工程机械设计轻量化技术的应用

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摘要：工程机械广泛应用于城市建设、建筑、农田水利等领域，对国民经济的发展和社会整体生产力的提高具有重要意义。轻量化已成为包括工程机械在内的制造业的发展趋势。国内越来越多的工程机械企业将开发节能环保的绿色工程机械作为核心发展战略之一。在此基础上，论述了轻量化技术在工程机械设计领域的应用现状，提出了工程机械轻量化设计实现的方式，希望能保证工程机械产品的使用安全、稳定运行，工程机械性能的质量得到全面提高。

关键词：工程机械设计；轻量化技术；绿色节能

1工程机械轻量化设计概述

1.1轻量化的设计理念

轻量化设计理念最初是由赛车运动率先提出的，应用于赛车上，可以使车身更轻巧、更易于操控且更动力输出效率更高。而应用于工程机械设计中变是利用对机械材料的优化、结构的精简与调整等一系列措施进行工程机械的轻量化设计，这是一项多学科交叉的设计理念，是一项系统化的工程，该技术可以提高工程机械的工作效率、节省能耗、便于移动与运输以及降低制造成本等，既能够保证工程机械的使用性能，又能够提高工作效率、节能减排，是我国目前工程机械设计所努力的方向。

1.2轻量化设计的必要性

新中国成立以来，我国制造业的发展比较粗犷，尤其是工程机械的制造，设计理念落后，工程机械的材料利用率低下，造成整个机械十分笨重，而为了能够驱动庞大的机体、力臂等部件，又会造成巨大的能源浪费，并且多用钢铁制造，易于受腐蚀等损害，对于施工环境比较复杂的情况往往难以胜任，机械操作效率低下。如果结合轻量化设计理念，不但可以有效解决这个问题，还能够提高产品性能和质量。工程机械轻量化设计的主要价值在于：（1）对原始材料消耗成本的降低。传统工程机械通过优化设计，可以改进各部件之间的配合方式，以更科学的方式进行驱动配合等操作，对机械结构进行精简优化，可以在很大程度上对制造成本进行控制。（2）工程机械的工作往往需要较大功率来进行驱动，采用轻量化设计则可以使工程机械的工作性能提升，能耗大大降低，改变以往需要较大驱动力进行工作的历史，轻量化设计就是采用新材料、新技术，对工程机械产品的重量、动力等方面进行优化，只要输入一定的驱动力就可以，在客观层面起到控制能源消耗的作用，同时可以提高工作效率和质量，改善产品性能。有研究表明，工程机械的能耗随着机械重量每减少1%而降低1%，而废气等污染物排放量则相应减少0.4%左右。

1.3轻量化的发展现状

随着我国近几年轻量化技术概念的普及，以及我国可持续发展战略的制定，学者、机构、企业等在轻量化设计中投入原来越多的精力，轻量化技术应用前景潜力十足，并且随着我国复合材料、3D打印等技术越来越成熟，轻量化技术的发展前景也越来越广阔。但是，在实际设计过程中，仍然有许多有问题的地方需要引起重视：（1）设计理念理解不透彻。目前，很多机构或设计师对轻量化设计理念的理解有所偏差，该技术不是简单的减轻重量，而是通过该技术对工程机械进行优化和改进。目前，有很多产品的轻量化设计新模型与旧模型的相似度较大。产品轻量化效果不明显。（2）缺乏核心技术。我国还在工程机械轻量化设计的初期，相关标准及核心技术均有待提高，没有自己的实验数据做支撑，很多设计均停留在模拟阶段，由此造成目前生产了许多仿制品，缺乏对产品的创新能力，因此，要想发展轻量化技术，就要不断探索新技术、新材料，不断进行创新。

1.4轻量化技术的特点

轻量化技术的初始设计理念就是更轻盈、更易操控、更高的动力输出率等，在应用到工程机械设计中后，体现出的特点有：（1）能耗降低，有研究表明，工程机械的机身重量每减少100公斤，机械的百公里油耗随之减少0.6L/百公里，同时还能很大程度上提高产品的整体性能。同样，汽车领域的相关研究表明，汽车重量每降低10%，油耗随之降低7%左右，与此同时，汽车的输出比功率升高，动力输出更强劲，效率更高。我国中联重科研发的新型80nm碳纤维臂架混凝土泵车，通过使用碳纤维复合材料，成功的使泵车重量减少4成左右，油耗也相比之前降低了15%，机械运行也更灵活，效率更高。（2）改进方法相对简单，轻量化技术不同于其他领域的研究，虽然轻量化设计涉及的领域比较多，例如，复合材料、机械设计、精密加工等，但是，轻量化的设计过程却并不复杂，在原机械的基础上，对机构间的配合或零部件的材料等进行优化，就能大幅度减少能耗，提高效率。

