物流装备绿色设计方法

2014-12-24张丽杰冯仁余史海英

军事交通学院学报 2014年5期

张丽杰，冯仁余，史海英

(1.军事交通学院军事物流系，天津300161;2.军事交通学院科研部，天津300161 )

物流装备是指用于储存、装卸搬运、运输、包装、流通加工、配送、信息采集与处理等物流活动的设备或装备的总称［1］。物流装备按功能可划分为储存设备、装卸搬运设备、运输设备、包装设备、流通加工设备、信息采集与处理设备、集装单元装备7 类。物流装备是组织实施物流活动的重要手段，是物流活动的基础［2-3］。随着物流绿色化的发展，物流装备的绿色化越来越引起关注，物流装备的绿色设计已经成为物流装备绿色化的主旋律。

1 物流装备绿色设计

绿色设计也称为生态设计、环境设计、环境意识设计。在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品的应有功能、使用寿命、质量等要求。绿色设计不仅是一种具体的方法和技术，更重要的是一种观念上的变革［4］。绿色设计的主要内容包括:绿色产品的描述与建模、绿色产品的材料选择与管理、产品的可拆卸性设计、产品的可回收性设计、绿色产品的成本分析及绿色设计数据库等。

物流装备绿色设计不仅要满足物流活动中物资储存、装卸、运输等要求，更重要的是在设计阶段就将环境因素和预防污染等措施纳入设计之中，将环境性能作为设计的目标和出发点［5］，通过可再生资源、二次能源的利用及节能降耗措施缓解资源枯竭，实施持续利用。减少废料和污染物的生成排放，提高在仓储、装卸搬运、运输、包装等过程中与环境的相容程度，降低整个物流活动给人类和环境带来的风险，最终实现经济和环境效益的最优化。

1.1 物流装备绿色材料设计方法

绿色材料又称环境意识材料，是指能够经济地满足用户需求，并在其生命周期过程中可有效节省能源和资源、保护环境、保护劳动者健康的材料或材料制品。先进的选材思想应该是根据绿色设计的特点，遵循产品功能属性和绿色属性的总原则，综合考虑材料的固有属性(力学性能和工艺性能)、经济性和环境属性等三要素［6］。总的来说，面向绿色设计的材料选择应遵循以下4 个基本原则［7］:①考虑材料的力学性能必须充分满足产品的设计功能;②材料的工艺性能应能节约加工成本，减少制造过程中的污染排放;③材料的经济性;④材料必须具有良好的环境协调性。

1.2 物流装备可拆卸设计方法

可拆卸性设计是绿色设计的主要内容之一，它要求在设计的初级阶段将可拆性作为结构设计的一个目标，使连接结构易于拆卸。实现可拆卸设计的方法有2 种:一种是基于“典型图谱”的可拆卸性设计，该设计方法是以成组技术为基础的模块化设计;另一种是计算机辅助可拆卸性设计。

1.3 物流装备可回收设计方法

回收再利用是绿色产品在其整个生命周期中的重要环节。传统设计方法很少考虑产品的回收，而在绿色设计中，产品回收是其最重要的一个阶段，因为绝大部分产品对环境的影响主要体现在报废回收阶段［8］。可回收设计是在保证没有降低装备功能的前提下，充分考虑其零部件回收及再生的可能性、结构工艺性、回收处理方法、回收价值大小、回收处理成本等一系列问题，确保装备具有闭环的生命周期，使装备的绝大部分实现重用、再制造利用或材料的再生及能量回收，将环境污染降至最小的一种设计思想和方法。

1.4 物流装备绿色工艺设计方法

绿色工艺设计应该保证制订的工艺路线最短，尽量减少整个加工过程中的能源和资源消耗，减少对自然环境的污染，降低制造成本，提高加工效率。所有物流装备、设备都是由一些零件和部件装配调试而成。装配工艺性的好坏，对于机器的制造成本、机器的使用性能和将来的维修更新都有很大的影响。设计时尽量采用标准件和通用件，节省设计成本，充分发挥零部件的利用率，有利于零部件的回收再利用。装备的主要结构应能划分为几个独立的装配单元，在总装配前可以单独进行部件装配，随后可以进行部件试验和调试，提高零部件的质量，改善装备的性能。

1.5 物流装备绿色包装设计方法

绿色包装又称为“无公害”包装和“环境之友”包装，指对生态环境和人类健康无害，能重复使用和再生，符合可持续发展的包装［9］。绿色包装设计主要从2 个方面考虑:一是包装材料的绿色化，包括大力发展纸制品包装，运用可再生和循环再利用的包装材料，运用可降解的包装材料，包装材料单一化和可拆卸化;二是物流包装方式的绿色化，绿色包装方式必须满足包装材料的绿色性、包装产品制造环节的绿色性以及包装材料消耗的最少量化。要减少物流包装材料的消耗，除了考虑可重复使用的包装容器结构，还可以采用集合包装方式。集合包装是将一定数量的包装件或产品装入具有一定规格、强度和能长期周转使用的更大包装容器内，形成合适的搬运单元的包装技术。它能节约包装材料、降低包装成本，还能促使物流包装标准化和规格化。

