工程机械轻量化方法与设计探究

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摘要：在当今工程机械设计过程中所取的安全系数过大，造成工程机械自身过重，不方便运输和移动位置。在工业机械体积过大过重的背景下，轻量化设计工业机械对工程设计的发展有推动作用。轻量化技术是轻量化设计、轻量化材料、轻量化制造技术的集成应用。在产品设计过程中要注意产品设计的轻量化要求，轻量化技术是一个系统的技术，轻量化设计的最终目的是使产品的重量、性能和成本等因素都得到优化处理。

关键词：机械设计；工程机械；轻量化；设计研究

工程机械轻量化技术是指通过材料、制造工艺、结构参数等优化工程机械设计。工程机械轻量化技术可通过材料优选，制造工艺改善、结构参数调整减轻工程机械的整体重量，在制造过程中降低成本，提高机械设备的使用性能，同时可以节约能源，减少污染物的排放，我国的设计理论相对保守，在设计时没有考虑运输时是否方便，同时把安全系数设置过大，导致重型机械设备不仅制造成本巨大，运输成本也很大，造成企业大量的资源浪费。在这样的背景下，就需要思考是否能够采用轻量化的工程设计。

1工程机械轻量化的发展现状

1.1我国的设计理念保守

我国的机械设计最初是采用苏联的设计理念。经过几十年的发展，已经不能再适应社会的发展，我国的钢结构设计理论目前还比较保守，器件比较笨重，安全系数过大，安全性能好。

1.2设计中缺乏核心技术

在设计的过程中，没有吸收先进的设计技术，长期采用类推的方法，设计的周期较长，没有多余的选择方案可以进行选择。缺少优秀的评价标准，企业自主创新能力薄弱，生产大量仿制品，没有自身的核心技术，没有实验所需要的数据。同时，也缺乏理论基础，对智能技术的探究缺乏深度和认识。我国的工程机械轻量化技术还处于初级阶段。在我国，大量机械产品的设计都采用或者借鉴国外的经验数据，由于长时间没有进行更新，已经不能适应社会的发展需求。在我国的制造行业中，制造技术的发展还比较年轻，对于新技术、新方法、新材料的运用都还不很广泛。如果没有自己的实验数据和创新能力，工程机械轻量化还有相当长的一段路要走。我国与发达的工业强国相比，还有一段很大的差距。我国的工程轻量化技术还处于研究的初级水平。要想发展工程技术的轻量化就需要不断研发新技术，采用新材料。在设计过程中，要注意优化产品设计，从根本上提高材料的利用率，要注意保持零件的刚度、强度以及抗疲劳性。

2工程机械轻量化设计的作用

工程机械轻量化设计有助于提高材料的利用率，有利于对能源的节约，有助于运输方便，有助于我国从工业大国走向工业强国。在工程机械轻量化的设计过程中要足以减少生产材料的碳排放量，同时要注意提高机械的动力水平，减少摩擦力对器件的影响。在工程设计的过程中，要注意提高产品的寿命和使用性能。工程机械的轻量化有助于我国机械设备向环保型、功能型的方向发展。

3工程机械轻量化的技术实现途径

3.1基于材料的轻量化设计

材料轻量化在材料的选取上，可以使用高强度的钢材，其中最常用的是热性钢材，轻合金钢材中最为常用的是铝合金、炭纤维、镁合金，记忆金属中常用的微晶钢，工程塑料、陶瓷、玻璃纤维也是常用的材料。这些轻量化的材料可以减轻工程机械的重量，提高成本。例如：日本丰田公司采用的连杆技术可以减少30%的钢材，同时还可以节约5%的汽油，可见轻量化的设计有助于能源的节约和资源的利用。机械工程的轻量化设计要针对机械的不同部件选用不同强度的材料，从而实现工程机械整机的轻量化。

3.2工程机械制造工艺的轻量化设计

要选用多种方法进行工艺制造设计，同时注意强化设计师的常新理念，发挥设计师的主观能动性，进行积极的技术创新和探索；同时注意选择先进的工艺方法和先进的工艺技术。在设计的过程中要注意数据的收集和整理，要强化设计师的实际理念，提高设计师的设计水平，不断改变以往模仿抄袭的现状。

