工程機(jī)械節(jié)能減排現(xiàn)狀及發(fā)展新趨勢(shì)

楊 寧，李 冰，徐武彬，張繼堯

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

在全球能源消耗和環(huán)境污染的嚴(yán)峻形勢(shì)下，各國(guó)都在爭(zhēng)先恐后的開(kāi)展工程機(jī)械節(jié)能減排工作。在“十三五”規(guī)劃、“863”科技計(jì)劃、“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略下，我國(guó)工程機(jī)械減排和降耗工作面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。另一方面，隨著燃油價(jià)格的不斷攀升，降低燃油消耗，進(jìn)而降低用戶使用成本，是企業(yè)提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。我國(guó)在節(jié)能減排產(chǎn)品研發(fā)方面已經(jīng)做出了很多努力，比如國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)已經(jīng)成功研發(fā)了具有節(jié)能減排概念的產(chǎn)品，但仍處于試點(diǎn)工作，并未形成系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈和相關(guān)配套企業(yè)；科研人員也在不斷探索節(jié)能減排新技術(shù)，但是大多集中在提高機(jī)械元件的性能、改進(jìn)液壓系統(tǒng)等方面，這些不足以解決當(dāng)前存在的問(wèn)題，工程機(jī)械仍然帶著“能耗高、排放大”、“冒黑煙”、“笨重”、“粗線條”的帽子。說(shuō)明我國(guó)工程機(jī)械節(jié)能減排道路仍需要進(jìn)一步反思和探索，需要開(kāi)辟新的視角，注入新的活力。分析了工程機(jī)械節(jié)能減排的主要技術(shù)以及存在的不足，以裝載機(jī)鏟斗為例，指出了傳統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的缺陷，提出了輕量化設(shè)計(jì)新理念，旨在為節(jié)能減排工作提供新的思路。

2 工程機(jī)械節(jié)能減排的研究現(xiàn)狀

工程機(jī)械是名副其實(shí)的能耗和排放大戶，數(shù)據(jù)顯示，在相同時(shí)間內(nèi)一臺(tái)小松20t 的挖掘機(jī)的廢氣排放量是小型汽車的廢氣排放量30 倍，可見(jiàn)工程機(jī)械節(jié)能減排責(zé)任重大[1]。在國(guó)家政策和法規(guī)方面，以歐盟為例，國(guó)外主要以指令的方式確定排放標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行市場(chǎng)準(zhǔn)入的CE 認(rèn)證，目前在執(zhí)行歐3 標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)內(nèi)的節(jié)能減排是國(guó)家“十三五”規(guī)劃和“863”科技計(jì)劃重點(diǎn)工作。國(guó)外在節(jié)能減排工作方面自主意識(shí)相對(duì)強(qiáng)烈，其節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，設(shè)計(jì)研發(fā)的產(chǎn)品比如卡特推土機(jī)、三菱重工、小松挖掘機(jī)、凱斯混合動(dòng)力挖掘機(jī)、沃爾沃輪式裝載機(jī)等等，減排和節(jié)能效果非常顯著。而國(guó)內(nèi)對(duì)于節(jié)能減排工作開(kāi)始時(shí)并沒(méi)有那么敏感，令人欣喜的是，在全社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)能減排的大趨勢(shì)下，各大工程機(jī)械廠商正在國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)的帶動(dòng)下對(duì)節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行不斷探索，很多企業(yè)已經(jīng)在動(dòng)力源改善、匹配與控制改善、再制造技術(shù)、新能源的使用等方面取得一定的進(jìn)展，不少企業(yè)紛紛推出“再制造”、“節(jié)能高效”、“新能源”等概念的產(chǎn)品，我國(guó)工程機(jī)械技術(shù)不斷升級(jí)，節(jié)能減排工作已經(jīng)取得了階段性的勝利，但隨之而來(lái)的是很多相關(guān)問(wèn)題的制約，比如油機(jī)匹配對(duì)現(xiàn)有油品提出了更高的要求，電傳動(dòng)方式下的蓄電池報(bào)廢后的污染處理、交流電源的輻射危害和作業(yè)區(qū)域限制、天然氣作為動(dòng)力燃料氣源不足、容易發(fā)生火災(zāi)和爆炸等等。輕量化技術(shù)與上述其他節(jié)能減排技術(shù)相比，不需要額外增加元件和控制裝置，是當(dāng)下最為主流、最行之有效的節(jié)能減排技術(shù)。下面對(duì)工程機(jī)械領(lǐng)域節(jié)能減排主要技術(shù)進(jìn)行介紹。

