減輕農(nóng)業(yè)機械重量和降低材料耗量的方法

黃丙申　初旭宏　吳佳鈺　潘寵

摘 要：機械重量和材料耗量是衡量設(shè)計水平的一個重要指標，合理減輕機械重量，減少材料耗量對降低設(shè)計成本、提高經(jīng)濟效益具有積極意義。因此，論述了選擇有效的機械原理方案和合理的零部件結(jié)構(gòu)，在保證機械零部件最小必需強度儲備的基礎(chǔ)上，采用適宜的材料種類和鋼材品種，應(yīng)用現(xiàn)代工藝方法等技術(shù)措施，獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益，在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中具有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機械重量;材料耗量;強度儲備

中圖分類號：S220文獻標識碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.013Open Science Identity（OSID）

基金項目：黑龍江省省屬高校科研項目，項目編號：2018-KYYWF-0927;黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：201810222083;佳木斯大學(xué)科學(xué)研究項目，項目編號：13Z1201572

作者簡介：黃丙申（1964-），男，吉林扶余人，工學(xué)碩士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備科研工作，E-mail：huangbs123@163.com。

通訊作者：初旭宏（1980-），女，黑龍江佳木斯人，工學(xué)博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備科研工作，E-mail：331098074@qq.com。

設(shè)計農(nóng)業(yè)機械時，減輕農(nóng)業(yè)機械重量和降低材料耗量可以用以下的措施來達到：選用最有效的機械原理方案和結(jié)構(gòu)最合理的零部件;保證機械的零部件有最小的必需強度儲備;應(yīng)用有效的材料類型和鋼材品種;應(yīng)用現(xiàn)代的工藝方法等。

1 選擇有效的機械原理方案和合理的零部件結(jié)構(gòu)

機械原理方案的選擇，對于解決在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中產(chǎn)生的主要問題——減輕重量和節(jié)約材料，有很大影響。改進原理方案，能夠設(shè)計出通用性較廣和總體配置比較合理的機械。這樣來改進農(nóng)業(yè)機械的結(jié)構(gòu)，可以顯著減輕農(nóng)業(yè)機械的重量，并且材料的利用率也更高。

如圖所示谷物或莖稈粉碎器的簡圖，其中輸送器和粉碎裝置合為一體。這可改善整個機器的配置，并大大減少其外形尺寸和重量。

消除多余的零件，或者將兩個或幾個零件用一個來代替，也可以改進機械的結(jié)構(gòu)。有多余的零件時，不容易保證機械的正常工作特性。用一個零件代替幾個零件，不僅可以減輕被替代零件本身的重量，并且能夠消除支承件，固定件和其他不必要的連接件，因此，可以節(jié)約材料，而且由于減少了加工面和裝配量，也減少了工時。

2 保證機器零部件最小的必需強度儲備

設(shè)計農(nóng)業(yè)機械時，確定其零部件最小的必需強度儲備，是降低材料耗量及機械重量的措施之一。

農(nóng)業(yè)機械上過多的強度儲備是由于對機器使用工作條件的研究不足造成的。農(nóng)業(yè)機械的工作條件差異很大，因此都是以最惡劣的條件來進行強度計算。

在很多情況下，農(nóng)業(yè)機械的重要零部件不進行強度計算，只是根據(jù)結(jié)構(gòu)來選，并且為了提高機器的可靠性，不合理地增大了零部件的尺寸。這樣，在強度儲備的選擇中，對于節(jié)約材料是有很大潛力的。機器零件的工作應(yīng)力計算愈準確，強度儲備愈合理，因而制造零件的材料利用地愈完全。

例如，設(shè)計中耕機的機架時，由于強度儲備的選擇有理論依據(jù)，計算出了一種輕巧的機架結(jié)構(gòu)，運用了一種較少數(shù)量的桿件，并將其斷面進行了合理的改進，因而使機架的重量減輕了22%，鋼材耗量減少21 kg。

當缺乏分析計算方法和實驗方法時，確定工作應(yīng)力的精確數(shù)值一般是不可能的。確定零件材料工作特性相適應(yīng)的強度標準，也很復(fù)雜。因此，必須改進以最小強度儲備設(shè)計機器的計算方法。計算農(nóng)業(yè)機械強度時，應(yīng)該廣泛應(yīng)用實驗方法測定變形和應(yīng)力的技術(shù)。例如，用應(yīng)變測量和涂漆法測定零件表面的應(yīng)力，用光測法測定零件體積內(nèi)各處的應(yīng)力。這些方法與分析計算相配合，能夠求得結(jié)構(gòu)元件的適當尺寸，并能設(shè)計出重量輕和可靠性高的機器。

應(yīng)變測量和涂漆法可在特定條件下用于測定農(nóng)業(yè)機械的強度特性。例如，用涂漆法研究收獲機機架的應(yīng)力和決定機架上超負荷與負荷不足的構(gòu)件。研究結(jié)果指出，增大超負荷構(gòu)件的斷面和減少負荷不足構(gòu)件的斷面，能夠在降低重量的情況下保證機架必需的強度。

