工程機械設計中輕量化技術的應用

何秀軍

摘要： 目前，工程機械設計過程中使用的安全系數(shù)過高，使得工程機械本身體積龐大，運輸不便。在超大型、重型工業(yè)機械的背景下，工業(yè)機械的輕量化設計對工程設計的發(fā)展有著積極的影響。輕量化技術是輕量化設計、輕量化材料和輕量化制造技術的綜合應用。在產(chǎn)品設計過程中，要注意產(chǎn)品設計的輕量化要求。輕量化技術是一種系統(tǒng)技術。輕量化設計的最終目標是優(yōu)化產(chǎn)品重量、性能和成本。

Abstract： At present， the safety factor used in the design process of construction machinery is too high， which makes the construction machinery itself bulky and inconvenient to transport. In the context of super large and heavy industrial machinery， the lightweight design of industrial machinery has a positive impact on the development of engineering design. Lightweight technology is a comprehensive application of lightweight design， lightweight materials and lightweight manufacturing technology. In the process of product design， attention should be paid to the lightweight requirements of product design. Lightweight technology is a system technology. The ultimate goal of lightweight design is to optimize product weight， performance and cost.

關鍵詞： 機械設計;工程機械;輕量化;設計研究

Key words： mechanical design;construction machinery;lightweight;design research

中圖分類號：F416.44? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0035-02

0? 引言

輕型工程機械技術是指通過材料、制造工藝和結構參數(shù)來優(yōu)化工程機械設計。輕型工程機械技術可以通過優(yōu)化材料，改進制造工藝和調(diào)整結構參數(shù)來減輕工程機械的總重量?？梢栽谥圃爝^程中降低機械設備的成本，提高性能，并有效地節(jié)省能源和減少污染。

1? 工程機械輕量化的概念與意義

1.1 工程機械輕量化的基本概念? 減輕重量的概念起源于賽車運動，旨在實現(xiàn)減輕重量?？梢允共倏匦愿茫l(fā)動機輸出的動力，使得加速度更高。減輕重量應基于結構優(yōu)化，材料優(yōu)化，技術多樣化以及跨學科的觀點。雖然我國的工程機械產(chǎn)品和技術近年來取得了長足的進步，但是與世界上先進的工程機械企業(yè)相比，還存在一定的差距。輕量化設計是一項系統(tǒng)工程，其最終目標是充分優(yōu)化質(zhì)量、性能和成本。在確保設備性能的前提下，如何設計輕巧，低功耗的設備。另外，日本工程機械制造技術當前面臨的問題是安全性和可靠性。

1.2 我國產(chǎn)品輕量化技術現(xiàn)狀? 中國的產(chǎn)品是從模仿前蘇聯(lián)的產(chǎn)品開始的。鋼結構設計理論保守，過分強調(diào)安全系數(shù)，導致安全系數(shù)高、結構重、構件重、性能差。長期以來，設計周期長。可用的選項很少，沒有合理的指標，很難得到一個優(yōu)化的、有價值的解決方案。企業(yè)自主研發(fā)創(chuàng)新能力薄弱。工程機械主要以輪廓設計為主，缺乏實驗數(shù)據(jù)支持。

1.3 輕量化的優(yōu)勢? 輕型工程機械最明顯特征是減少了鋼材消耗。同時也減少了這些鋼鐵產(chǎn)品的二氧化碳排放量，以及鋼鐵加工、運輸、裝載、卸載和安裝的能源消耗;減少了運行期間的能耗和廢氣，降低了運行噪音，并提高了整個機器的材料利用率。較輕的工程機械可改善起重機機械的動態(tài)性能，減少工作過程中的驅(qū)動、接觸和摩擦，減少驅(qū)動部件所需的能量，并延長機械和支撐架的使用壽命。輕量化技術的應用具有很大的市場價值。工程機械產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家可以通過提高產(chǎn)品性能，增加公司利潤。以塔式起重機為例，2009年的產(chǎn)量為25，000臺，平均每單位鋼耗為40噸，比國外產(chǎn)品增長10%。僅使用鋼和塔式起重機每年將花費5億元人民幣。增加空間。因此，普通機械零件每減少1%的重量，就可以節(jié)省1%的能源和0.4%的排放。每減少1%的運動部件，就可以節(jié)省2%的能源和1%的排放。每年，我們實現(xiàn)并節(jié)省總運行能量中：能源消耗減少了15%，排放減少了5%。

