Экологические приоритеты при конструировании машин

Конкурентоспособность новой техники во многом зависит от ее экологической безопасности, современные требования к которой заставляют пересмотреть традиционные методы проектирования, производства, эксплуатации и утилизации машин, а также методы стандартизации и сертификации.

Серия международных стандартов ISO 14000 "Система экологического управления" включает организацию системы экологического управления и аудита, а также оценку экологичности производства и продукции на всех стадиях жизненного цикла. Оценка экологической безопасности машин, а также направления для совершенствования их конструкции ("конструирование для экологии") осуществляются на основе концепции полного жизненного цикла (ПЖЦ).

Относительно новый термин "конструирование для экологии" (Design for the Environment) показывает важность экологического аспекта создания и функционирования машин, т. е. уже на начальном этапе создания машин планируются мероприятия (материаловедческие, конструкторские, технологические и эксплуатационные) для обеспечения экологической безопасности и энергосбережения.

Концепция ПЖЦ состоит в том, что экологическая безопасность является приоритетным звеном взаимосвязи всех этапов жизненного цикла машин, включая их утилизацию. При этом эффективность утилизации машины по окончании срока ее эксплуатации во многом является основой для ряда упомянутых ранее мероприятий по экологической безопасности, которые реализуются на предшествующих утилизации этапах жизненного цикла машины.

Требования к утилизации машины по окончании срока эксплуатации (дополнительно к стандартам серии ISO 14000) определяются директивой Европейского Союза ЕС 97/с337/02.

В общем виде жизненный цикл машины можно представить схемой, представленной на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Схема жизненного цикла машины с потоками веществ и энергии (под выбросами понимается любое материальное загрязнение окружающей среды)

Экологическая безопасность является очень серьезной проблемой, значимость которой возрастает по мере развития промышленного производства. Основными потребителями природных ресурсов и энергии являются машиностроение и транспортные системы, которые играют определяющею роль в загрязнении окружающей среды. Оценку экологической безопасности машин производили для продукции машиностроения. В качестве примера был использован грузовой автомобиляь с бензиновым двигателем грузоподъемностью 4500 кг и пробегом за период эксплуатации 500 тыс. км, для которого были выполнены расчеты экологической безопасности по ПЖЦ.

На рисунке 3.6 приведен расход энергии в отдельных стадиях ПЖЦ автомобиля. Видно, что наибольшие затраты энергии приходятся на стадию эксплуатации автомобиля. Затраты энергии на стадии производства (включая добычу сырья, производство материалов, топлива и изготовление автомобиля) составляют только 45 % от затрат энергии при эксплуатации автомобиля.

Рисунок 3.6 – Энергия на осуществление отдельных стадий ПЖЦ:

1 – переработка; 2 – производство; 3 – эксплуатация

Очень широк спектр вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу на протяжении полного жизненного цикла машины. При этом следует отметить очень высокий уровень выброса углекислого газа при эксплуатации машин: он сопоставим с выбросом этого газа на тепловых электростанциях.

Общей целью оценки экологической безопасности машин, является выявление их конкурентоспособности и определение направлений улучшения экологических показателей машин или их отдельных узлов на всех стадиях жизненного цикла, в частности новых материалов и современных технологий изготовления на уровень экологической безопасности машины в жизненном цикле. На практике часто возникает необходимость оценки влияния тех или иных усовершенствований конструкции автомобиля на его экологические показатели (например, применения каталитических нейтрализаторов, систем впрыска топлива, шин с уменьшенным сопротивлением качению, обтекателей и т. д.).

Помимо выявления влияния модернизации на экологическую безопасность, такие оценки позволяют сопоставить различные варианты конструкции машин, существенно отличающихся друг от друга (например, машины с различными силовыми установками – дизельной, бензиновой, гибридной; транспортные средства в двух- или трехосном исполнении и т. п.). Кроме того, важно установить уровень экологической безопасности отдельных узлов и деталей комплектации автомобиля и разработать технические условия на их поставку.

Оценка экологического ущерба, наносимого окружающей среде вредными выбросами, может быть использована при обосновании выбора наиболее целесообразных методов улучшения экологических показателей машин и их составных частей. Так, например, уменьшение расхода топлива и выброса вредных веществ машиной в условиях эксплуатации может быть достигнуто уменьшением ее массы, снижением сопротивления движению (аэродинамического или сопротивления качению), улучшением технических показателей и КПД двигателя.