通過改變某些零部件的斷面、形狀和結(jié)構(gòu)等方法增加強度，是減輕重量的有效方法。設(shè)計機器時，承受很大負荷的零件的尺寸，大多數(shù)是根據(jù)強度計算確定的。但有時經(jīng)常會產(chǎn)生很大的困難，因為即使在作用力相同時，零件各個斷面上的應(yīng)力也是不同的。例如在斷面保持不變的零件中，承受彎矩時應(yīng)力不是常數(shù)，而是沿零件全長變化的。在這種情況下，斷面的尺寸根據(jù)最大彎矩來選，就會由于零件其他斷面內(nèi)強度儲備過多，而使材料利用的不合理。

應(yīng)用變斷面的零件，特別是長度比較大的零件（桿件），能夠減輕重量。這種等強度的零件，在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用得很廣泛，代替了很多用大量鋼材制成的桿件。

3 應(yīng)用有效的材料種類和鋼材品種

農(nóng)業(yè)機械零件所用的材料，應(yīng)保證在足夠的強度、耐久性和使用可靠性的情況下，以更輕材料為選擇目標。同時應(yīng)當使其有適當?shù)墓に囆?，以便能夠?yīng)用合理的進行壓力加工、鑄造、焊接、熱處理、機械加工和實施其他現(xiàn)代的加工工藝。

應(yīng)用高強度材料來制造承載零件，并相應(yīng)地減少其斷面尺寸，是減輕機器重量的主要方法之一。但是，由于這種材料的價格較貴，應(yīng)用時必須以經(jīng)濟合理性作為依據(jù)。因此，在低合金鋼中，主要選用強度較高和價格較低的硅錳合金鋼，更符合農(nóng)業(yè)機械的實際需求。

低合金鋼的特點是比碳素鋼具有較高的保證屈服極限。例如，碳素鋼Cr.3及Cr.5的保證屈服極限相應(yīng)為24 kg·mm-3及25 kg·mm-3，而代替它們的低合金鋼則相應(yīng)為32～35 kg·mm-3及38～40 kg·mm-3。此外，它們還具有良好的沖擊韌性，可塑性及其他特性。

用低合金鋼代替碳素鋼，由于在不改變零件結(jié)構(gòu)的情況下減小斷面厚度，可以減輕制品的重量平均達15%。在改變結(jié)構(gòu)的情況下，例如用板材沖壓代替型鋼，節(jié)約的材料還要多。

假如由于零件斷面減少，而引起彈性變形的增加是不允許的，就不能應(yīng)用低合金鋼，在這種情況下應(yīng)采用具有大慣性矩的斷面。還應(yīng)指出，低合金鋼在不定負荷下易于產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，當應(yīng)用于具有不定負荷的張應(yīng)力及劇烈的應(yīng)力場合時，這些鋼材運用的可能性需要仔細檢查。在焊接件上，可以利用傾斜的焊道減少應(yīng)力數(shù)值和應(yīng)力集中的程度。

為了減輕農(nóng)業(yè)機械的重量，開始應(yīng)用了輕金屬，例如應(yīng)用鋁合金制造某些重要機構(gòu)的復(fù)雜殼體零件（液泵、汽缸、減速器和其他的部件）。在這種情況下，鑄件的重量減輕了，這不僅是因為材料的比重小，而且也與鑄件的精度提高有關(guān)，尤其是應(yīng)用永久性鑄型的情況。永久性鑄型鑄造方法，擴大了在零件強度條件允許的情況下獲得薄壁鑄件工藝的可能性。

但是，和應(yīng)用高強度材料一樣，輕合金的成本更高，所以應(yīng)用時必須考慮其經(jīng)濟依據(jù)。

4 應(yīng)用現(xiàn)代的工藝方法

應(yīng)用各種現(xiàn)代的先進工藝過程，可以提高材料強度、毛坯和零件的制造精度，并且能夠使毛坯的形狀接近于零件的形狀，簡化結(jié)構(gòu)和減小零件的斷面。熱處理及熱化學(xué)處理，表面強化處理，以及焊接、精密鑄造、模鍛等都屬于現(xiàn)代工藝過程。在這種情況下，廢料減少，可以節(jié)約材料，并且由于提高了材料的強度，能夠減小零件的尺寸和斷面面積。

同時，由于提高了零件的使用壽命，也節(jié)約了很多金屬替換件。大家都知道，當零件中的應(yīng)力狀態(tài)是一般形式時（彎曲、扭轉(zhuǎn)），表層受到因外部載荷而引起的最大應(yīng)力。所以，承載零件的表層應(yīng)該強化。根據(jù)加工過程的特點，表面加工的方法可分為兩類： ①熱處理和熱化學(xué)處理過程（表面高頻淬火、滲碳和滲氮等）;②機械加工過程（用滾子或鋼球滾壓、噴丸加工、刀具加工和磨削加工等）。

在各種熱處理中，表面高頻淬火是最有效的，應(yīng)用這種加工方法，可以提高零件的強度和壽命。例如，普通碳鋼零件，經(jīng)過表面高頻淬火后，其性能并不低于全部淬火的合金鋼零件。在農(nóng)業(yè)機械中，表面高頻淬火，用于制造工作部件的切割部分和承受磨損的一些其他零件。采用熱處理時，用鑄鐵代替鋼不會降低零件的質(zhì)量，并且能夠節(jié)約大量的鋼材（齒輪、鏈輪、滾筒釘齒和其他零件）。

以上四種減輕農(nóng)業(yè)機械重量和降低材料耗量的方法，在實際設(shè)計工作中，加以重視并采用的話，會給帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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