1.4 我國工程機械產(chǎn)品輕量化有著一定的潛力? 雖然2008年的金融危機對我國的經(jīng)濟發(fā)展有著一定的影響，但是對于工程機械行業(yè)來說，我國工程機械產(chǎn)品種類繁多，暢銷多個國家和地區(qū)，成為全球工程機械產(chǎn)品最暢銷的國家。汽車輕量化成為大勢所趨，對于汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。同樣，工程機械輕量化的設計和發(fā)展也將成為一種普遍趨勢。我國的工程機械行業(yè)經(jīng)歷了從無到有，以及從有到優(yōu)的過程，工程機械產(chǎn)品輕量化的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義，同時也具有一定的潛力。

1.5 輕量化技術面臨的難點問題? 設計周期的不斷壓縮，給設計師帶來了大量的設計工作，讓設計師精疲力竭，而且設計師忙于特定任務，很少有時間學習輕量級理論或高級軟件。因此，輕量化技術的許多不確定性使定量研究變得困難。

2? 輕量化工程機械技術內(nèi)容

2.1 結構和材料優(yōu)化

2.1.1 應用相關設計軟件? 根據(jù)安全性、結構強度、疲勞壽命等性能要求，采用理論計算方法、有限元設計方法、數(shù)值優(yōu)化方法、多目標優(yōu)化方法和相關設計軟件進行優(yōu)化。

2.1.2 創(chuàng)新機械方法的使用? 零件數(shù)量減少，結構緊湊。創(chuàng)新機制的設計包括原機制的創(chuàng)新和新機制的設計理念。如圖1所示。

2.1.3 實現(xiàn)多種輕量化材料的匹配? 用對材料，用對零件，先用常用材料減輕重量，再逐步用輕質(zhì)、高強度材料代替結構件。

2.2 設計與仿真技術的改進? 從整體設計系統(tǒng)的角度來看，集成產(chǎn)品設計軟件僅限于特定的單元系統(tǒng)應用，如典型的工程機械產(chǎn)品原理圖設計、計算軟件開發(fā)、產(chǎn)品配件選型軟件開發(fā)、產(chǎn)品參數(shù)設計軟件等。支持 3D CAD 軟件產(chǎn)品的設計，并建立 3D模型和2D圖紙的關聯(lián)和集成。學習有限元軟件的細節(jié)和應用，建立參數(shù)化有限元模型，實現(xiàn)CAD與CAE模型的關聯(lián)與集成。建立詳細的產(chǎn)品設計和仿真驗證規(guī)范，嚴格執(zhí)行，并在執(zhí)行過程中不斷進行變更和改進。

2.3 加大科研投入，實現(xiàn)工程機械輕量化? 實現(xiàn)工程機械輕量化是一個長期積累、逐步完善的過程。想要實現(xiàn)工程機械輕量化，不僅需要投入大量的資金成本，還需要加大科研投入，打造具備一定創(chuàng)新能力的科研團隊。設計團隊需要具備穩(wěn)定性和凝聚力，通過不斷的實驗和創(chuàng)新，成功積累經(jīng)驗，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設定參數(shù)，徹底使用先進的數(shù)字設計技術和軟件工具來改進設計的迭代周期。

3? 工程機械中輕量化設計方法研究

工程機械駕駛室主要包括平地機、壓路機、挖掘機、堆高機、起重機等各類帶駕駛室的土方施工機械。

3.1 輕量化材料的應用

3.1.1 高強度鋼的分類和定義? 對于高強度剛的分類和定義，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的定義/分類方法，一般按照強度劃分或按照強化機理劃分。屈服強度小于210MPa的鋼稱為低碳鋼，屈服強度為210至550MPa的鋼稱為高強度鋼。屈服強度為550MPa或更高的鋼稱為超高強度鋼。高強度鋼相對便宜，具有高結構強度，具有優(yōu)異的沖擊能量吸收和抗疲勞性，并且具有優(yōu)異的沖壓成形性、可焊接性和可涂漆性。關鍵是通過啟用現(xiàn)有工程機械生產(chǎn)線來節(jié)省資本投資。因此，在現(xiàn)階段，高強度鋼是減輕工程機械駕駛室重量的好材料。