2工程机械轻量化设计的技术实现途径

2.1结构装配优化设计

新中国成立以来，机械设计理念受前苏联设计思想的影响，通常十分笨重，钢铁使用率高，不灵活，设计的结构方案不合理，不仅工作效率低下，而且能耗十分巨大，因此，我们要优化产品设计，综合利用高端制造技术，设计师应积极探索和创新，发挥主观能动性，无论是对机械结构的优化、对机械冗余部件的精简，还是对机械尺寸的优化，均可以对工程机械的改进有着促进作用，优化设计的目标是要促进机械减排的同时，提高其工作性能、使用性能和操作质量不能以牺牲工作性能换取其重量上的轻量化，在设计阶段，应利用模型或仿真分析等手段，对优化后的机械进行工况分析，以确保其真实使用效果。

2.2仿真设计

工程机械设计往往设计多个学科领域，要想通过制造实物，或者通过某一个单一工具对设计效果进行分析，往往是不太可能的，因此，为了减少设计难度，保证设计质量，减少人为因素的影响，可以采用利用仿真技术对优化设计进行模拟分析，仿真技术可以在虚拟环境下对机械的设计、施工、装配以及后续的操作等进行模拟分析，通过仿真分析技术可以避免许多后期可能出现的问题，仿真分析得到的数据，可以不断地为设计人员提供参考，设计人员可依据仿真结果不断地进行改进和完善，以满足产品质量标准和实际工作要求。

2.3制造工艺的优化

在工程机械轻量化设计模式推广的初期，采用了轻量化设计模式，部分制造工艺滞后，很难实现工程机械制造环节的轻化量化设计措施，应积极探索新工艺，不断吸收国外先进技术，将轻量化技术与新兴科学技术相结合，借助新制造工艺例如热处理技术、锁锚链接技术、喷丸、加压、滚压、激光焊接以及搅拌摩擦焊接等技术，提高机械零部件的精密性、抗疲劳性和耐磨性，在实现器械减重的同时，提高零部件组织强度。以某起重机桥架为例，利用扁钢和方钢取代原来的四梁结构形式进行焊接，使得起重机的整体质量大大减少。

2.4高强度钢的应用

钢材是机械制造中应用最多的金属材料，占据工程机械材料总量30%以上，因此工程机械轻量化设计的很大一方面在于优化钢结构。近年来，钢材料也在不断探索和发展，高强度钢已经被越来越多的机械产品应用起来，因此，在工程机械的设计中，也应该考虑多采用高强度钢，加大高强度钢的研发力度。这样，既提高了工程机械的性能和结构强度，也降低了设备自身质量。国外已经研制出1100MPa的高强度钢，国内也研发了460MPa、660MPa、960MPa等一系列高强度钢，在起重机械以及挖掘机、装载车等机械方面应用广泛，利用刚强度钢代替原来的普通钢，可以大大降低机械重量，同时提高其机械性能。

2.5纤维增强复合材料的应用

复合材料在航空业已经广泛应用，波音的梦想客机787，使用的复合材料占整架飞机重量的50%左右，正是由于复合材料有着比铝材更轻的质量和更出色的抗腐蚀和金属疲劳等特性，可见复合材料的出色之处，而工程机械中，也可以依据产品的部件功能合理采用复合材料。玻璃纤维具有高强度、低拉伸的特性，常用于强力牵引件的制造，而玻璃钢常用于发动机罩，有着更光滑平整的外观和良好的减振降噪功能。碳纤维具有轻质、强度高、抗疲劳、抗腐蚀等优异特性。在工程机械中，应用碳纤维可以极大地降低工程机械的重量，并且碳纤维的强度是普通钢材强度的10倍，因此，碳纤维的应用前景十分广阔，例如，目前部分挖掘机的铲斗使用的就是碳纤维增强金属基复合材料，不仅重量大大减轻，铲斗也不易沾土，工作效率更高。

3结语

轻量化设计不仅是工程机械设计在不断追求和探索的领域，其他制造业也都在积极地利用这种技术发展各自的产品，轻量化是未来生产制造的趋势，是提高产品功能性、经济型、可靠性的重要手段。我国对该技术的探索仍落后于西方国家，科研单位以及企业研发单位，必须重视该技术的发展，把握好工程机械的发展方向，不断优化改进产品的轻量化设计，推动我国制造业的健康可持续发展。

参考文献：

[1]范青.工程机械设计中轻量化技术的应用[J].南方农机，2020,51(20):103-104.

[2]王月云.工程机械轻量化方法与设计研究[J].中国金属通报，2017(05):79-80.

作者：李新良 单位：湖南天桥利亨停车装备有限公司