循環(huán)利用政策下的汽車輕量化技術(shù)及其發(fā)展趨勢

2014年，我國汽車產(chǎn)銷量達到了2 372.29萬輛和2 349.19萬輛[1]，已連續(xù)6年穩(wěn)居世界汽車產(chǎn)銷國首位。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車保有量也在快速增長，資源、環(huán)境以及安全方面的壓力變得越來越大。為了有效降低汽車的燃油消耗量和污染物排放量，各大整車企業(yè)及其零部件供應(yīng)商紛紛將輕量化技術(shù)應(yīng)用到自身產(chǎn)品之中，以期通過減輕整車質(zhì)量來實現(xiàn)燃油消耗的降低。同時，在《循環(huán)經(jīng)濟促進法》和《汽車產(chǎn)品回收利用技術(shù)政策》等法律、法規(guī)政策要求下，報廢汽車循環(huán)利用也得到了汽車企業(yè)和社會各界的關(guān)注和重視。目前，新能源汽車技術(shù)、輕量化技術(shù)以及報廢汽車循環(huán)利用技術(shù)將成為未來實現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件，這已經(jīng)在業(yè)內(nèi)形成共識。

因此，在發(fā)展汽車輕量化技術(shù)的同時，如何保證退役報廢之后的汽車產(chǎn)品能達到國家有關(guān)循環(huán)利用方面的政策、法規(guī)要求，實現(xiàn)退役汽車清潔、高效的循環(huán)利用是開展汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用所應(yīng)該關(guān)注的重要課題。

一、報廢汽車循環(huán)利用要求

1.汽車逆向產(chǎn)業(yè)鏈和報廢汽車循環(huán)利用途徑

汽車產(chǎn)品的全生命周期包括了產(chǎn)品規(guī)劃、開發(fā)設(shè)計、原材料組織、毛坯及零部件制造、總裝檢驗、銷售使用、維修服務(wù)以及報廢、回收拆解、循環(huán)再利用等過程，這個過程構(gòu)成了現(xiàn)代汽車工業(yè)的循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈[2]。在循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈中既包括了汽車產(chǎn)品從開發(fā)到報廢的正向產(chǎn)業(yè)鏈，又包括汽車產(chǎn)品報廢后的回收、拆解以及循環(huán)再利用等環(huán)節(jié)構(gòu)成的逆向產(chǎn)業(yè)鏈。在逆向產(chǎn)業(yè)鏈中報廢汽車的再利用形式有3種：再使用（Reuse）、再制造（Remanufacture）和再循環(huán)（Recycle）。其中，再使用是指報廢汽車上某些性能和精度均未發(fā)生變化的零部件經(jīng)過檢測評估后的直接再利用；再制造是指精度或性能已經(jīng)部分失效的零部件，經(jīng)過檢測、評估、修復、檢驗測試后使其質(zhì)量達到或超過原廠新品后進行的再利用[3]；再循環(huán)是指對汽車上不可再使用或再制造的零部件經(jīng)過破碎、分選后以原料形式重新進入原材料生產(chǎn)企業(yè)（如鋼廠）進行重熔或處理后的再利用。上述3種再利用方式中，再使用的循環(huán)利用效益最高，再制造次之，再循環(huán)最低，報廢汽車循環(huán)利用過程和方式見圖1所示。

2.國內(nèi)外報廢汽車循環(huán)利用形勢和要求

從20世紀末開始，為了緩解汽車保有量和報廢量的快速提升給資源和環(huán)境帶來的壓力，以歐盟、美國等為代表的西方汽車工業(yè)發(fā)達國家，紛紛制訂出報廢汽車循環(huán)利用法規(guī)和路線圖[4]，要求以整車企業(yè)履行延伸責任為主體建立報廢汽車循環(huán)利用體系，分階段完成報廢汽車循環(huán)利用率目標（如表1所示）。在建立報廢汽車循環(huán)利用率階段性目標體系的同時，相關(guān)國家還對車用有毒有害物質(zhì)的使用及管控作出嚴格的規(guī)定，以保證在報廢汽車循環(huán)利用過程中能夠有效防止因有毒有害物質(zhì)引起的二次污染，如歐盟規(guī)定從2003年7月1日起嚴格禁止鉛（Pb）、汞（Hg）、鎘（Cd）和六價鉻在汽車產(chǎn)品上使用。

