何秀軍

摘要： 目前，工程機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的安全系數(shù)過(guò)高，使得工程機(jī)械本身體積龐大，運(yùn)輸不便。在超大型、重型工業(yè)機(jī)械的背景下，工業(yè)機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展有著積極的影響。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)的綜合應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輕量化要求。輕量化技術(shù)是一種系統(tǒng)技術(shù)。輕量化設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)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(guān)鍵詞： 機(jī)械設(shè)計(jì);工程機(jī)械;輕量化;設(shè)計(jì)研究

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

中圖分類號(hào)：F416.44? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0035-02

0? 引言

輕型工程機(jī)械技術(shù)是指通過(guò)材料、制造工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)優(yōu)化工程機(jī)械設(shè)計(jì)。輕型工程機(jī)械技術(shù)可以通過(guò)優(yōu)化材料，改進(jìn)制造工藝和調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)減輕工程機(jī)械的總重量?？梢栽谥圃爝^(guò)程中降低機(jī)械設(shè)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(jī)械輕量化的概念與意義

1.1 工程機(jī)械輕量化的基本概念? 減輕重量的概念起源于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)，旨在實(shí)現(xiàn)減輕重量。可以使操控性更好，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力，使得加速度更高。減輕重量應(yīng)基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料優(yōu)化，技術(shù)多樣化以及跨學(xué)科的觀點(diǎn)。雖然我國(guó)的工程機(jī)械產(chǎn)品和技術(shù)近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與世界上先進(jìn)的工程機(jī)械企業(yè)相比，還存在一定的差距。輕量化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其最終目標(biāo)是充分優(yōu)化質(zhì)量、性能和成本。在確保設(shè)備性能的前提下，如何設(shè)計(jì)輕巧，低功耗的設(shè)備。另外，日本工程機(jī)械制造技術(shù)當(dāng)前面臨的問(wèn)題是安全性和可靠性。

1.2 我國(guó)產(chǎn)品輕量化技術(shù)現(xiàn)狀? 中國(guó)的產(chǎn)品是從模仿前蘇聯(lián)的產(chǎn)品開(kāi)始的。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論保守，過(guò)分強(qiáng)調(diào)安全系數(shù)，導(dǎo)致安全系數(shù)高、結(jié)構(gòu)重、構(gòu)件重、性能差。長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)?？捎玫倪x項(xiàng)很少，沒(méi)有合理的指標(biāo)，很難得到一個(gè)優(yōu)化的、有價(jià)值的解決方案。企業(yè)自主研發(fā)創(chuàng)新能力薄弱。工程機(jī)械主要以輪廓設(shè)計(jì)為主，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1.3 輕量化的優(yōu)勢(shì)? 輕型工程機(jī)械最明顯特征是減少了鋼材消耗。同時(shí)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(yùn)輸、裝載、卸載和安裝的能源消耗;減少了運(yùn)行期間的能耗和廢氣，降低了運(yùn)行噪音，并提高了整個(gè)機(jī)器的材料利用率。較輕的工程機(jī)械可改善起重機(jī)機(jī)械的動(dòng)態(tài)性能，減少工作過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)、接觸和摩擦，減少驅(qū)動(dòng)部件所需的能量，并延長(zhǎng)機(jī)械和支撐架的使用壽命。輕量化技術(shù)的應(yīng)用具有很大的市場(chǎng)價(jià)值。工程機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家可以通過(guò)提高產(chǎn)品性能，增加公司利潤(rùn)。以塔式起重機(jī)為例，2009年的產(chǎn)量為25，000臺(tái)，平均每單位鋼耗為40噸，比國(guó)外產(chǎn)品增長(zhǎng)10%。僅使用鋼和塔式起重機(jī)每年將花費(fèi)5億元人民幣。增加空間。因此，普通機(jī)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(yùn)動(dòng)部件，就可以節(jié)省2%的能源和1%的排放。每年，我們實(shí)現(xiàn)并節(jié)省總運(yùn)行能量中：能源消耗減少了15%，排放減少了5%。

