно использование автомобильного и тем более воздушного транспорта.
· 6. Снижение воздействия на окружающую среду на стадии использования продукции:
o • необходимо стремиться к наименьшему энергопотреблению (расходу топлива), обеспечивать функции энергосбережения (для электронных приборов);
· • предпочтительно использовать экологически чистые (лучше возобновляемые) источники энергии;
· • необходимо обеспечивать наименьший возможный расход эксплуатационных материалов (масел, рабочих жидкостей, фильтров и т. п.);
· • в эксплуатации продукция должна как можно меньше выбрасывать вредных веществ и образовывать отходов;
· • должно быть исключено (разъяснено в соответствующих инструкциях) неправильное использование продукции, которое может привести к повышенному расходу энергоресурсов или загрязнению окружающей среды.
· 7. Обеспечение длительного срока службы:
o • конструкция должна быть надежной и долговечной;
o • продукция должна быть простой и удобной в обслуживании и ремонте, однако чем меньше потребность в обслуживании и ремонте, тем лучше;
o • узлы и детали, подверженные наиболее быстрому износу, могут иметь специальные приспособления, которые бы показывали необходимость замены (преждевременная замена увеличивает расход материалов в эксплуатации);
o • необходимо размещать детали, которые требуют частого контроля и замены, ближе друг к другу, чтобы снизить количество операций по разборке и контролю при обслуживании;
o • использование модульной конструкции, что позволяет упростить разборку и замену узлов.
· 8. Использование продукции по окончании срока службы:
o • необходимо предусмотреть повторное использование продукции после соответствующего ремонта;
o • отдельные узлы также могут быть повторно использованы (непосредственно или после ремонта), это необходимо учитывать при конструировании;
o • конструкция должна обеспечивать легкую разборку и разделение материалов;
o • материалы должны иметь маркировку (особенно пластмассы) для ускорения их сортировки;
o • чем больше материалов поддается переработке для повторного использования, тем меньше отходов необходимо будет захоронить на свалках;
o • узлы и детали, содержащие токсичные материалы, должны легко сниматься, чтобы в дальнейшем не засорять окружающую среду (особенно при сжигании отходов).