受到國際汽車工業(yè)發(fā)達國家的影響，國務(wù)院相關(guān)部門針對我國汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢于2006年聯(lián)合發(fā)布了《汽車產(chǎn)品回收利用技術(shù)政策》，規(guī)定到2017年我國境內(nèi)所有國產(chǎn)及進口汽車產(chǎn)品的可回收利用率必須達到95%以上，其中材料的再利用率不能低于80%[5]。針對機電產(chǎn)品再制造產(chǎn)業(yè)，國務(wù)院在2005年頒發(fā)的21、22號文件明確提出“支持廢舊機電產(chǎn)品再制造”，2008年國家發(fā)改委公布了第1批共14家汽車零部件再制造試點企業(yè)名單，正式啟動了我國汽車零部件再制造試點工作。2009年新頒布的《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》也要求“國家支持企業(yè)開展機動車零部件、工程機械、機床等產(chǎn)品的再制造”[6]，2012年國家發(fā)改委在總結(jié)第1批再制造試點企業(yè)示范經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，公布了第2批共28家汽車零部件再制造試點企業(yè)名單[7]，目前一批開展汽車零部件再制造業(yè)務(wù)的企業(yè)正在快速成長起來。同時，國家確定了用5年時間在全國建成50個左右技術(shù)先進、環(huán)保達標、管理規(guī)范、利用規(guī)?；⑤椛渥饔脧姷摹俺鞘械V產(chǎn)”示范基地[8]，并將報廢汽車作為“城市礦產(chǎn)”的重點資源進行利用。在2005年國家發(fā)改委頒布的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》中明確指出，要提高鋼鐵原料的處理質(zhì)量，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的“精料入爐”[9]。可以看出，這些涉及到汽車循環(huán)利用方面的法律、法規(guī)要求將成為評價汽車產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的約束性指標，同樣將對汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生影響。

二、全生命周期內(nèi)汽車輕量化技術(shù)體系構(gòu)成

汽車輕量化途徑主要有2種[10]：一種是通過選用輕質(zhì)化材料來實現(xiàn)零部件和整車減重的材料輕量化；另一種是通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)部件小型化的結(jié)構(gòu)輕量化。其中材料輕量化主要通過采用低密度材料如鋁合金、鎂合金以及碳纖維、塑料來實現(xiàn)零部件乃至整車質(zhì)量的減輕。結(jié)構(gòu)輕量化則主要是通過優(yōu)化零件或部件結(jié)構(gòu)，使其在滿足整車性能要求的前提下，實現(xiàn)各部位結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)匹配和耦合，從而減小零件或部件的體積和質(zhì)量，如開發(fā)小型增壓化發(fā)動機、使用高強度鋼等來降低整車的質(zhì)量等。結(jié)構(gòu)輕量化的實現(xiàn)有時也依賴于材料性能的提高，即通過選用高性能材料或者挖掘材料性能來實現(xiàn)零部件尺寸的小型化。