3 工程機(jī)械節(jié)能減排的主要技術(shù)

3.1 動(dòng)力源的改善

機(jī)械工程動(dòng)力源泉是內(nèi)燃機(jī)，經(jīng)過(guò)了近百年的研究和發(fā)展，在傳動(dòng)控制方面，研發(fā)重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向了混合動(dòng)力技術(shù)和燃料電池技術(shù)，燃料電池技術(shù)正處于起步階段[2]?；旌蟿?dòng)力技術(shù)包含兩種以上的能量源，按照能量源的不同，混合動(dòng)力可以分為油電混合和油液混合，油電混合以高燃油效率和高能量密度的優(yōu)勢(shì)在中小型汽車中應(yīng)用廣泛，但是存在電池密度小、體積龐大、污染環(huán)境和價(jià)格昂貴等因素不適用于裝載機(jī)、挖掘機(jī)等大功率且頻繁啟停的工程機(jī)械，相比而言，油液混合動(dòng)力具有大功率、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，因此，大部分的工程機(jī)械多采用油液混合動(dòng)力技術(shù)。

國(guó)外混合動(dòng)力研發(fā)道路領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，而且研究比較深入的有日立建機(jī)、小松、日本川崎重工、沃爾沃、美國(guó)約翰迪爾等。最早在2003 年日立建機(jī)和小松率先采用并聯(lián)式油電混合動(dòng)力模式，研制成功混合動(dòng)力裝載機(jī)和混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)，突破性地采用蓄電池作為儲(chǔ)能元件，但是由于是樣機(jī)模型沒(méi)有投入生產(chǎn)，其實(shí)際節(jié)能效果并未知曉[3]。2008 年瑞典沃爾沃推出L220FHybrid 油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的輪式裝載機(jī)，將電動(dòng)機(jī)直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸上，在此混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)承擔(dān)起動(dòng)機(jī)、動(dòng)力輔助機(jī)和發(fā)電機(jī)的作用，相比普通輪式裝載機(jī)，其燃油消耗降低了10%，邁出了工程機(jī)械節(jié)能減排的第一步，但遺憾的是該機(jī)型并未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。三年后，日本川崎重工推出65Z-2 并聯(lián)式油電混合動(dòng)力裝載機(jī)，與沃爾沃不同的是，它采用的是行星結(jié)構(gòu)代替單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，并去掉了液力變矩器，同時(shí)采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，與同類型普通輪式裝載機(jī)相比節(jié)油35%以上，效果非常顯著。

上述采用蓄能器或者電池、電容的組合作為混合動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)能元件，在電能和液壓能相互轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)存在大量的能量損失，為減少能量損失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究提出幾種新的應(yīng)用于油液混合的液壓系統(tǒng)。比如美國(guó)普渡大學(xué)提出的容積式泵控液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖1 所示。可實(shí)現(xiàn)節(jié)約40%發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的效果[4]。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)提出一種適用于挖掘機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)和容積式泵控系統(tǒng)相結(jié)合的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)，如圖2 所示。該系統(tǒng)可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的體積，提高能量回收效率，負(fù)載適應(yīng)性良好。芬蘭坦佩雷理工大學(xué)的Tikkanen 提出一種雙泵油液混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)減小系統(tǒng)對(duì)泵功率和轉(zhuǎn)矩的需求從而減小電機(jī)尺寸以增加功率密度，其系統(tǒng)原理圖，如圖3 所示。但是該機(jī)構(gòu)的不足之處在于在特定工況下蓄能器和電池相互轉(zhuǎn)換，會(huì)增加能量損失。

圖1 容積式泵控挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)Fig.1 Hydraulic System of Volumetric Pump Controlled Excavator

圖2 負(fù)載敏感系統(tǒng)和容積式泵控系統(tǒng)相結(jié)合的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)Fig.2 Hybrid Power Combining Load Sensing System with Positive Displacement Pump Control System Hydraulic System

圖3 雙泵油液混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)Fig.3 Dual Pump Oil Hydraulic Hybrid System

國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力研究技術(shù)相對(duì)起步較晚，最早的混合動(dòng)力產(chǎn)品是2010 年柳工推出的CLG862 并聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)，同樣采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，創(chuàng)新之處在于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同組成裝載機(jī)的動(dòng)力源，節(jié)能效果只能達(dá)到10.5%，徐工集團(tuán)緊隨其后也推出了ZL50G 并聯(lián)式蓄能器液壓混合動(dòng)力裝載機(jī)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓儲(chǔ)能器的配合，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量和動(dòng)臂下放能量的回收和再利用，至此國(guó)內(nèi)首次研制成功具有能量回收利用概念的工程機(jī)械，節(jié)能約15%[5]。但是混合動(dòng)力系統(tǒng)由于增加了電動(dòng)機(jī)、電容器等原件，增加了制造成本，因此在混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，應(yīng)該緊隨混合動(dòng)力汽車技術(shù)的新進(jìn)展，應(yīng)該綜合考慮其實(shí)用價(jià)值。

