對輕量化設計在工程機械中應用的探討

車麒麟　李宗義

摘 要：輕量化設計對于工程機械的快速發展起著重要的推動作用。基于此，下文介紹了輕量化的概念以及在工程機械領域的應用現狀，對實現工程機械輕量化設計的主要技術途徑進行了敘述，并且以裝載機為例對如何實現其主要部件的輕量化設計進行了詳細闡述，希望對相關人員提供幫助。

關鍵詞：工程機械；輕量化設計；實例分析

引言

為了實現工程機械輕量化的研發目標，在安全可靠和成本預算指標的前提下，運用輕量化的設計方法，可以大幅度提升工程機械的動力性、經濟性以及安全可靠性，同時還可以降低產品原材料和能源的消耗，從而減少對環境的污染問題。因此，輕量化設計在工程機械中的應用，可以推動我國從機械大國向機械強國的轉變。

1輕量化技術的基本概念

輕量化技術是輕量化設計、輕量化材料和輕量化制造技術的集成應用，其是指通過材料優選、改善制造工藝、優化結構參數等途徑來減輕工程機械主要部件以及整機的質量，從而實現降低制造和使用的成本、節能減排等綜合目標的技術。由于我國工程機械設計理論相對保守，在設計時所取的安全系數比較大，導致結構本身的重量也比較大，從而增加了企業的制造和運輸成本以及用戶的使用成本，不能有效利用資源和保持企業競爭力，因此在這種背景下，對于輕量化設計在工程機械中的應用就顯得尤為重要了。

2工程機械輕量化的應用現狀

目前，我國機械產品從研發到設計對新材料以及新工藝的應用不夠廣泛，仍然是對國外工程機械產品進行測繪或者直接引進，同發達國家先進制造業水平相比存在著一定的距離。由于我國對工程機械的輕量化設計的研究還處于起步階段，缺乏在工程項目中的實踐應用。因此，對于工程機械的輕量化設計可以在不同的程度上減少生產材料的碳排放量以及作業過程中的能耗，從而在提高機械動力性、降低摩擦力、驅動力以及接觸力、減少驅動部件的驅動能量方面起到明顯的效果，進而提高工程機械產品及其部件的使用壽命；還可以在保證部件剛度、強度以及耐疲勞性能的前提下促進新材料的研發應用，優化制造工藝，不僅可以從根本上提高材料利用率，還可以減少由材料的加工、運輸以及安裝所帶來的能源消耗，從而加快我國從機械大國走向機械強國的步伐。

3工程機械輕量化設計的主要途徑

3.1基于材料的輕量化設計

對于材料的輕量化設計，在材料的選取上，使用用高強度的鋼材、鋁合金、碳纖維、鎂合金、記憶金屬、工程塑料、玻璃纖維以及陶瓷等，并且采用更換材料的方式來減輕工程機械的重量，但其成本比較高。比如，日本本田公司近年研發出一種用于制作連桿的鋁合金材料，采用鋼絲與不銹鋼絲增強的鋁基復合，采用這種材料制作的連桿重量比原來用鋼材制作的連桿減少了30%，同時又在克服了普通鋁合金材料強度低于鋼材的同時，保留了質輕的特點，連桿裝入1.2L的汽油機，可實現節油5%。另外，基于材料的輕量化設計還可以針對工程機械不同零件來選用不同強度的材料，從而實現工程機械整機的輕量化。

3.2基于結構的輕量化設計

基于結構的輕量設計是通過改變結構形狀減少各個零部件的使用量，從而達到工程機械輕量化設計的目的。此方法在不改變各項要求的前提下，可以通過對原始材料的使用來減輕機械重量，具有成本低、性價比高的特點。同時，在工程機械中基于結構設計的輕量化通常分為四種優化類型，即尺寸優化、形貌優化、形狀優化和拓撲優化，如圖1所示。其中，尺寸優化通常不會改變原本的拓撲結構和形狀；形貌優化的過程一般是在已經有的薄板上尋找最佳的凸臺分布方案，從而提升結構的強度和剛度；形狀優化的對象大多是結構內部的孔洞形狀；拓撲優化大多是以材料均勻分布的設計空間為優化對象，通過優化計算去除多余的材料，從而得出用料最少方案。

3.3基于制造工藝的輕量化設計

基于制造工藝的輕量化設計包括激光焊接、攪拌摩擦焊、新的熱處理工藝、鎖錨連接以及真空或者增壓技術等，此方法對生產設備以及技術的要求和成本要求比較高。比如，國外某企業生產的大型挖掘機箱體、裝載機車架結構使用900～1600MPa高強鋼，采用先進磨具技術和成型工藝之后，獲得的新結構件比原來的厚度減少40%～50%，等同于重量降低40%～50%，同時提高了強度和可靠性。

4工程機械中輕量化設計的實例

由于裝載機是我國工程機械領域中生產規模最大的產品，其主要的用途是鏟裝、卸運石料一類的散裝物料，而輕量化技術在裝載機的各種重要零部件優化設計方面取得了不少的研究成果。首先，作為裝載機的重要零件之一的驅動橋殼，在裝載過程中既要承受載荷又要傳遞動力，因此，通過采用有限元方法對輪式裝載機的驅動橋殼進行結構優化和模態分析，使橋殼的厚度由15mm降至12mm，重量可減輕4.65kg；其次，變速器在裝載機傳動系統中起著至關重要的作用，通過有限元分析法對裝載機變速器箱體進行輕量化設計，在保證變速器箱體強度的前提下，使得變速器箱體壁厚減少了2mm，變速箱重量減輕10%；最后，發動機機罩是裝載機的主要覆蓋件之一，通過在輪式裝載機機罩和工作裝置優化過程中融入拓撲優化、子結構和虛擬樣機技術，實現了裝載機機罩的輕量化和工作裝置的優化。

結束語

總而言之，輕量化不僅可以降低工程機械的自重，減少其能源消耗，還可以幫助工程機械實現結構和性能的優化，從而增強企業市場的競爭力。同時，隨著科學技術和制造工藝的迅猛發展，輕量化已經成為了我國制造業的發展趨勢。

參考文獻：

[1]林炎炎，徐婷，許偉，汪路路，譚業發.輕量化技術在工程機械研發中的應用[J].機械工程與自動化，2015（05）：221-223.

[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.

[3]江紹龍，陳琳.工程機械輕量化現狀及技術途徑[J].南方農機，2015，46（12）：72.