車麒麟　李宗義

摘 要：輕量化設計對于工程機械的快速發(fā)展起著重要的推動作用?；诖?，下文介紹了輕量化的概念以及在工程機械領域的應用現(xiàn)狀，對實現(xiàn)工程機械輕量化設計的主要技術(shù)途徑進行了敘述，并且以裝載機為例對如何實現(xiàn)其主要部件的輕量化設計進行了詳細闡述，希望對相關(guān)人員提供幫助。

關(guān)鍵詞：工程機械；輕量化設計；實例分析

引言

為了實現(xiàn)工程機械輕量化的研發(fā)目標，在安全可靠和成本預算指標的前提下，運用輕量化的設計方法，可以大幅度提升工程機械的動力性、經(jīng)濟性以及安全可靠性，同時還可以降低產(chǎn)品原材料和能源的消耗，從而減少對環(huán)境的污染問題。因此，輕量化設計在工程機械中的應用，可以推動我國從機械大國向機械強國的轉(zhuǎn)變。

1輕量化技術(shù)的基本概念

輕量化技術(shù)是輕量化設計、輕量化材料和輕量化制造技術(shù)的集成應用，其是指通過材料優(yōu)選、改善制造工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)等途徑來減輕工程機械主要部件以及整機的質(zhì)量，從而實現(xiàn)降低制造和使用的成本、節(jié)能減排等綜合目標的技術(shù)。由于我國工程機械設計理論相對保守，在設計時所取的安全系數(shù)比較大，導致結(jié)構(gòu)本身的重量也比較大，從而增加了企業(yè)的制造和運輸成本以及用戶的使用成本，不能有效利用資源和保持企業(yè)競爭力，因此在這種背景下，對于輕量化設計在工程機械中的應用就顯得尤為重要了。

2工程機械輕量化的應用現(xiàn)狀

目前，我國機械產(chǎn)品從研發(fā)到設計對新材料以及新工藝的應用不夠廣泛，仍然是對國外工程機械產(chǎn)品進行測繪或者直接引進，同發(fā)達國家先進制造業(yè)水平相比存在著一定的距離。由于我國對工程機械的輕量化設計的研究還處于起步階段，缺乏在工程項目中的實踐應用。因此，對于工程機械的輕量化設計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)過程中的能耗，從而在提高機械動力性、降低摩擦力、驅(qū)動力以及接觸力、減少驅(qū)動部件的驅(qū)動能量方面起到明顯的效果，進而提高工程機械產(chǎn)品及其部件的使用壽命；還可以在保證部件剛度、強度以及耐疲勞性能的前提下促進新材料的研發(fā)應用，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、運輸以及安裝所帶來的能源消耗，從而加快我國從機械大國走向機械強國的步伐。

3工程機械輕量化設計的主要途徑

3.1基于材料的輕量化設計

對于材料的輕量化設計，在材料的選取上，使用用高強度的鋼材、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減輕工程機械的重量，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的鋁基復合，采用這種材料制作的連桿重量比原來用鋼材制作的連桿減少了30%，同時又在克服了普通鋁合金材料強度低于鋼材的同時，保留了質(zhì)輕的特點，連桿裝入1.2L的汽油機，可實現(xiàn)節(jié)油5%。另外，基于材料的輕量化設計還可以針對工程機械不同零件來選用不同強度的材料，從而實現(xiàn)工程機械整機的輕量化。

3.2基于結(jié)構(gòu)的輕量化設計

基于結(jié)構(gòu)的輕量設計是通過改變結(jié)構(gòu)形狀減少各個零部件的使用量，從而達到工程機械輕量化設計的目的。此方法在不改變各項要求的前提下，可以通過對原始材料的使用來減輕機械重量，具有成本低、性價比高的特點。同時，在工程機械中基于結(jié)構(gòu)設計的輕量化通常分為四種優(yōu)化類型，即尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，如圖1所示。其中，尺寸優(yōu)化通常不會改變原本的拓撲結(jié)構(gòu)和形狀；形貌優(yōu)化的過程一般是在已經(jīng)有的薄板上尋找最佳的凸臺分布方案，從而提升結(jié)構(gòu)的強度和剛度；形狀優(yōu)化的對象大多是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞形狀；拓撲優(yōu)化大多是以材料均勻分布的設計空間為優(yōu)化對象，通過優(yōu)化計算去除多余的材料，從而得出用料最少方案。

3.3基于制造工藝的輕量化設計

基于制造工藝的輕量化設計包括激光焊接、攪拌摩擦焊、新的熱處理工藝、鎖錨連接以及真空或者增壓技術(shù)等，此方法對生產(chǎn)設備以及技術(shù)的要求和成本要求比較高。比如，國外某企業(yè)生產(chǎn)的大型挖掘機箱體、裝載機車架結(jié)構(gòu)使用900～1600MPa高強鋼，采用先進磨具技術(shù)和成型工藝之后，獲得的新結(jié)構(gòu)件比原來的厚度減少40%～50%，等同于重量降低40%～50%，同時提高了強度和可靠性。

4工程機械中輕量化設計的實例

由于裝載機是我國工程機械領域中生產(chǎn)規(guī)模最大的產(chǎn)品，其主要的用途是鏟裝、卸運石料一類的散裝物料，而輕量化技術(shù)在裝載機的各種重要零部件優(yōu)化設計方面取得了不少的研究成果。首先，作為裝載機的重要零件之一的驅(qū)動橋殼，在裝載過程中既要承受載荷又要傳遞動力，因此，通過采用有限元方法對輪式裝載機的驅(qū)動橋殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模態(tài)分析，使橋殼的厚度由15mm降至12mm，重量可減輕4.65kg；其次，變速器在裝載機傳動系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，通過有限元分析法對裝載機變速器箱體進行輕量化設計，在保證變速器箱體強度的前提下，使得變速器箱體壁厚減少了2mm，變速箱重量減輕10%；最后，發(fā)動機機罩是裝載機的主要覆蓋件之一，通過在輪式裝載機機罩和工作裝置優(yōu)化過程中融入拓撲優(yōu)化、子結(jié)構(gòu)和虛擬樣機技術(shù)，實現(xiàn)了裝載機機罩的輕量化和工作裝置的優(yōu)化。

結(jié)束語

總而言之，輕量化不僅可以降低工程機械的自重，減少其能源消耗，還可以幫助工程機械實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化，從而增強企業(yè)市場的競爭力。同時，隨著科學技術(shù)和制造工藝的迅猛發(fā)展，輕量化已經(jīng)成為了我國制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1]林炎炎，徐婷，許偉，汪路路，譚業(yè)發(fā).輕量化技術(shù)在工程機械研發(fā)中的應用[J].機械工程與自動化，2015（05）：221-223.

[2]王月云.工程機械輕量化方法與設計研究[J].中國金屬通報，2017（05）：79-80.

[3]江紹龍，陳琳.工程機械輕量化現(xiàn)狀及技術(shù)途徑[J].南方農(nóng)機，2015，46（12）：72.