基于產(chǎn)品的全生命周期理論并從材料和結(jié)構(gòu)輕量化2個方面來考慮，汽車輕量化技術(shù)的體系構(gòu)成如圖2所示。圖2中的整車輕量化方案構(gòu)建技術(shù)指的是基于整車性能目標，并從產(chǎn)品的全生命周期理論出發(fā)，結(jié)合汽車產(chǎn)品實現(xiàn)輕量化的主要途徑制訂出一個面向輕量化目標的總體方案，這個方案是一個多目標、多約束的優(yōu)化問題[11]，約束條件之一就是保證報廢汽車循環(huán)利用率達到相關(guān)法規(guī)、政策規(guī)定的要求。材料輕量化技術(shù)包括了輕量化材料設(shè)計制造技術(shù)、成形加工技術(shù)和連接技術(shù)等，其中輕量化材料設(shè)計與制造技術(shù)由材料供應(yīng)商所掌握，成形加工和連接技術(shù)則由汽車零部件或整車企業(yè)來實現(xiàn)。同樣，結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)由結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、零件精度控制技術(shù)以及部件集成匹配技術(shù)等所組成，其中重點要解決的是由于為適應(yīng)零件結(jié)構(gòu)小型化、薄壁化而造成的加工工藝系統(tǒng)剛度不足對加工精度產(chǎn)生的影響問題。輕量化技術(shù)的應(yīng)用是以不能犧牲整車性能特別是舒適性、安全性為前提的，因此需要運用整車性能優(yōu)化分析技術(shù)來校驗、分析和優(yōu)化輕量化技術(shù)的應(yīng)用效果，以實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)和材料的合理匹配[12，13]。在汽車產(chǎn)品投入使用之后，必須有輕量化零件修復技術(shù)以保證零件失效后能夠通過快捷、經(jīng)濟的修復工藝使其恢復使用功能。針對退役或報廢后的輕量化汽車產(chǎn)品，面向輕量化材料和結(jié)構(gòu)的零部件回收技術(shù)、再制造技術(shù)、循環(huán)利用技術(shù)以及環(huán)?；幚砑夹g(shù)是實現(xiàn)整車產(chǎn)品高效循環(huán)利用目標的必要條件。所有這些構(gòu)成了基于全生命周期理論的汽車輕量化技術(shù)體系。

三、循環(huán)利用政策下的輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢

1.汽車輕量化材料

當前輕量化材料的應(yīng)用依然是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑，實現(xiàn)報廢汽車95%的循環(huán)利用率目標，輕量化材料的選用是至關(guān)重要的影響因素之一。汽車輕量化材料對循環(huán)利用率的主要影響體現(xiàn)在2個層面：可循環(huán)利用性和循環(huán)利用難度。在高強度鋼、輕質(zhì)合金和非金屬材料3類汽車常用的輕量化材料中，高強度鋼和輕質(zhì)合金如鋁、鎂合金主要影響的是循環(huán)利用難度。對于諸如塑料、碳纖維增強復合材料等非金屬輕量化材料則既存在是否具有可循環(huán)利用性的問題，又存在著循環(huán)利用難度高低的問題。碳纖維增強復合材料是很多高檔車上使用的輕量化車身材料，其中熱固性碳纖維增強復合材料可循環(huán)利用性能很差，處理難度極大。針對這一問題，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)在充分考慮制造成本以及成形工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)了熱塑性纖維增強復合材料來替代熱固性碳纖維復合材料并在部分車型（如馬自達MX-0電動車）上進行了應(yīng)用[14]，明顯地提高了產(chǎn)品的可循環(huán)利用性能，降低了環(huán)?；幚淼碾y度。

因此，開發(fā)和選擇可循環(huán)利用性能好、循環(huán)利用難度低的車用輕量化材料將是未來汽車輕量技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2.汽車輕量化零件修復

汽車零件的修復主要在2個階段進行：一個階段是汽車產(chǎn)品在役時正常的維修過程，另一階段是報廢汽車零件再制造中對其精度和性能的恢復過程，前者與報廢汽車的循環(huán)利用無關(guān)。在后一階段中，報廢汽車的車身結(jié)構(gòu)件一般不作為再制造毛坯。對再制造工藝過程和質(zhì)量產(chǎn)生影響的主要是如發(fā)動機、變速器等關(guān)鍵部件上應(yīng)用的輕量化結(jié)構(gòu)和材料。再制造工藝過程由拆解、清洗、檢測評估、尺寸恢復、加工、裝配、檢驗調(diào)試等工序組成，其中輕量化結(jié)構(gòu)和材料主要影響的是拆解、尺寸恢復和加工等3道關(guān)鍵工序。拆解過程與結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到部件的可拆解性和無損化拆解難度。尺寸恢復工序與零部件所選用的材料有關(guān)，不同的基體材料所對應(yīng)的尺寸恢復工藝和恢復層性能不同，如采用鑄鐵、鋁合金的發(fā)動機缸體均需要不同的尺寸恢復工藝條件和規(guī)范。結(jié)構(gòu)和材料直接影響著再制造加工工藝性以及再制造件的最終加工質(zhì)量。