3.1.2 鋁合金材料? 鋁合金材料的密度是鋼的三分之一，能量吸收是鋼的兩倍，在碰撞安全方面具有明顯的優(yōu)勢。鋁具有出色的可回收性和耐腐蝕性。這是最常見的輕金屬材料。盡管其彈性模量低，但是具有良好的擠壓性，可以補充結構的剛性。剛度和強度相稱的機械性能可以顯著降低材料消耗和提高部件質(zhì)量，減輕工程機械重量，并增加整體車輛燃料消耗。由于上述鋁合金的優(yōu)良特性，在1970年代的石油危機之后，歐美等主要汽車國家采用鋁合金作為量產(chǎn)車，并開始采用鋁合金加工和裝配技術。同樣，用于工程機械駕駛室的鋁合金材料也開始廣泛用于輕量化研究中。

3.1.3 聚合物和復合材料? 現(xiàn)代工程機械材料大量使用非金屬材料，節(jié)約資源，滿足輕質(zhì)、耐腐蝕、成本低、外形美觀的要求。目前，工程塑料和復合材料是主要產(chǎn)品。汽車工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS、PA等。工程塑料具有密度低、易成型、耐腐蝕、抗沖擊、隔音、隔熱、外觀和手感等優(yōu)良性能。沒有金屬鋼板。因此，工程塑料被廣泛使用。復合材料是由兩種或兩種以上物理化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的多晶固體材料，通常是增強材料和基體材料的復合材料。增強材料主要包括玻璃纖維、碳纖維和高分子材料。與金屬材料相比，復合材料具有防銹、隔熱、隔音、低密度、高強度、高抗疲勞等諸多無可比擬的優(yōu)勢。高強度有機纖維增強復合材料機械強度高，可替代鋼材，減輕工程機械駕駛室本身的重量。碳纖維增強復合材料可以替代板簧和懸架系統(tǒng)。

3.2 輕量化制造工藝

3.2.1 激光定制焊接毛坯? 定制焊接坯料（TWB）可以通過組合不同材料、不同厚度、不同強度和不同表面涂層的板材來集成。通過減少零件數(shù)量、使鋼制零件更薄以及去除點焊法蘭來實現(xiàn)輕量化。

3.2.2 熱沖壓成型工藝? 熱沖壓工藝是將高強度鋼板加熱至奧氏體化狀態(tài)，并迅速轉移到模具中進行沖壓。為確保壓力恒定，模具內(nèi)部以27°C/s或更高的冷卻速度快速冷卻。保持壓力后，淬火一定時間。液壓成型工藝使用液態(tài)水和油作為傳力介質(zhì)，而不是使用剛性凹凸模具。在傳力介質(zhì)的壓力下，毛坯的凸凹部分貼合在一起。液壓成型工藝的特點是模具制作簡單、周期短、產(chǎn)品幾何尺寸大、管板加工尺寸準確。液壓成型工藝特別適用于可變形的高強度材料，可作為使用輕質(zhì)材料（高強度鋼、鋁合金、復合材料等）時的重要支撐。液壓成型工藝通常包括預成型、成型和校準，可用于閥座和管道成型。薄壁液壓成形技術適用于需要深沖的復雜工件和凹槽很少的大型工件。由于預成型會產(chǎn)生材料所需的預應力，因此可以在不改變抗沖擊性的情況下通過減小外板的壁厚來減輕重量。管材液壓成型工藝是指在內(nèi)外水壓的作用下，形成適合內(nèi)芯棒的管坯。這種工藝可以提高管子內(nèi)外表面的精度，也可以用來連接兩部分。

3.2.3 鋁合金壓鑄新技術? 鋁合金的加工方法包括鑄造、壓鑄、軋制、擠壓和沖壓。在常規(guī)壓鑄中，熔融金屬在高壓下以5～50m/s的高速注入型腔，型腔內(nèi)的氣體很難排出，因此需要將其壓縮并注入型腔?？赡軙霈F(xiàn)孔洞、變形等表面缺陷。隨著鋁合金在工程機械中的廣泛應用，工程師們開發(fā)出了沖壓壓鑄、針孔壓鑄、無孔壓鑄等一系列鋁合金壓鑄新工藝。特別是，在壓鑄過程中注入型腔的熔融金屬與氧氣反應形成壓鑄過程。零件上沒有氣孔或熱處理。因為采用鋁材，所以壁薄，減重效果也不錯。

4? 結論

本文以工程機械駕駛室為例，從輕量化材料和輕量化技術兩個方面介紹輕量化技術在工程機械設計中的應用。同時，工程機械輕量化設計過程一方面需要注重對制造過程的綜合評價，另一方面需要對技術進行分析和測試。需要進行大量實驗才能繼續(xù)朝著成熟的方向開發(fā)輕量級技術。

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