1.6 物流装备绿色人机工程设计方法

人机工程设计是以人机工程学理论为基础的、面向人的产品设计技术。它是依据人的心理和生理特征，利用科学技术成果和数据去设计的技术系统，符合人的使用要求，并优化人机系统，使之达到最佳配合，以最小的劳动代价换取最大的经济效益。在对物流装备进行绿色设计时，利用人机工程学的原理优化人—机—环境之间的关系，使之相互协调，确保使用者或操作者在物流装备全生命周期各阶段的安全和身心健康，以达到人机系统的最佳效率，提高劳动生产率及工作质量。物流装备绿色人机工程设计是基于人机工程学原理，通过研究物流装备的特点，进行人机设计领域内与物流装备设计相关的各类创造性活动［10］。比如，在对物流装备进行绿色设计时，不仅要求该装备操作系统要可靠，而且要适合人的使用习惯，便于识别操作，不易出错;改进装备上的照明设备使之亮度适当，造型美观，也可以提高工作效率。

2 物流装备绿色设计案例

叉车是物流装备中非常重要的运输装备，是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。叉车的种类很多但是其结构类似，主要由发动机、底盘(行走机构)、车体、起升机构(门架和货叉)、液压系统及电气设备等组成［11］。现以平衡重式叉车为例(如图1 所示)对其进行优化设计，使其具有绿色叉车的优势。

图1 平衡重式叉车

(1)货叉是叉车中最常用的属具，是叉车最重要的承载构件。在物流领域，货叉与托盘配合使用，这就要求货叉制造材料必须有很高的耐磨性和强度，在保证零件安全系数的基础上，可适度降低碳含量，有利于提高零件危险截面处的可焊性和货叉的冷脆转化温度。这样不仅可以提高货叉的安全性，还可以降低制造成本［11］。目前国内普遍采用40Cr 钢制造货叉，综合考虑，可以采用含碳量0.32%左右的锰硼专用合金结构钢，体现设计经济性。

(2)为提高叉车的使用效率，按照人体工程学的标准，设置悬浮式座椅，使驾驶员有机会从座椅位置快速查看工作环境，具有良好的全景视野，便于及时发现并快速处理突发事件。

(3)在发动机排气口处设置双层内置式消音装置，阻隔噪声源，做到无噪声污染。

(4)门架是叉车工作装置的骨架，支撑起升油缸，同时承受货物的垂直作用力和纵向弯矩。为了使叉车的外形尺寸不至于过高，保持叉车良好的通过性，当叉车最大起升高度较大时，多采用多级伸缩门架。目前国内叉车门架一般采用二级门架或三级门架。但在军用方面，四级门架系统比三级门架多一级起升高度，相对于三级门架来说，在不增加液压缸的前提下仍然具有部分全自由行程，实现了在起升同样高度的情况下，整车的落地高度较三级门架更低的功能，同样，可以在整车的落地高度相同的前提下，提高起升高度。

(5)叉车的额定起重量远大于日常的作业重量，造成过高的消耗，因为叉车的配重都是固定的，不管叉运的货物质量大小，都需配带全副的配重铁，既浪费能源又带来不必要的磨损，缩短了叉车各部件的寿命，这也和现代社会提倡节能、降耗、减排的精神相违背。针对这种情况，设计一种可以根据货物的质量而进行调整的组合式叉车配重铁。把叉车的配重铁进行改造，把现在独体实心的配重铁改成上部空心的配重仓，上面开盖，然后加工一些方便搬动的像秤砣一样的配重铁块放进配重仓，标明质量及对应叉车叉货物的质量。因为叉车减轻了质量，就降低了能量消耗，减少了磨损，延长了使用寿命，增强了抗陷能力，拓宽了工作范围，加快了速度。

(6)叉车产品结构比较复杂，设计、生产周期比较长，如果逐一设计，将会耗费大量的资源，对环境的影响极大。这就需要实施以面向模块和功能分析为主要特征的模块化设计来缩短开发周期、减少制造成本。将叉车按结构分成若干模块，如车体、驾驶室、门架、驱动系统、电池、控制系统等。每个模块都有相对固定的外形和功能，但其规格可以近乎无极地微调，而且各模块间相互兼容，维修时可以按块进行，针对性强，零部件易回收，便于再利用。

(7)叉车现有的动力源是柴油或汽油，污染大、噪音大、环保性能极差。在中小型搬运情况下，可改为液化气蓄电池混合动力源，作业效率能保持在较高的水平，叉车的启动性能和环保性能提高，噪音减小，适合室内外作业。

(8)叉车玻璃窗采用合理的切割方式，可节约材料(玻璃、钢材)［12］。使用标准断面规格的材料，内外覆盖材料规则，使用效率非常高。材料的使用效率高绝不单纯意味着降低了多少直接成本，因为人类的采矿、冶炼、成型、裁剪、包装、运输、仓储等所有生产过程都要消耗大量的能源，产生大量的温室气体，即便是材料回炉重新再次使用，第一次循环消耗的能源产生的温室气体已经造成环境污染。叉车绿色设计与传统设计的对照见表1。