采用LCA对QFDE改进后的方法对食品和包装机械生态设计
采用 LCA 对QFDE 改进后的方法对食品和包装
机械生态设计
1 背景知识
欧盟颁布的《用能产品生态设计框架指令》(Energy-using Products,EuP)有效推动了机电产品的
生态设计.产品生态设计的核心是在生命周期全过程中节约能源和减少对环境的排放.由于产品
的能效及对环境的影响取决于产品的设计源头,因此,对产品实施生态设计即抓住了保护生态环
境的根本.
虽然目前 EuP 尚未对食品和包装机械提出实施生态设计的具体措施要求,但应积极准备,以适应
世界的环保发展趋势.EuP 生态设计的实施分为一般要求和特殊要求.
一般生态设计要求为指定性的环保指标,不对具体数值作出限值规定.其包括生命周期全过程中
能源与资源之预期消耗量; 对空气 / 水体 / 土壤之预期污染物排放量,如空气污染物排放、水污染
物排放、固体废弃物排放、金属微粒排放等; 噪音 / 震动 / 辐射等可能造成的污染;废弃物预期产
生量;资源/ 能源回收与再利用之可行性等.特殊生态设计要求则是针对某些重要的环境影响指
标,提出可量化/ 可量测的生态化设计规定,目前主要是能效要求( 能源投入 / 绩效产出)[1].为保证
食品安全,食品和包装机械在考虑生态设计的同时,还需要考虑其安全卫生性能,使有害化学物质
和细菌滋长量达到"安全卫生规定"的要求.
生态设计的常用工具为面向环境的质量功能配置(quality functiondeployment for
environment,QFDE)和生命周期评价(life cycle assessment,LCA).QFDE 是一种以质量屋关系矩阵
为基本工具,将客户和环境的需求多层次转化,配置为产品设计技术特性和质量控制要求(包括产
品规划、零部件特性、工艺要求、生产要求)的绿色设计方法.LCA 由目标范围界定、清单分
析、影响评价、结果解释 4部分组成,是目前评价产品资源环境性能、建立生态环境影响指标最
具权威性的方法.使用 LCA 法对 QFDE 法进行改进,扬优抑弱, 则会成为最能符合 EuP 生态设计
需要、有效改善产品生态环境特性、保证产品质量功能的生态设计方法.
本文将以生态设计的一般要求、特殊要求及卫生要求为目标,采用 LCA 对QFDE 改进后的方法,
探讨食品和包装机械生态设计的工具、步骤和应采取的主要举措.
2 QFDE 设计
2.1 QFDE 设计的概念
严格说来,QFDE 是一种管理思想、一种产品开发管理和质量保证与改进的方法论,目前已成为
机电产品常用的绿色设计方法.它利用直观的质量屋关系矩阵( 见图 1),通过专家系统或数学方法
求得相对权重,从产品需求域到工程域再到物理域的映射展开,将客户和环境对产品质量的需求
一步一步地分解,并配置到产品开发的各个过程中. → →即客户和环境需求 产品工程特征产品零
→ →件构成及关键零件特征关键零件的工艺特征关键工艺及质量控制参数,共需构建保证产品开
发质量的 4个质量屋关系矩阵.在四阶段关系矩阵展开过程中,上一步的输出(相对权重)即是下一
步的输入[2].图2 所示是QFDE 的四层次分解配置模型[3].
2.2 QFDE 设计流程
QFDE 的设计流程可分为如下4 个阶段.
第一阶段,将客户和环境的需求转换为产品工程特性.
通过产品规划矩阵,将客户和环境的需求(如功能、寿命、价格,无泄漏、低噪音、耗料少,卫生要
求等)转换成为质量屋上方的产品工程特性(即技术性能,如最高速度、使用寿命、平均无故障时
间、密封性能、噪音频率、规格尺寸、预计价格等).由于客户和环境需求往往有不同类型、不
同量纲,为比较其重要性,可先用模糊优先规划法求出各自的权重.
第二阶段,设计产品结构.