3.2 匹配與控制改善

隨著電傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，電傳動(dòng)系統(tǒng)的功率匹配及控制技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。工程機(jī)械工作環(huán)境差，經(jīng)常受到劇烈波動(dòng)負(fù)荷，要保證無(wú)論電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何變化，柴油機(jī)都不能熄火，并且在正常轉(zhuǎn)速下保持較高的功率輸出，因此對(duì)柴油電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-驅(qū)動(dòng)裝置的功率匹配提出了很高的要求。控制主要是指對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的精確控制，例如對(duì)挖掘機(jī)的工況控制、發(fā)動(dòng)機(jī)供油控制等，使液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配盡可能的獲得最高工作效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。

在液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略方面，日本學(xué)者展開(kāi)了較多研究，Masayuki 等針對(duì)電池電容同時(shí)蓄能的串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)式和電容優(yōu)先充放電式的控制策略。Naruse 針對(duì)以電池為儲(chǔ)能裝置的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)提出了分工作模式下恒工作點(diǎn)的控制策略。國(guó)內(nèi)的肖清等人對(duì)以電容器為蓄能裝置液壓挖掘機(jī)并聯(lián)混個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)和電容器SOC 值為優(yōu)化變量控制策略，只需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速、以及控制液壓泵的變量機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)排量既可以實(shí)現(xiàn)其控制策略[6]。

但是僅僅通過(guò)元件的匹配和控制，改善其性能對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排綠色變革來(lái)說(shuō)太過(guò)單一。因此油機(jī)匹配和控制也是研究的熱點(diǎn)，但是國(guó)內(nèi)的油品并沒(méi)有規(guī)范的指標(biāo)，工程機(jī)械專用油存在缺口，無(wú)法合理有效地匹配工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)。這就對(duì)現(xiàn)有油品提出了更高的要求，研究人員應(yīng)該將重心放在油品和發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)工況特征上，有針對(duì)性的研究出與工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的工程機(jī)械專用油，充分發(fā)揮每一滴油的價(jià)值，徹底解決“冒黑煙”的現(xiàn)象。

3.3 再制造技術(shù)

再制造技術(shù)是指報(bào)廢的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)一系列加工技術(shù)對(duì)其修復(fù)，修復(fù)后的產(chǎn)品使用性能與新產(chǎn)品一致甚至超越原有產(chǎn)品，同時(shí)要求其使用壽命不低于新產(chǎn)品的使用壽命。再制造的目的是為了修復(fù)高價(jià)值的零部件，其核心技術(shù)是表面修復(fù)技術(shù)，再制造工藝流程及方法，如圖4 所示。

再制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)制造成本降低50%、消耗的能量降低40%、節(jié)約材料達(dá)到70%，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有很大貢獻(xiàn)。國(guó)外再制造產(chǎn)業(yè)起步早、發(fā)展迅速，最早在20 世紀(jì)30 年代國(guó)外就走上了再制造發(fā)展道路，美國(guó)作為再制造行業(yè)的領(lǐng)頭羊，1932 年福特公司創(chuàng)建了第一個(gè)再制造企業(yè)，德國(guó)的寶馬公司和法國(guó)的標(biāo)致雪鐵龍、日本的豐田等都建立的自己的再制造工廠。CAT 公司在1973 年就開(kāi)始了再制造業(yè)務(wù)，在美國(guó)本土就有9 個(gè)專門從事再制造生產(chǎn)工廠[7]。近十年已經(jīng)成為全球最大實(shí)力最強(qiáng)的再制造巨頭，并在中國(guó)建立了再制造中心和回收點(diǎn)。