Как отмечалось, важной стадией полного жизненного цикла машины является ее утилизация по окончании срока службы. В 1997 г. Совет Евросоюза принял директиву 97/с 337/02 "Транспортные средства, вышедшие из эксплуатации", а в 1999 г. в эту директиву был внесен ряд поправок. В основе этих мероприятий – установление мер по предотвращению образования отходов, связанных с выводом из эксплуатации машин, а также с их повторным использованием, рециклированием и другими формами восстановления. Государства-участники обязаны гарантировать воплощение в жизнь этих мероприятий по предотвращению негативного воздействия, наносимого окружающей среде отслужившими свой срок машинами. В их числе:

– совместный контроль (производителей машин, материалов и оборудования) использования вредных веществ в машинах и сокращения их содержания до минимально возможного количества; совершенствование концепции создания машин с учетом необходимости предотвращения выбросов в окружающую среду, упрощения процесса рециклирования и предотвращения захоронения опасных отходов. Помимо этого, поставлена задача проектировать и производить новые машины, которые приспособлены к разборке, повторному использованию и утилизации (в особенности рециклированию) по окончании срока службы.

Начиная с 1 января 2005 г., машины должны не менее, чем на 95 масс. % по массе утилизироваться путем рециклинга материалов, повторного использования отдельных узлов и деталей либо сжиганием отходов (с регенерацией энергии). При этом на повторное использование или рециклинг должно идти не менее 85 % массы машины. Кроме того введены очень жесткие ограничения на количество (в абсолютных величинах или по концентрации) опасных и вредных веществ в различных узлах и агрегатах машин. В их числе кадмий, свинец, ртуть и шестивалентный хром.

Экологические стандарты по ПЖЦ требуют пересмотра всего процесса разработки новой техники. С учетом упомянутой концепции "конструирование для экологии" алгоритм процесса конструирования будет иметь следующий вид (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Алгоритм процесса конструирования в соответствии с

концепцией "Конструирование для экологии"

Как видно из рисунка, процесс разделяют на три стадии:

– оценка существующей конструкции и планирование необходимых изменений;

– усовершенствование конструкции и технологических процессов;

– подготовка документации и ввод новой конструкции в производство.

Упомянутая новая концепция содержит в основном апробированные рекомендации по обеспечению высокого качества машиностроительной продукции, но каждая из этих рекомендаций рассматривается с экологической точки зрения (рисунок 3.8). В их числе использование рециклируемых и рециклированных материалов, проектирование технологических процессов, способствующих снижению энергоемкости и уменьшению выбросов вредных веществ, использование материалов, которые не требуют дополнительной обработки (доводки) поверхности деталей; совершенствование технологических процессов, чтобы до минимума снизить образование отходов и обеспечить повторное использование отходов переработки в том же производственном процессе.

Рисунок 3.8 – Экологические приоритеты при конструировании новой техники с учетом ее полного жизненного цикла

Достаточно важными представляются рекомендации по использованию наиболее экологически приемлемой упаковки (рециклируемой, минимально возможной массы и объема, не содержащей токсичных компонентов), при стремлении к минимизации выбросов вредных веществ и образования отходов, а также предотвращению неправильного использования продукции, которое может привести к повышенному расходу энергоресурсов или загрязнению окружающей среды.

Не менее важны: использование модульной конструкции для упрощения разборки и замены узлов; возможность повторного использования продукции и ее отдельных узлов после соответствующего ремонта; разработка такой конструкции машины, которая обеспечивает простое и удобное разделение материалов при наличии маркировки (для ускорения их сортировки и переработки при повторном использовании или утилизации).

В таблице 3.2 приведена сравнительная оценка вредного воздействия производства и рециклинга некоторых материалов на окружающую среду. Видно, что наиболее высокий показатель рециклирования (более 80 %) у стекла, у остальных материалов он сравнительно невелик, что свидетельствует о больших резервах и необходимости дальнейшей работы в этом направлении.

Ведущие фирмы ведут работы по введению в практику требований ПЖЦ по утилизации машин, вышедших из эксплуатации. Наиболее впечатляющие результаты имеют автомобилестроители, например, в фирмах " BMW ", " Volvo ", " Fiat ", " Ford " и " Nissan ", где степень повторного использования материалов составляет 85–90 %. Там разработаны стандарты предприятий по "конструированию для рециклинга", а также руководства по разборке и утилизации машин по окончании срока их службы. Узлы машины проектируются таким образом, чтобы снизить время, требуемое для их разборки, а также уменьшить количество узлов, которые разбираются только путем предварительной разборки других узлов (т. е. снижают количество уровней разборки).