3.3新材料的运用可以提高产品的抗击能力

在设计的过程中，要不断采用新的技术和方法进行技术上的改造，同时，要采用新型材料提高工程机械的性能优势，同时加强金属的表面承受能力。在设计的工程中要选择新技术来提高产品的竞争能力。同时要增强产品的抗击能力，提高产品的使用寿命。要不断满足消费者对产品的需求。

3.4改善机械设备的截面实现工程机械轻量化

对机械设备的截面进行改善，就是要提高机械设备构件的截面抗弯截面系数和抗扭截面系数，在不改变机械设备重量的情况下，通过加强承受力来减轻设备的总体重量。从有关专家的研究和分析发现，受力的状态不同，材料的强度指数也不相同，但是在受力情况相同的情况下，单位长度的构件越重，它的强度指标就会越小。也就是说轻度指标与单位长度的工件质量成反比。

3.5工程机械的轻量化可采用多种新型技术

工程机械的轻量化可以采用热处理、滚压、喷丸等多种新的工艺技术，这些工艺技术的采用可以提高机械设备零部件的耐磨性和抗疲劳性。有利于提高机械设备的强度，还能提高材料表面的组织结构，提高材料表面的负荷水平。

3.6工程机械设计中的其他设计技巧

在机械设计的过程中，要注意设计的外观要有曲线美，可以丰富人体的视觉；同时要注意采用智能化的控制系统，可以帮助工作人员减少操作的工作量，同时自我进行故障排除，自我诊断故障，不断提高设备的工作效率。

4新型材料的研发和应用

4.1高强度合金钢材料的大量应用

随着工程机械向轻量化、大型化的方向发展，要不断增加工程机械上钢材的强度，钢材是机械设备制造过程中最大的成本。高强度的钢材对机械设备制造的发展具有推动作用。目前，对合金钢的运用越来越广泛，合金钢的大量运用不仅能够提高钢材的强度还能够减轻机械设备自身的重量。合金钢运用到机械设备的制造中来，可以提高机械设备的强度、刚度、稳定性能，不断降低机械设备的自身重量。现在大量的技术应用和研究发现，增大机械结构的强度的同时能够减轻自身的重量。

4.2纤维增强复合材料在工程机械轻量化中的应用

复合材料有很多优点，这些复合材料的强度较好、比模量高、抗疲劳断裂的性能好、尺寸稳固、比较耐磨，抗腐蚀性能好、能够有效降低噪音、绝缘性能好，能够满足各种产品的性能需求。玻璃钢就是复合型材料中的一种，这种材料不仅工艺性能好，而且设计灵活，不仅成本低廉而且重量轻。玻璃钢在工程机械设计制造中的应用非常广泛，在压路机、装载机发动机罩上应用较为广泛。玻璃钢具有质量较轻，强度较好的优点。同时玻璃钢还具有易于成型的优点。在工程机械的设计过程中，要合理使用复合型的材料。复合材料的应用可以整体成形代替焊接带来的不必要的麻烦，在工程机械轻量化的设计过程中，要根据不同的受力部位合理使用复合材料。玻璃纤维最早是在军事上使用的，轻型的装甲车应用玻璃钢的地方最多。

4.3碳纤维复合材料在工程机械中的应用

碳纤维复合材料在工程机械中的应用也很广泛，碳纤维复合材料质量轻，强度高。与普通纤维材料相比，碳纤维材料只有普通纤维材料质量的1/4。目前，在工程机械轻量化制造过程中使用最为广泛的还是合金钢材料，这种材料密度大，影响了整个机械设备的机动性，降低了机器设备的灵活性，影响了发动机的工作效率。

5结束语

随着经济全球化的发展，培养具有创新性的设计师，增强企业的设计能力，才能提高企业的综合竞争能力。在轻量化的工程设计当中，要求设计师能够优化设计结构，采用新型材料，设计出质量更好，性能更高的机器设备，轻量化的设计不仅需要降低设备的重量还要求企业能够提高产品性能，节约资源和能源。另外，在工程机械轻量化的设计过程中，一方面要注意综合评价生产过程，另一方面要对技术进行分析和检测。还要进行大量的实验使得轻量化的技术不断向着成熟的方向发展。

参考文献

[1]翟庆波,苏兆婧.轻量化设计在工程机械中的应用[J].设计,2016（17）:120-121.

[2]杨世强,王蓓蓓.轻型机械臂的轻量化结构设计优化方法[J].中国机械工程,2016（19）:2575-2580+2588.

作者:王月云 单位:徐州海伦哲专用车辆股份有限公司