圖4 產(chǎn)品的再制造工藝流程和方法Fig.4 Remanufacturing Process and Method of Products

相比于國(guó)外，我國(guó)的再制造技術(shù)起步較晚，與國(guó)內(nèi)工程機(jī)械價(jià)格便宜，鋼材價(jià)格和人工費(fèi)用低，從再制造成本方面講，企業(yè)動(dòng)力不足有關(guān)。但是在國(guó)家政策的大力支持下，后來(lái)再制造發(fā)展迅速，濰柴、廣西玉柴、東方康明斯、柳工、廈工、徐工等工程機(jī)械巨頭相繼走上了再制造發(fā)展道路，我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)基本形成。數(shù)據(jù)顯示以再制造1000 臺(tái)平地機(jī)為例，可以節(jié)電5000 萬(wàn)kW·h，可回收利用金屬10000t[8]。實(shí)踐證明，再制造是解決能源資源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑，是21 世紀(jì)世界發(fā)展的重要企業(yè)。但是也面臨著很多挑戰(zhàn)，比如我國(guó)的工程機(jī)械本土企業(yè)缺少一套成熟的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，從進(jìn)廠到產(chǎn)品的嚴(yán)格檢驗(yàn)再到標(biāo)準(zhǔn)降解，再到循環(huán)制造等一套成形的流程技術(shù)仍處于起步期，目前還停留在少數(shù)企業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)，難以推廣到整個(gè)行業(yè)。再加上人們對(duì)再制造的認(rèn)識(shí)不夠，再制造的意識(shí)不強(qiáng)，所以很多設(shè)備在大修期來(lái)臨時(shí)都擱置荒廢，造成了大量的資源浪費(fèi)。應(yīng)該盡快出臺(tái)再制造產(chǎn)品稅收減免或補(bǔ)貼政策是企業(yè)產(chǎn)生效益，推動(dòng)倡導(dǎo)。

3.4 輕量化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)中安全系數(shù)取值過(guò)大，導(dǎo)致工程機(jī)械本身比較笨重，進(jìn)而帶來(lái)油耗過(guò)高、燃油經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題。因此，產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的重要性就凸顯出來(lái)了。

輕量化的設(shè)計(jì)計(jì)算方法包括極限狀態(tài)法、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法三種。極限狀態(tài)法以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、可靠性分析為基礎(chǔ)，將載荷、材料屬性、構(gòu)件實(shí)際尺寸均看作基于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算產(chǎn)品失效概率來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的安全度，是一種近似于定量計(jì)算的方法。有限元法是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，能考慮實(shí)際工況和約束，得出結(jié)構(gòu)全面的應(yīng)力分布情況。優(yōu)化設(shè)計(jì)法是基于某種或多種評(píng)價(jià)目標(biāo)而進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)主要包括材料的輕量化、制造工藝的輕量化以及結(jié)構(gòu)的輕量化三種途徑。材料的輕量化是指通過(guò)選用高強(qiáng)度鋼材、合金、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等，減重效果突出，但是這些材料的價(jià)格昂貴，使得制造成本很高。制造工藝的輕量化是指新的熱處理工藝、激光焊接、增壓技術(shù)、真空等，其中焊接技術(shù)作為主要工藝，針對(duì)焊接時(shí)收縮、彎曲、扭曲等主要變形可以采取逐段焊接作業(yè)、焊接順序盡量由內(nèi)至外、由中間到四周、焊前預(yù)熱處理焊后回火的方式進(jìn)行，將手工焊和半自動(dòng)焊轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣?dòng)焊或者焊接流水線作業(yè)，并對(duì)自動(dòng)焊接進(jìn)行有效控制。但是此類制造工藝對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求很高，需要購(gòu)買相關(guān)設(shè)備，因此也增加了制造成本。結(jié)構(gòu)的輕量化是指在不改變各項(xiàng)性能要求的前提下，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形狀，減少材料使用量來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，具有成本低、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

以裝載機(jī)為例，文獻(xiàn)[9]分別對(duì)鏟斗、動(dòng)臂、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器進(jìn)行有限元等強(qiáng)度分析，削減多余的重量，節(jié)省原材料降低成本的同時(shí)可以減少不必要的動(dòng)力輸出。其中以鏟斗為例，傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法是采用極限工況以最極端的方式對(duì)工作裝置加載進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，如圖5 所示。雖然該方法能夠了解鏟斗的整體強(qiáng)度，能保證產(chǎn)品的強(qiáng)度在使用范圍之內(nèi)，但是安全系數(shù)取值過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的鏟斗強(qiáng)度儲(chǔ)備偏大，不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化目標(biāo)，更不利于實(shí)現(xiàn)整機(jī)的節(jié)能減排和燃油經(jīng)濟(jì)性。因此我國(guó)的輕量化研究需要改掉原有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，應(yīng)該在準(zhǔn)確了解產(chǎn)品實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下的受力情況及強(qiáng)度分布的條件下，再去考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料輕量化設(shè)計(jì)。