因此，在應(yīng)用汽車輕量化技術(shù)時，一定要評價關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)和材料對再制造拆解、尺寸恢復以及加工性能等關(guān)鍵工序的影響，采用可拆解、模塊化單元結(jié)構(gòu)，研究輕質(zhì)合金涂層工藝及其控形控性制造技術(shù)，針對輕量化、小型化結(jié)構(gòu)零件的加工需要開發(fā)出專門的成套工藝裝備和技術(shù)方法，以保證再制造后的零部件其性能和質(zhì)量不低于原廠新品。

3.汽車輕量化材料回收處理

材料再循環(huán)是報廢汽車產(chǎn)品的主要再利用形式。為了實現(xiàn)車用材料高效循環(huán)利用的目的，對于報廢后的汽車零部件要經(jīng)過分類拆解、碾壓、破碎、分選等工序?qū)崿F(xiàn)破碎料的精確歸堆，以便為原材料廠家提供具有較高純凈度和尺寸一致性的原料。輕量化高強度鋼或超高強度鋼的大量應(yīng)用，需要開發(fā)出功率更高、性能更好的破碎設(shè)備，有色金屬、黑色金屬以及非金屬材料的混合使用，增加了破碎料精確分選的復雜性。近幾年，湖北力帝機床股份有限公司等相關(guān)企業(yè)在消化吸收國外先進技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出帶有預碾壓功能的破碎設(shè)備，增大了整機功率并強化了關(guān)鍵部件的性能，可以實現(xiàn)高強度輕薄料的高效破碎，并顯著地提高了破碎料的堆密度。在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目資助下，武漢理工大學與湖北力帝機床股份有限公司合作開發(fā)出具有多級分選功能的報廢汽車車身破碎料分選系統(tǒng)（如圖3所示），通過磁選、風選、光選、電選等多級分選工序，能夠?qū)︿撹F、不銹鋼、銅合金、鋁合金以及橡膠、塑料等不同的破碎料進行精確分類，準確率可以達到95%以上。

塑料是一種典型的汽車輕量化材料，傳統(tǒng)報廢汽車上的塑料零件主要以燃燒形式來實現(xiàn)能量的回收，利用效率低下。武漢理工大學與有關(guān)企業(yè)合作研究，發(fā)現(xiàn)造成報廢汽車塑料無法高效利用的主要因素是材料老化和零件表面涂層對材料性能的影響，其中涂層對材料性能的影響更大。為此，他們設(shè)計出了一種實現(xiàn)報廢汽車塑料高效利用的工藝流程，通過回收拆解、除漆、老化評價、破碎、改性、造粒后，使報廢汽車塑料實現(xiàn)同級利用成為可能。

因此，開發(fā)專門針對輕量化材料和結(jié)構(gòu)的回收處理設(shè)備和工藝是實現(xiàn)汽車輕量化和材料高效循環(huán)利用相結(jié)合的有效手段，特別是高性能車用報廢金屬件的破碎、分選成套設(shè)備以及車用非金屬材料的處理、再生工藝方法將與汽車輕量化技術(shù)得到同步發(fā)展。

四、結(jié)語

汽車輕量化的目的是使車輛在行駛過程中更節(jié)能、更環(huán)保，報廢汽車高效循環(huán)利用是為了實現(xiàn)資源和效益的最大化，兩者均為汽車生態(tài)化技術(shù)范疇。因此，在進行汽車輕量化設(shè)計時必須充分考慮循環(huán)利用目標，并基于全生命周期理論建立汽車輕量化可循環(huán)利用率評價體系，開展輕量化汽車產(chǎn)品的可循環(huán)利用率評價，從結(jié)構(gòu)設(shè)計層面提高其可拆解性、可加工性和可修復性，為零部件再制造創(chuàng)造條件，并且不斷開發(fā)和選用輕量化可再生材料、易循環(huán)材料并嚴格禁用有毒有害物質(zhì)。與此同時，還要不斷探索汽車輕量化結(jié)構(gòu)和材料的再制造、再循環(huán)裝備和技術(shù)，以適應(yīng)和促進汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展。

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