探討工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用

李新良

（湖南天橋利亨停車裝備有限公司，湖南 株洲 412000）

1 工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)概述

1.1 輕量化的設(shè)計(jì)理念

輕量化設(shè)計(jì)理念最初是由賽車運(yùn)動(dòng)率先提出的，應(yīng)用于賽車上，可以使車身更輕巧、更易于操控且更動(dòng)力輸出效率更高。而應(yīng)用于工程機(jī)械設(shè)計(jì)中變是利用對機(jī)械材料的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的精簡與調(diào)整等一系列措施進(jìn)行工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)，這是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的設(shè)計(jì)理念，是一項(xiàng)系統(tǒng)化的工程，該技術(shù)可以提高工程機(jī)械的工作效率、節(jié)省能耗、便于移動(dòng)與運(yùn)輸以及降低制造成本等，既能夠保證工程機(jī)械的使用性能，又能夠提高工作效率、節(jié)能減排，是我國目前工程機(jī)械設(shè)計(jì)所努力的方向。

1.2 輕量化設(shè)計(jì)的必要性

新中國成立以來，我國制造業(yè)的發(fā)展比較粗獷，尤其是工程機(jī)械的制造，設(shè)計(jì)理念落后，工程機(jī)械的材料利用率低下，造成整個(gè)機(jī)械十分笨重，而為了能夠驅(qū)動(dòng)龐大的機(jī)體、力臂等部件，又會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)，并且多用鋼鐵制造，易于受腐蝕等損害，對于施工環(huán)境比較復(fù)雜的情況往往難以勝任，機(jī)械操作效率低下。如果結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)理念，不但可以有效解決這個(gè)問題，還能夠提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的主要價(jià)值在于：（1）對原始材料消耗成本的降低。傳統(tǒng)工程機(jī)械通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以改進(jìn)各部件之間的配合方式，以更科學(xué)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)配合等操作，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡優(yōu)化，可以在很大程度上對制造成本進(jìn)行控制。（2）工程機(jī)械的工作往往需要較大功率來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用輕量化設(shè)計(jì)則可以使工程機(jī)械的工作性能提升，能耗大大降低，改變以往需要較大驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行工作的歷史，輕量化設(shè)計(jì)就是采用新材料、新技術(shù)，對工程機(jī)械產(chǎn)品的重量、動(dòng)力等方面進(jìn)行優(yōu)化，只要輸入一定的驅(qū)動(dòng)力就可以，在客觀層面起到控制能源消耗的作用，同時(shí)可以提高工作效率和質(zhì)量，改善產(chǎn)品性能。有研究表明，工程機(jī)械的能耗隨著機(jī)械重量每減少1%而降低1%，而廢氣等污染物排放量則相應(yīng)減少0.4%左右。

1.3 輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國近幾年輕量化技術(shù)概念的普及，以及我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的制定，學(xué)者、機(jī)構(gòu)、企業(yè)等在輕量化設(shè)計(jì)中投入原來越多的精力，輕量化技術(shù)應(yīng)用前景潛力十足，并且隨著我國復(fù)合材料、3D打印等技術(shù)越來越成熟，輕量化技術(shù)的發(fā)展前景也越來越廣闊。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，仍然有許多有問題的地方需要引起重視：（1）設(shè)計(jì)理念理解不透徹。目前，很多機(jī)構(gòu)或設(shè)計(jì)師對輕量化設(shè)計(jì)理念的理解有所偏差，該技術(shù)不是簡單的減輕重量，而是通過該技術(shù)對工程機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。目前，有很多產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)新模型與舊模型的相似度較大。產(chǎn)品輕量化效果不明顯。（2）缺乏核心技術(shù)。我國還在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的初期，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及核心技術(shù)均有待提高，沒有自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，很多設(shè)計(jì)均停留在模擬階段，由此造成目前生產(chǎn)了許多仿制品，缺乏對產(chǎn)品的創(chuàng)新能力，因此，要想發(fā)展輕量化技術(shù)，就要不斷探索新技術(shù)、新材料，不斷進(jìn)行創(chuàng)新。

1.4 輕量化技術(shù)的特點(diǎn)

輕量化技術(shù)的初始設(shè)計(jì)理念就是更輕盈、更易操控、更高的動(dòng)力輸出率等，在應(yīng)用到工程機(jī)械設(shè)計(jì)中后，體現(xiàn)出的特點(diǎn)有：（1）能耗降低，有研究表明，工程機(jī)械的機(jī)身重量每減少100公斤，機(jī)械的百公里油耗隨之減少0.6L/百公里，同時(shí)還能很大程度上提高產(chǎn)品的整體性能。同樣，汽車領(lǐng)域的相關(guān)研究表明，汽車重量每降低10%，油耗隨之降低7%左右，與此同時(shí)，汽車的輸出比功率升高，動(dòng)力輸出更強(qiáng)勁，效率更高。我國中聯(lián)重科研發(fā)的新型80nm碳纖維臂架混凝土泵車，通過使用碳纖維復(fù)合材料，成功的使泵車重量減少4成左右，油耗也相比之前降低了15%，機(jī)械運(yùn)行也更靈活，效率更高。（2）改進(jìn)方法相對簡單，輕量化技術(shù)不同于其他領(lǐng)域的研究，雖然輕量化設(shè)計(jì)涉及的領(lǐng)域比較多，例如，復(fù)合材料、機(jī)械設(shè)計(jì)、精密加工等，但是，輕量化的設(shè)計(jì)過程卻并不復(fù)雜，在原機(jī)械的基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)間的配合或零部件的材料等進(jìn)行優(yōu)化，就能大幅度減少能耗，提高效率。

2 工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 結(jié)構(gòu)裝配優(yōu)化設(shè)計(jì)