圖5 六種典型工況Fig.5 Six Typical Working Conditions

4 未來(lái)工程機(jī)械節(jié)能減排中輕量化設(shè)計(jì)新理念

由于傳統(tǒng)工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)過(guò)大帶來(lái)了產(chǎn)品自重過(guò)大的問(wèn)題，不利于產(chǎn)品節(jié)能降耗目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。以裝載機(jī)鏟斗為例，多數(shù)學(xué)者只是通過(guò)有限元方法來(lái)分析，在典型工況下獲得鏟斗最危險(xiǎn)受力位置。認(rèn)為插入鏟取機(jī)理是基于密實(shí)核理論，鏟斗在作業(yè)時(shí)受到的作業(yè)阻力僅僅由鏟斗切削料堆的阻力、物料與鏟斗間的摩擦力和物料自身重力組成，并沒(méi)有將物料之間、物料與鏟斗之間的相互作用力考慮在內(nèi)，將其作業(yè)阻力分為水平插入阻力和垂直崛起力施加在鏟斗的斗刃上。其中作業(yè)阻力的大小也有不同的計(jì)算方式，包括前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)公式法[10]和裝載機(jī)最大牽引力和崛起力法[11]，但是經(jīng)驗(yàn)公式修正系數(shù)比較多，與物料的種類、形狀、高度、鏟斗的寬度及一次插入深度有關(guān)。而鏟斗在實(shí)際作業(yè)中受到的載荷的大小和方向是不斷變化的，因此不管采用上述哪種計(jì)算方法，都不能代替鏟斗作業(yè)過(guò)程中的真實(shí)受力情況。

綜上，鏟斗與物料之間的關(guān)系已有學(xué)者研究，主要是通過(guò)計(jì)算、模擬鏟斗受力的不同做出強(qiáng)度評(píng)價(jià)。但是物料與物料之間、物料與鏟斗之間的散體力作用關(guān)系研究甚少，并且大多數(shù)是基于理論經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)的評(píng)價(jià)方法，其合理性難以驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用更難以展開(kāi)。實(shí)際作業(yè)中鏟斗物料之間的接觸具有高度非線性的特點(diǎn)，有限元軟件實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模擬分析已經(jīng)非常困難，并且單一通過(guò)有限元方法模擬鏟斗受力模型忽略了作業(yè)對(duì)象的離散性，因此，模擬結(jié)果的可靠性還有待研究。并且有限元法往往局限于小變形的假設(shè)，已經(jīng)不能解決受散體物料作用的鏟斗應(yīng)力和變形問(wèn)題。

因此，今后裝載機(jī)鏟斗等工程機(jī)械工作裝置的輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)該改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析理念，不再對(duì)其邊界條件進(jìn)行大量假設(shè)，需要從散體力學(xué)出發(fā)，借助離散元素法[12]，將作業(yè)物料與物料之間、物料與鏟斗的相互作用力考慮在內(nèi)，獲取的工作裝置的作業(yè)阻力動(dòng)載荷。其次，根據(jù)離散元仿真的可視化，確定工作裝置不同時(shí)刻的受力位置，并通過(guò)有限元法將作業(yè)阻力精確施加到節(jié)點(diǎn)，真實(shí)了解部件工作狀態(tài)下的強(qiáng)度分布和應(yīng)力情況，在此基礎(chǔ)上，借助尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化方法以去除冗余的部分，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)；同時(shí)通過(guò)對(duì)不同部件選用不同強(qiáng)度的材料對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行材料輕量化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）分析了目前工程機(jī)械節(jié)能減排的研究現(xiàn)狀，介紹了工程機(jī)械節(jié)能減排核心技術(shù)及存在的不足，并提出了相關(guān)解決辦法；（2）以裝載機(jī)鏟斗為例，闡述了現(xiàn)存產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)分析方法存在的問(wèn)題以及對(duì)輕量化設(shè)計(jì)帶來(lái)的弊端，重點(diǎn)提出了一種未來(lái)工程機(jī)械節(jié)能減排中輕量化設(shè)計(jì)的新理念新方法；（3）經(jīng)過(guò)研究該方法一定程度上可以代替實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，改變了在產(chǎn)品加工之前無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的現(xiàn)狀；同時(shí)也可以為工作裝置載荷譜的測(cè)試提供參考；能為產(chǎn)品精品化設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)，比如在滿足強(qiáng)度作業(yè)要求的前提下，可以進(jìn)行質(zhì)量最輕、作業(yè)阻力最小、材料成本最低等多目標(biāo)優(yōu)化，具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。