對(duì)輕量化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械中應(yīng)用的探討

車(chē)麒麟　李宗義

摘 要：輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于工程機(jī)械的快速發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用?；诖?，下文介紹了輕量化的概念以及在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的主要技術(shù)途徑進(jìn)行了敘述，并且以裝載機(jī)為例對(duì)如何實(shí)現(xiàn)其主要部件的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，希望對(duì)相關(guān)人員提供幫助。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；輕量化設(shè)計(jì)；實(shí)例分析

引言

為了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化的研發(fā)目標(biāo)，在安全可靠和成本預(yù)算指標(biāo)的前提下，運(yùn)用輕量化的設(shè)計(jì)方法，可以大幅度提升工程機(jī)械的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及安全可靠性，同時(shí)還可以降低產(chǎn)品原材料和能源的消耗，從而減少對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。因此，輕量化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，可以推動(dòng)我國(guó)從機(jī)械大國(guó)向機(jī)械強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

1輕量化技術(shù)的基本概念

輕量化技術(shù)是輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料和輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用，其是指通過(guò)材料優(yōu)選、改善制造工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)等途徑來(lái)減輕工程機(jī)械主要部件以及整機(jī)的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)降低制造和使用的成本、節(jié)能減排等綜合目標(biāo)的技術(shù)。由于我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)理論相對(duì)保守，在設(shè)計(jì)時(shí)所取的安全系數(shù)比較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身的重量也比較大，從而增加了企業(yè)的制造和運(yùn)輸成本以及用戶(hù)的使用成本，不能有效利用資源和保持企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，因此在這種背景下，對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械中的應(yīng)用就顯得尤為重要了。

2工程機(jī)械輕量化的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品從研發(fā)到設(shè)計(jì)對(duì)新材料以及新工藝的應(yīng)用不夠廣泛，仍然是對(duì)國(guó)外工程機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)繪或者直接引進(jìn)，同發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)制造業(yè)水平相比存在著一定的距離。由于我國(guó)對(duì)工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)的研究還處于起步階段，缺乏在工程項(xiàng)目中的實(shí)踐應(yīng)用。因此，對(duì)于工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)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(guò)程中的能耗，從而在提高機(jī)械動(dòng)力性、降低摩擦力、驅(qū)動(dòng)力以及接觸力、減少驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)能量方面起到明顯的效果，進(jìn)而提高工程機(jī)械產(chǎn)品及其部件的使用壽命；還可以在保證部件剛度、強(qiáng)度以及耐疲勞性能的前提下促進(jìn)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(yùn)輸以及安裝所帶來(lái)的能源消耗，從而加快我國(guó)從機(jī)械大國(guó)走向機(jī)械強(qiáng)國(guó)的步伐。

3工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的主要途徑

3.1基于材料的輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)于材料的輕量化設(shè)計(jì)，在材料的選取上，使用用高強(qiáng)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(lái)減輕工程機(jī)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(qiáng)的鋁基復(fù)合，采用這種材料制作的連桿重量比原來(lái)用鋼材制作的連桿減少了30%，同時(shí)又在克服了普通鋁合金材料強(qiáng)度低于鋼材的同時(shí)，保留了質(zhì)輕的特點(diǎn)，連桿裝入1.2L的汽油機(jī)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油5%。另外，基于材料的輕量化設(shè)計(jì)還可以針對(duì)工程機(jī)械不同零件來(lái)選用不同強(qiáng)度的材料，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械整機(jī)的輕量化。

3.2基于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

基于結(jié)構(gòu)的輕量設(shè)計(jì)是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形狀減少各個(gè)零部件的使用量，從而達(dá)到工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的目的。此方法在不改變各項(xiàng)要求的前提下，可以通過(guò)對(duì)原始材料的使用來(lái)減輕機(jī)械重量，具有成本低、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。同時(shí)，在工程機(jī)械中基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化通常分為四種優(yōu)化類(lèi)型，即尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，如圖1所示。其中，尺寸優(yōu)化通常不會(huì)改變?cè)镜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和形狀；形貌優(yōu)化的過(guò)程一般是在已經(jīng)有的薄板上尋找最佳的凸臺(tái)分布方案，從而提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；形狀優(yōu)化的對(duì)象大多是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞形狀；拓?fù)鋬?yōu)化大多是以材料均勻分布的設(shè)計(jì)空間為優(yōu)化對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化計(jì)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(shè)計(jì)

基于制造工藝的輕量化設(shè)計(jì)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(shù)等，此方法對(duì)生產(chǎn)設(shè)備以及技術(shù)的要求和成本要求比較高。比如，國(guó)外某企業(yè)生產(chǎn)的大型挖掘機(jī)箱體、裝載機(jī)車(chē)架結(jié)構(gòu)使用900～1600MPa高強(qiáng)鋼，采用先進(jìn)磨具技術(shù)和成型工藝之后，獲得的新結(jié)構(gòu)件比原來(lái)的厚度減少40%～50%，等同于重量降低40%～50%，同時(shí)提高了強(qiáng)度和可靠性。

4工程機(jī)械中輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)例

由于裝載機(jī)是我國(guó)工程機(jī)械領(lǐng)域中生產(chǎn)規(guī)模最大的產(chǎn)品，其主要的用途是鏟裝、卸運(yùn)石料一類(lèi)的散裝物料，而輕量化技術(shù)在裝載機(jī)的各種重要零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)方面取得了不少的研究成果。首先，作為裝載機(jī)的重要零件之一的驅(qū)動(dòng)橋殼，在裝載過(guò)程中既要承受載荷又要傳遞動(dòng)力，因此，通過(guò)采用有限元方法對(duì)輪式裝載機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模態(tài)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)有限元分析法對(duì)裝載機(jī)變速器箱體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證變速器箱體強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩是裝載機(jī)的主要覆蓋件之一，通過(guò)在輪式裝載機(jī)機(jī)罩和工作裝置優(yōu)化過(guò)程中融入拓?fù)鋬?yōu)化、子結(jié)構(gòu)和虛擬樣機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)機(jī)罩的輕量化和工作裝置的優(yōu)化。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，輕量化不僅可以降低工程機(jī)械的自重，減少其能源消耗，還可以幫助工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化，從而增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，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(guó)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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