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

李勛 馮景龍

【摘 ?要】工程機(jī)械廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、建筑、農(nóng)田水利等領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)整體生產(chǎn)力的提高具有重要意義。輕量化已成為包括工程機(jī)械在內(nèi)的制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的工程機(jī)械企業(yè)將開發(fā)節(jié)能環(huán)保的綠色工程機(jī)械作為核心發(fā)展戰(zhàn)略之一。在此基礎(chǔ)上，論述了輕量化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方式，希望能保證工程機(jī)械產(chǎn)品的使用安全、穩(wěn)定運(yùn)行，工程機(jī)械性能的質(zhì)量得到全面提高。

【關(guān)鍵詞】工程機(jī)械;設(shè)計(jì);輕量化技術(shù)

工程機(jī)械由于應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，需要具有較大的驅(qū)動(dòng)力和承重性能，因此其體積和重量是普通機(jī)械的兩倍甚至是十倍，但是這也造成了材料和能源的消耗。輕量化技術(shù)是指通過(guò)改善機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制定、材料選擇等途徑減少工程機(jī)械重量的技術(shù)和方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低制造成本、提高機(jī)械效率、節(jié)約能源的目標(biāo)。由于我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)起步較晚，輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)還過(guò)于保守，在設(shè)計(jì)階段一般選用較大的安全系數(shù)，不夠重視輕量化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，導(dǎo)致我國(guó)工程機(jī)械國(guó)際市場(chǎng)占有率較低、競(jìng)爭(zhēng)力不足。因此在這種背景下，更應(yīng)該將輕量化技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)階段。

1 工程機(jī)械輕量化技術(shù)的概念及應(yīng)用現(xiàn)狀

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。產(chǎn)品設(shè)計(jì)費(fèi)用僅占產(chǎn)品總成本的5%，卻決定了產(chǎn)品成本的70～90%。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)輕量化的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。輕量化技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程。輕量化的最終目標(biāo)是重量、性能、成本和配套（也包括尺寸的減?。┑纫蛩氐木C合優(yōu)化。

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。

2 實(shí)施工程機(jī)械輕量化的難點(diǎn)問題

設(shè)計(jì)周期不斷壓縮，工作量巨大，設(shè)計(jì)師疲于奔命，無(wú)暇輕量化。新產(chǎn)品即要求高的一次研發(fā)成功率，設(shè)計(jì)師承擔(dān)巨大的壓力，不敢輕量化。設(shè)計(jì)師忙于具體工作，輕量化理論和先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)十分缺乏，不會(huì)輕量化。輕量化技術(shù)中存在大量不確定的因素，定量難度大。高校和科研院所著重于輕量化的理論研究，技術(shù)轉(zhuǎn)化難度很大。

3 工程機(jī)械對(duì)于輕量化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于輕量化技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，主要是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化的過(guò)程，從而增強(qiáng)工程機(jī)械零件的輕量化程度，并增強(qiáng)其整體化。工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用輕量化技術(shù)，需要對(duì)工程機(jī)械系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)，并通過(guò)多種畫圖技術(shù)來(lái)進(jìn)行工程機(jī)械零件配置和板材厚度的變化情況分析，同時(shí)也進(jìn)行各項(xiàng)干涉內(nèi)容的分析過(guò)程。除此之外，也可以通過(guò)對(duì)零件形狀的優(yōu)化過(guò)程來(lái)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行降低，在這個(gè)過(guò)程中運(yùn)用輕量化技術(shù)，主要是對(duì)其峰值進(jìn)行降低，從而使其受到的應(yīng)力作用能夠分布的更加均勻。通過(guò)在成熟高負(fù)荷的部分進(jìn)行材料的貯存，以及將承受低負(fù)荷部分的材料去除掉，來(lái)時(shí)的工程機(jī)械零部件的形狀，能夠有效的避開應(yīng)力作用的高峰部分，從而提升應(yīng)力分布的均勻性。這種對(duì)于工程機(jī)械零部件外形進(jìn)行優(yōu)化的方式，主要是以生物學(xué)中的增長(zhǎng)規(guī)律內(nèi)容為基礎(chǔ)，不但能夠減少工程機(jī)械零部件的重量，同時(shí)也能夠規(guī)避掉局部應(yīng)力過(guò)高的情況出現(xiàn)。

3.2 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(guó)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(lái)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。

3.3 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。

4 輕量化技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)環(huán)保、安全、節(jié)能方面的要求不斷提高，出臺(tái)了一系列的法規(guī)和實(shí)施方案。為此，工程機(jī)械制造廠家和研究機(jī)構(gòu)都致力于研究輕量化技術(shù)，從技術(shù)、成本角度分析和改善工程機(jī)械材料和工藝，探索應(yīng)用新材料、新工藝的可行性。同時(shí)，加快輕量化的設(shè)計(jì)和應(yīng)用對(duì)提升我國(guó)工程機(jī)械整體水平、行業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、振興民族工業(yè)都具有非常深遠(yuǎn)的意義。現(xiàn)階段，工程機(jī)械小型化和輕量化是近、中期工程機(jī)械排放目標(biāo)控制的基礎(chǔ)，工程機(jī)械輕量化成為新技術(shù)開發(fā)的重要課題，從可持續(xù)發(fā)展要求出發(fā)，研究和評(píng)估工程機(jī)械輕量化技術(shù)成為重要方向。

5 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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作者簡(jiǎn)介：

李勛（1989-11-），男，漢族，山東濟(jì)寧人，本科學(xué)歷，助理工程師，小松山推工程機(jī)械有限公司，研究方向：工程機(jī)械制造。

馮景龍（1983-12），男，漢族，山東魚臺(tái)人，本科學(xué)歷，助理工程師，小松山推工程機(jī)械有限公司，研究方向：工程機(jī)械制造。