通过零件配置矩阵,将工程特征转换成为产品零件构成,并在完成产品初步设计方案后获得质量
屋上方的关键零件特征(如零件的硬度、强度、精度要求和材料要求等).
第三阶段,确定关键零件和工艺特征.
通过专家系统的权重分配,确定对技术性能和环境影响最大的关键零件.并针对关键零件特征,选
择其加工工艺方法和设计工艺流程.依据各工艺方法面向环境的权重分配,即可构建从零件特征
到工艺特征的面向环境的工艺设计质量屋.从而获得质量屋上方对环境影响最大的关键工艺特
征,如车削、铣削、调质、磨削等.
第四阶段,改进产品和生产工艺生态环境特性.
以对环境影响最大的工艺特征为输入,通过工艺/ 质量矩阵,进行生产过程控制的质量展开(如控
制方法、品保手段、改进方法等),保证产品在整个制造过程的性能和环境要求.
2.3 QFDE 应用于生态设计存在的不足
相较 LCA 而言,QFDE 应用于生态设计存在以下不足:
1)对产品的环境影响依靠定性评价,即对环境影响最大的零部件和关键工艺均是依靠专家系统定
性地通过权重来分配,因而和实际存在的环境影响值存在较大的误差.
2)QFDE 对生态环境影响指标的表征较粗糙,加之定性评价环境影响值存在较大误差,因而影响了
对产品和生产工艺生态特性改进举措的全面性.
3)QFDE 对环境要素的考虑主要在生产制造阶段, 对EuP 在生命周期全过程实施生态设计的要求
尚有差距.
3 LC A 评价产品环境性能的优势
QFDE 应用于产品生态设计,在强调从生命周期全过程量化评价产品环境性能上存在的不足正好
是LCA 的优势.LCA 建立了包括生态健康、人类健康和资源消耗 3 个方面、16 类生态环境影响
指标( 见表 1).它通过清单分析,收集了生命周期各阶段的资源、能源消耗和向环境排放"三废"的
数据;在此基础上,通过分类、特征化、量化"三步走"模型,对产品全部输入输出数据可能产生的
生态环境影响进行定量化评价.据此就可发现产品产生污染最严重的阶段、工序、零部件和污染
最严重的生态参数,从而有针对性地寻找改善污染最严重的工序、零部件和生态参数、提高产品
资环性能的机会, 确保产品达到相应环保指标和 EuP 生态设计实施措施的要求.
4 改进的生态设计步骤和举措
采用 LCA 改进 QFDE 法的食品和包装机械的生态设计,遵循 QFDE 重视质量保证、逐次将客户
需求转化为产品技术特性的四阶段设计流程;而用LCA 着重对其第三、四阶段进行环境影响量
化评价,以提高产品和生产工艺生态特性.
4.1 产品工程特性的规划
按QFDE 设计方法中第一阶段的要求与方法,进行产品工程特性规划.
第一阶段主要是将客户和环境的需求转换为产品的工程特性.此处客户和环境的需求除了客户提
出的产品要求之外,还需要满足食品和包装机械特有的安全卫生性能, 以及 EuP 对食品和包装机
械提出的一般和特殊生态设计的环境要求.为了能分清上述需求的相对重要性,可以用模糊优先
规划法求出各自的权重.
摘要：
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采用LCA对QFDE改进后的方法对食品和包装机械生态设计1背景知识欧盟颁布的《用能产品生态设计框架指令》(Energy-usingProducts,EuP)有效推动了机电产品的生态设计.产品生态设计的核心是在生命周期全过程中节约能源和减少对环境的排放.由于产品的能效及对环境的影响取决于产品的设计源头,因此,对产品实施生态设计即抓住了保护生态环境的根本.虽然目前EuP尚未对食品和包装机械提出实施生态设计的具体措施要求,但应积极准备,以适应世界的环保发展趋势.EuP生态设计的实施分为一般要求和特殊要求.一般生态设计要求为指定性的环保指标,不对具体数值作出限值规定.其包括生命周期全过程中能源与资源之...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-02-25
