工程機械設(shè)計中輕量化技術(shù)的應(yīng)用

李勛 馮景龍

【摘 ?要】工程機械廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、建筑、農(nóng)田水利等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會整體生產(chǎn)力的提高具有重要意義。輕量化已成為包括工程機械在內(nèi)的制造業(yè)的發(fā)展趨勢。國內(nèi)越來越多的工程機械企業(yè)將開發(fā)節(jié)能環(huán)保的綠色工程機械作為核心發(fā)展戰(zhàn)略之一。在此基礎(chǔ)上，論述了輕量化技術(shù)在工程機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了工程機械輕量化設(shè)計實現(xiàn)的方式，希望能保證工程機械產(chǎn)品的使用安全、穩(wěn)定運行，工程機械性能的質(zhì)量得到全面提高。

【關(guān)鍵詞】工程機械;設(shè)計;輕量化技術(shù)

工程機械由于應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，需要具有較大的驅(qū)動力和承重性能，因此其體積和重量是普通機械的兩倍甚至是十倍，但是這也造成了材料和能源的消耗。輕量化技術(shù)是指通過改善機構(gòu)設(shè)計、工藝制定、材料選擇等途徑減少工程機械重量的技術(shù)和方法，進而實現(xiàn)降低制造成本、提高機械效率、節(jié)約能源的目標(biāo)。由于我國工程機械設(shè)計起步較晚，輕量化設(shè)計技術(shù)還過于保守，在設(shè)計階段一般選用較大的安全系數(shù)，不夠重視輕量化技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用，導(dǎo)致我國工程機械國際市場占有率較低、競爭力不足。因此在這種背景下，更應(yīng)該將輕量化技術(shù)應(yīng)用在機械設(shè)計階段。

1 工程機械輕量化技術(shù)的概念及應(yīng)用現(xiàn)狀

輕量化技術(shù)是輕量化設(shè)計、輕量化材料和輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用。產(chǎn)品設(shè)計費用僅占產(chǎn)品總成本的5%，卻決定了產(chǎn)品成本的70～90%。因此，產(chǎn)品設(shè)計是實現(xiàn)輕量化的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。輕量化技術(shù)是一個系統(tǒng)工程。輕量化的最終目標(biāo)是重量、性能、成本和配套（也包括尺寸的減?。┑纫蛩氐木C合優(yōu)化。

目前，我國機械產(chǎn)品從研發(fā)到設(shè)計，對新材料以及新工藝的應(yīng)用不夠廣泛，仍然是對國外工程機械產(chǎn)品進行測繪，或者直接引進，同發(fā)達(dá)國家先進制造業(yè)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(shè)計的研究還處于起步階段，缺乏在工程項目中的實踐應(yīng)用。因此，對于工程機械的輕量化設(shè)計，可以在不同的程度上減少生產(chǎn)材料的碳排放量，以及作業(yè)過程中的能耗，從而在提高機械動力性、降低摩擦力、驅(qū)動力以及接觸力﹑減少驅(qū)動部件的驅(qū)動能量方面起到明顯的效果，進而提高工程機械產(chǎn)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(fā)應(yīng)用，優(yōu)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。

2 實施工程機械輕量化的難點問題

設(shè)計周期不斷壓縮，工作量巨大，設(shè)計師疲于奔命，無暇輕量化。新產(chǎn)品即要求高的一次研發(fā)成功率，設(shè)計師承擔(dān)巨大的壓力，不敢輕量化。設(shè)計師忙于具體工作，輕量化理論和先進的設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)十分缺乏，不會輕量化。輕量化技術(shù)中存在大量不確定的因素，定量難度大。高校和科研院所著重于輕量化的理論研究，技術(shù)轉(zhuǎn)化難度很大。

3 工程機械對于輕量化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

在工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對于輕量化技術(shù)進行應(yīng)用，主要是對結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化的過程，從而增強工程機械零件的輕量化程度，并增強其整體化。工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用輕量化技術(shù)，需要對工程機械系統(tǒng)之間的關(guān)系進行有效的協(xié)調(diào)，并通過多種畫圖技術(shù)來進行工程機械零件配置和板材厚度的變化情況分析，同時也進行各項干涉內(nèi)容的分析過程。除此之外，也可以通過對零件形狀的優(yōu)化過程來對其質(zhì)量進行降低，在這個過程中運用輕量化技術(shù)，主要是對其峰值進行降低，從而使其受到的應(yīng)力作用能夠分布的更加均勻。通過在成熟高負(fù)荷的部分進行材料的貯存，以及將承受低負(fù)荷部分的材料去除掉，來時的工程機械零部件的形狀，能夠有效的避開應(yīng)力作用的高峰部分，從而提升應(yīng)力分布的均勻性。這種對于工程機械零部件外形進行優(yōu)化的方式，主要是以生物學(xué)中的增長規(guī)律內(nèi)容為基礎(chǔ)，不但能夠減少工程機械零部件的重量，同時也能夠規(guī)避掉局部應(yīng)力過高的情況出現(xiàn)。

3.2 制造工藝的優(yōu)化

在工程機械輕量化設(shè)計模式推廣的初期，采用了輕量化設(shè)計模式，部分制造工藝滯后，很難實現(xiàn)工程機械制造環(huán)節(jié)的輕化量化設(shè)計措施，應(yīng)積極探索新工藝，不斷吸收國外先進技術(shù)，將輕量化技術(shù)與新興科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，借助新制造工藝?yán)鐭崽幚砑夹g(shù)、鎖錨鏈接技術(shù)、噴丸、加壓、滾壓、激光焊接以及攪拌摩擦焊接等技術(shù)，提高機械零部件的精密性、抗疲勞性和耐磨性，在實現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式進行焊接，使得起重機的整體質(zhì)量大大減少。

3.3 基于材料的輕量化設(shè)計

對于材料的輕量化設(shè)計，在材料的選取上，使用高強度的鋼材、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(fā)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(fù)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(zhì)輕的特點，連桿裝入1.2L的汽油機，可實現(xiàn)節(jié)油5%。另外，基于材料的輕量化設(shè)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(xiàn)工程機械整機的輕量化。

4 輕量化技術(shù)的未來發(fā)展

近年來，我國對環(huán)保、安全、節(jié)能方面的要求不斷提高，出臺了一系列的法規(guī)和實施方案。為此，工程機械制造廠家和研究機構(gòu)都致力于研究輕量化技術(shù)，從技術(shù)、成本角度分析和改善工程機械材料和工藝，探索應(yīng)用新材料、新工藝的可行性。同時，加快輕量化的設(shè)計和應(yīng)用對提升我國工程機械整體水平、行業(yè)國際競爭力、振興民族工業(yè)都具有非常深遠(yuǎn)的意義?，F(xiàn)階段，工程機械小型化和輕量化是近、中期工程機械排放目標(biāo)控制的基礎(chǔ)，工程機械輕量化成為新技術(shù)開發(fā)的重要課題，從可持續(xù)發(fā)展要求出發(fā)，研究和評估工程機械輕量化技術(shù)成為重要方向。

5 結(jié)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(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化，從而增強企業(yè)市場的競爭力。同時，隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的迅猛發(fā)展，輕量化已經(jīng)成為了我國制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

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作者簡介：

李勛（1989-11-），男，漢族，山東濟寧人，本科學(xué)歷，助理工程師，小松山推工程機械有限公司，研究方向：工程機械制造。

馮景龍（1983-12），男，漢族，山東魚臺人，本科學(xué)歷，助理工程師，小松山推工程機械有限公司，研究方向：工程機械制造。