新中國成立以來，機(jī)械設(shè)計(jì)理念受前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)思想的影響，通常十分笨重，鋼鐵使用率高，不靈活，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案不合理，不僅工作效率低下，而且能耗十分巨大，因此，我們要優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，綜合利用高端制造技術(shù)，設(shè)計(jì)師應(yīng)積極探索和創(chuàng)新，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，無論是對機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、對機(jī)械冗余部件的精簡，還是對機(jī)械尺寸的優(yōu)化，均可以對工程機(jī)械的改進(jìn)有著促進(jìn)作用，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要促進(jìn)機(jī)械減排降重的同時(shí)，提高其工作性能、使用性能和操作質(zhì)量不能以犧牲工作性能換取其重量上的輕量化，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)利用模型或仿真分析等手段，對優(yōu)化后的機(jī)械進(jìn)行工況分析，以確保其真實(shí)使用效果。

2.2 仿真設(shè)計(jì)

工程機(jī)械設(shè)計(jì)往往設(shè)計(jì)多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，要想通過制造實(shí)物，或者通過某一個(gè)單一工具對設(shè)計(jì)效果進(jìn)行分析，往往是不太可能的，因此，為了減少設(shè)計(jì)難度，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少人為因素的影響，可以采用利用仿真技術(shù)對優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析，仿真技術(shù)可以在虛擬環(huán)境下對機(jī)械的設(shè)計(jì)、施工、裝配以及后續(xù)的操作等進(jìn)行模擬分析，通過仿真分析技術(shù)可以避免許多后期可能出現(xiàn)的問題，仿真分析得到的數(shù)據(jù)，可以不斷地為設(shè)計(jì)人員提供參考，設(shè)計(jì)人員可依據(jù)仿真結(jié)果不斷地進(jìn)行改進(jìn)和完善，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工作要求。

2.3 制造工藝的優(yōu)化

在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)模式推廣的初期，采用了輕量化設(shè)計(jì)模式，部分制造工藝滯后，很難實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械制造環(huán)節(jié)的輕化量化設(shè)計(jì)措施，應(yīng)積極探索新工藝，不斷吸收國外先進(jìn)技術(shù)，將輕量化技術(shù)與新興科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，借助新制造工藝?yán)鐭崽幚砑夹g(shù)、鎖錨鏈接技術(shù)、噴丸、加壓、滾壓、激光焊接以及攪拌摩擦焊接等技術(shù)，提高機(jī)械零部件的精密性、抗疲勞性和耐磨性，在實(shí)現(xiàn)器械減重的同時(shí)，提高零部件組織強(qiáng)度。以某起重機(jī)橋架為例，利用扁鋼和方鋼取代原來的四梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行焊接，使得起重機(jī)的整體質(zhì)量大大減少。

2.4 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

鋼材是機(jī)械制造中應(yīng)用最多的金屬材料，占據(jù)工程機(jī)械材料總量30%以上，因此工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的很大一方面在于優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)。近年來，鋼材料也在不斷探索和發(fā)展，高強(qiáng)度鋼已經(jīng)被越來越多的機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用起來，因此，在工程機(jī)械的設(shè)計(jì)中，也應(yīng)該考慮多采用高強(qiáng)度鋼，加大高強(qiáng)度鋼的研發(fā)力度。這樣，既提高了工程機(jī)械的性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也降低了設(shè)備自身質(zhì)量。國外已經(jīng)研制出1100MPa的高強(qiáng)度鋼，國內(nèi)也研發(fā)了460MPa、660MPa、960MPa等一系列高強(qiáng)度鋼，在起重機(jī)械以及挖掘機(jī)、裝載車等機(jī)械方面應(yīng)用廣泛，利用剛強(qiáng)度鋼代替原來的普通鋼，可以大大降低機(jī)械重量，同時(shí)提高其機(jī)械性能。

2.5 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料在航空業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，波音的夢想客機(jī)787，使用的復(fù)合材料占整架飛機(jī)重量的50%左右，正是由于復(fù)合材料有著比鋁材更輕的質(zhì)量和更出色的抗腐蝕和金屬疲勞等特性，可見復(fù)合材料的出色之處，而工程機(jī)械中，也可以依據(jù)產(chǎn)品的部件功能合理采用復(fù)合材料。玻璃纖維具有高強(qiáng)度、低拉伸的特性，常用于強(qiáng)力牽引件的制造，而玻璃鋼常用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩，有著更光滑平整的外觀和良好的減振降噪功能。

碳纖維具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、抗疲勞、抗腐蝕等優(yōu)異特性。在工程機(jī)械中，應(yīng)用碳纖維可以極大地降低工程機(jī)械的重量，并且碳纖維的強(qiáng)度是普通鋼材強(qiáng)度的10倍，因此，碳纖維的應(yīng)用前景十分廣闊，例如，目前部分挖掘機(jī)的鏟斗使用的就是碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，不僅重量大大減輕，鏟斗也不易沾土，工作效率更高。

3 結(jié)語

輕量化設(shè)計(jì)不僅是工程機(jī)械設(shè)計(jì)在不斷追求和探索的領(lǐng)域，其他制造業(yè)也都在積極地利用這種技術(shù)發(fā)展各自的產(chǎn)品，輕量化是未來生產(chǎn)制造的趨勢，是提高產(chǎn)品功能性、經(jīng)濟(jì)型、可靠性的重要手段。我國對該技術(shù)的探索仍落后于西方國家，科研單位以及企業(yè)研發(fā)單位，必須重視該技術(shù)的發(fā)展，把握好工程機(jī)械的發(fā)展方向，不斷優(yōu)化改進(jìn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)，推動(dòng)我國制造業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。