工程機械設計輕量化技術的應用

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摘要：工程機械廣泛應用于城市建設、建筑、農田水利等領域，對國民經濟的發展和社會整體生產力的提高具有重要意義。輕量化已成為包括工程機械在內的制造業的發展趨勢。國內越來越多的工程機械企業將開發節能環保的綠色工程機械作為核心發展戰略之一。在此基礎上，論述了輕量化技術在工程機械設計領域的應用現狀，提出了工程機械輕量化設計實現的方式，希望能保證工程機械產品的使用安全、穩定運行，工程機械性能的質量得到全面提高。

關鍵詞：工程機械設計；輕量化技術；綠色節能

1工程機械輕量化設計概述

1.1輕量化的設計理念

輕量化設計理念最初是由賽車運動率先提出的，應用于賽車上，可以使車身更輕巧、更易于操控且更動力輸出效率更高。而應用于工程機械設計中變是利用對機械材料的優化、結構的精簡與調整等一系列措施進行工程機械的輕量化設計，這是一項多學科交叉的設計理念，是一項系統化的工程，該技術可以提高工程機械的工作效率、節省能耗、便于移動與運輸以及降低制造成本等，既能夠保證工程機械的使用性能，又能夠提高工作效率、節能減排，是我國目前工程機械設計所努力的方向。

1.2輕量化設計的必要性

新中國成立以來，我國制造業的發展比較粗獷，尤其是工程機械的制造，設計理念落后，工程機械的材料利用率低下，造成整個機械十分笨重，而為了能夠驅動龐大的機體、力臂等部件，又會造成巨大的能源浪費，并且多用鋼鐵制造，易于受腐蝕等損害，對于施工環境比較復雜的情況往往難以勝任，機械操作效率低下。如果結合輕量化設計理念，不但可以有效解決這個問題，還能夠提高產品性能和質量。工程機械輕量化設計的主要價值在于：（1）對原始材料消耗成本的降低。傳統工程機械通過優化設計，可以改進各部件之間的配合方式，以更科學的方式進行驅動配合等操作，對機械結構進行精簡優化，可以在很大程度上對制造成本進行控制。（2）工程機械的工作往往需要較大功率來進行驅動，采用輕量化設計則可以使工程機械的工作性能提升，能耗大大降低，改變以往需要較大驅動力進行工作的歷史，輕量化設計就是采用新材料、新技術，對工程機械產品的重量、動力等方面進行優化，只要輸入一定的驅動力就可以，在客觀層面起到控制能源消耗的作用，同時可以提高工作效率和質量，改善產品性能。有研究表明，工程機械的能耗隨著機械重量每減少1%而降低1%，而廢氣等污染物排放量則相應減少0.4%左右。

1.3輕量化的發展現狀

隨著我國近幾年輕量化技術概念的普及，以及我國可持續發展戰略的制定，學者、機構、企業等在輕量化設計中投入原來越多的精力，輕量化技術應用前景潛力十足，并且隨著我國復合材料、3D打印等技術越來越成熟，輕量化技術的發展前景也越來越廣闊。但是，在實際設計過程中，仍然有許多有問題的地方需要引起重視：（1）設計理念理解不透徹。目前，很多機構或設計師對輕量化設計理念的理解有所偏差，該技術不是簡單的減輕重量，而是通過該技術對工程機械進行優化和改進。目前，有很多產品的輕量化設計新模型與舊模型的相似度較大。產品輕量化效果不明顯。（2）缺乏核心技術。我國還在工程機械輕量化設計的初期，相關標準及核心技術均有待提高，沒有自己的實驗數據做支撐，很多設計均停留在模擬階段，由此造成目前生產了許多仿制品，缺乏對產品的創新能力，因此，要想發展輕量化技術，就要不斷探索新技術、新材料，不斷進行創新。

1.4輕量化技術的特點

輕量化技術的初始設計理念就是更輕盈、更易操控、更高的動力輸出率等，在應用到工程機械設計中后，體現出的特點有：（1）能耗降低，有研究表明，工程機械的機身重量每減少100公斤，機械的百公里油耗隨之減少0.6L/百公里，同時還能很大程度上提高產品的整體性能。同樣，汽車領域的相關研究表明，汽車重量每降低10%，油耗隨之降低7%左右，與此同時，汽車的輸出比功率升高，動力輸出更強勁，效率更高。我國中聯重科研發的新型80nm碳纖維臂架混凝土泵車，通過使用碳纖維復合材料，成功的使泵車重量減少4成左右，油耗也相比之前降低了15%，機械運行也更靈活，效率更高。（2）改進方法相對簡單，輕量化技術不同于其他領域的研究，雖然輕量化設計涉及的領域比較多，例如，復合材料、機械設計、精密加工等，但是，輕量化的設計過程卻并不復雜，在原機械的基礎上，對機構間的配合或零部件的材料等進行優化，就能大幅度減少能耗，提高效率。