Большой интерес представляет для операций разборки таблица 3.3 (составленная на основании немецкого стандарта VDI 2243). В ней даны рекомендации по способам соединений деталей в зависимости от требований к ним и приведена сравнительная оценка их различных параметров (несущая способность, рециклируемость и др.).

Таблица 3.3 – Сравнительная оценка различных способов соединения деталей
Характеристики соединения	Несущая способность	Использование	Рециклируемость
Статическая прочность	Усталостная прочность	Затраты на сборку	Сложность сборки	Затраты на разборку	Затраты на разрушающую разборку	Рециклинг изделия	Рециклинг материалов
Неразборные соединения	склеивание	±	±	±	–	–	±	–	±
сварка	+	+	±	–	–	±	–	+
Фрикционные соединения	магнитное	±	±	+	±	+		±	±
"липучка"	–	–		+	+		±	±
болтовое	м	+	+	±	±	±	±	±	±
п	±	±	±	±	±	+	+	+
пружинное	±	–	+	+	+		+	+
Быстроразъемные соединения	защепка	+	±	+	+	–	+	–	+
рычажный зажим	+	±	+	±	+	±	+	+
крепеж ¼ оборота	+	±	+	+	+	±	+	+
футорка	±	±	+	+	+	±	+	±
пружина+ штифт	±	–	+	+	+	±	+	±
бандаж	+	±	+	±	±	+	+	+
Примечание "+" – хорошо; "±" – средне; "–" – плохо; м – металлические детали; п – пластмассовые детали.

Концепция рассмотрения машиностроительной продукции в рамках полного жизненного цикла вызывает необходимость информационного сопровождения продукта на всех его стадиях. Эту задачу решают CALS -технологии (англ. Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла), в основу идеи которых было положено единообразное представление информации о конструкции изделий, их характеристиках, технологической оснастке, технологий производства и обслуживания, ремонта и утилизации.

CALS представляет собой концепцию создания единой информационной среды для всех этапов жизненного цикла, обеспечивающей интеграцию не только информационных, но и электронных технологий описания изделий, применяемых на различных предприятиях. Эта концепция позволяет объединять в единое целое интегрированные автоматизированные системы управления технологическими процессами и проектными работами, а также системы передачи данных на основе телекоммуникаций.

Начало разработки CALS -технологии относится к середине 1970-х годов, когда в оборонном ведомстве США возникла необходимость в оперативном электронном обмене данными между заказчиком, производителями и потребителями средств вооружения и военной техники. Сегодня CALS -технологии получили достаточно широкое распространение во многих странах, существует уже более 25 национальных организаций по развитию CALS.

Во взаимоотношениях между предприятиями становится нормой требование компьютерного представления и обмена данными о поставляемой продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Белорусские предприятия в рамках международного сотрудничества, в частности, при продаже сложных наукоемких изделий и лицензий на их производство, также должны соблюдать требования стандартов CALS применительно к поставляемой с изделием технической документации в электронной форме. Компьютерная информационная поддержка должна быть обеспечена и для процессов технического обслуживания, материально-технического снабжения, заказа запасных частей, ремонта.

CALS -технологии включены в стандарты серии ИСО 10303 STEP – Standard for the Exchange of Product Model Data (Стандарт по обмену данными о модели изделия). Это весьма обширные документы, состоящие из множества томов. В качестве примера можно привести стандарт ИСО 10303-214 (по автомобилестроению). В нем описано использование интегрированных ресурсов, необходимых для обмена информацией между приложениями (компьютерными программами), которые обеспечивают процесс проектирования механических частей автомобиля. В этих документах приводятся самые разнообразные сведения:

– конструкторская документация об изделии;

– ссылки на документацию об изделии, представленную в формате, отличающемся от указанного в ISO 10303;

– данные моделирования для описания кинематических структур;

– размерные данные и геометрические данные о допусках;

– данные о форме изделия;

– информация по контролю конфигурации изделия для создания различных модификаций на этапе конструирования;

– данные, описывающие изменения, которые произошли на этапе конструирования;

– идентификация стандартных элементов, основанных на международных или национальных стандартах;

– идентификация уже изготовленных элементов, узлов или инструментальных средств, например, для разработки прототипа;

– данные о выпуске изделии;

– данные об изделиях производителей и их поставщиков, включая детали, сборочные единицы, инструментальные средства, комплексы инструментальных средств и сырьевые материалы;

– технологическая информация, используемая для производства и управления взаимосвязями между промежуточными стадиями разработки инструментов или деталей;

– данные о поставщике изделия с необходимой контактной информацией.