2工程機械輕量化設計的技術實現途徑

2.1結構裝配優化設計

新中國成立以來，機械設計理念受前蘇聯設計思想的影響，通常十分笨重，鋼鐵使用率高，不靈活，設計的結構方案不合理，不僅工作效率低下，而且能耗十分巨大，因此，我們要優化產品設計，綜合利用高端制造技術，設計師應積極探索和創新，發揮主觀能動性，無論是對機械結構的優化、對機械冗余部件的精簡，還是對機械尺寸的優化，均可以對工程機械的改進有著促進作用，優化設計的目標是要促進機械減排的同時，提高其工作性能、使用性能和操作質量不能以犧牲工作性能換取其重量上的輕量化，在設計階段，應利用模型或仿真分析等手段，對優化后的機械進行工況分析，以確保其真實使用效果。

2.2仿真設計

工程機械設計往往設計多個學科領域，要想通過制造實物，或者通過某一個單一工具對設計效果進行分析，往往是不太可能的，因此，為了減少設計難度，保證設計質量，減少人為因素的影響，可以采用利用仿真技術對優化設計進行模擬分析，仿真技術可以在虛擬環境下對機械的設計、施工、裝配以及后續的操作等進行模擬分析，通過仿真分析技術可以避免許多后期可能出現的問題，仿真分析得到的數據，可以不斷地為設計人員提供參考，設計人員可依據仿真結果不斷地進行改進和完善，以滿足產品質量標準和實際工作要求。

2.3制造工藝的優化

在工程機械輕量化設計模式推廣的初期，采用了輕量化設計模式，部分制造工藝滯后，很難實現工程機械制造環節的輕化量化設計措施，應積極探索新工藝，不斷吸收國外先進技術，將輕量化技術與新興科學技術相結合，借助新制造工藝例如熱處理技術、鎖錨鏈接技術、噴丸、加壓、滾壓、激光焊接以及攪拌摩擦焊接等技術，提高機械零部件的精密性、抗疲勞性和耐磨性，在實現器械減重的同時，提高零部件組織強度。以某起重機橋架為例，利用扁鋼和方鋼取代原來的四梁結構形式進行焊接，使得起重機的整體質量大大減少。

2.4高強度鋼的應用

鋼材是機械制造中應用最多的金屬材料，占據工程機械材料總量30%以上，因此工程機械輕量化設計的很大一方面在于優化鋼結構。近年來，鋼材料也在不斷探索和發展，高強度鋼已經被越來越多的機械產品應用起來，因此，在工程機械的設計中，也應該考慮多采用高強度鋼，加大高強度鋼的研發力度。這樣，既提高了工程機械的性能和結構強度，也降低了設備自身質量。國外已經研制出1100MPa的高強度鋼，國內也研發了460MPa、660MPa、960MPa等一系列高強度鋼，在起重機械以及挖掘機、裝載車等機械方面應用廣泛，利用剛強度鋼代替原來的普通鋼，可以大大降低機械重量，同時提高其機械性能。

2.5纖維增強復合材料的應用

復合材料在航空業已經廣泛應用，波音的夢想客機787，使用的復合材料占整架飛機重量的50%左右，正是由于復合材料有著比鋁材更輕的質量和更出色的抗腐蝕和金屬疲勞等特性，可見復合材料的出色之處，而工程機械中，也可以依據產品的部件功能合理采用復合材料。玻璃纖維具有高強度、低拉伸的特性，常用于強力牽引件的制造，而玻璃鋼常用于發動機罩，有著更光滑平整的外觀和良好的減振降噪功能。碳纖維具有輕質、強度高、抗疲勞、抗腐蝕等優異特性。在工程機械中，應用碳纖維可以極大地降低工程機械的重量，并且碳纖維的強度是普通鋼材強度的10倍，因此，碳纖維的應用前景十分廣闊，例如，目前部分挖掘機的鏟斗使用的就是碳纖維增強金屬基復合材料，不僅重量大大減輕，鏟斗也不易沾土，工作效率更高。

3結語

輕量化設計不僅是工程機械設計在不斷追求和探索的領域，其他制造業也都在積極地利用這種技術發展各自的產品，輕量化是未來生產制造的趨勢，是提高產品功能性、經濟型、可靠性的重要手段。我國對該技術的探索仍落后于西方國家，科研單位以及企業研發單位，必須重視該技術的發展，把握好工程機械的發展方向，不斷優化改進產品的輕量化設計，推動我國制造業的健康可持續發展。

參考文獻：

[1]范青.工程機械設計中輕量化技術的應用[J].南方農機，2020,51(20):103-104.

[2]王月云.工程機械輕量化方法與設計研究[J].中國金屬通報，2017(05):79-80.

作者：李新良 單位：湖南天橋利亨停車裝備有限公司