1.4 我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品輕量化有著一定的潛力? 雖然2008年的金融危機(jī)對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著一定的影響，但是對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)來(lái)說(shuō)，我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品種類繁多，暢銷(xiāo)多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，成為全球工程機(jī)械產(chǎn)品最暢銷(xiāo)的國(guó)家。汽車(chē)輕量化成為大勢(shì)所趨，對(duì)于汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。同樣，工程機(jī)械輕量化的設(shè)計(jì)和發(fā)展也將成為一種普遍趨勢(shì)。我國(guó)的工程機(jī)械行業(yè)經(jīng)歷了從無(wú)到有，以及從有到優(yōu)的過(guò)程，工程機(jī)械產(chǎn)品輕量化的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也具有一定的潛力。

1.5 輕量化技術(shù)面臨的難點(diǎn)問(wèn)題? 設(shè)計(jì)周期的不斷壓縮，給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了大量的設(shè)計(jì)工作，讓設(shè)計(jì)師精疲力竭，而且設(shè)計(jì)師忙于特定任務(wù)，很少有時(shí)間學(xué)習(xí)輕量級(jí)理論或高級(jí)軟件。因此，輕量化技術(shù)的許多不確定性使定量研究變得困難。

2? 輕量化工程機(jī)械技術(shù)內(nèi)容

2.1 結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化

2.1.1 應(yīng)用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件? 根據(jù)安全性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞壽命等性能要求，采用理論計(jì)算方法、有限元設(shè)計(jì)方法、數(shù)值優(yōu)化方法、多目標(biāo)優(yōu)化方法和相關(guān)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.2 創(chuàng)新機(jī)械方法的使用? 零件數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)緊湊。創(chuàng)新機(jī)制的設(shè)計(jì)包括原機(jī)制的創(chuàng)新和新機(jī)制的設(shè)計(jì)理念。如圖1所示。

2.1.3 實(shí)現(xiàn)多種輕量化材料的匹配? 用對(duì)材料，用對(duì)零件，先用常用材料減輕重量，再逐步用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料代替結(jié)構(gòu)件。

2.2 設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)的改進(jìn)? 從整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的角度來(lái)看，集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件僅限于特定的單元系統(tǒng)應(yīng)用，如典型的工程機(jī)械產(chǎn)品原理圖設(shè)計(jì)、計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品配件選型軟件開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計(jì)軟件等。支持 3D CAD 軟件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并建立 3D模型和2D圖紙的關(guān)聯(lián)和集成。學(xué)習(xí)有限元軟件的細(xì)節(jié)和應(yīng)用，建立參數(shù)化有限元模型，實(shí)現(xiàn)CAD與CAE模型的關(guān)聯(lián)與集成。建立詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行，并在執(zhí)行過(guò)程中不斷進(jìn)行變更和改進(jìn)。

2.3 加大科研投入，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化? 實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化是一個(gè)長(zhǎng)期積累、逐步完善的過(guò)程。想要實(shí)現(xiàn)工程機(jī)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(tuán)隊(duì)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要具備穩(wěn)定性和凝聚力，通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，成功積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定參數(shù)，徹底使用先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件工具來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)的迭代周期。

3? 工程機(jī)械中輕量化設(shè)計(jì)方法研究

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

3.1 輕量化材料的應(yīng)用

3.1.1 高強(qiáng)度鋼的分類和定義? 對(duì)于高強(qiáng)度剛的分類和定義，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的定義/分類方法，一般按照強(qiáng)度劃分或按照強(qiáng)化機(jī)理劃分。屈服強(qiáng)度小于210MPa的鋼稱為低碳鋼，屈服強(qiáng)度為210至550MPa的鋼稱為高強(qiáng)度鋼。屈服強(qiáng)度為550MPa或更高的鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼相對(duì)便宜，具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guān)鍵是通過(guò)啟用現(xiàn)有工程機(jī)械生產(chǎn)線來(lái)節(jié)省資本投資。因此，在現(xiàn)階段，高強(qiáng)度鋼是減輕工程機(jī)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(shì)。鋁具有出色的可回收性和耐腐蝕性。這是最常見(jiàn)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(bǔ)充結(jié)構(gòu)的剛性。剛度和強(qiáng)度相稱的機(jī)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(jī)械重量，并增加整體車(chē)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(jī)之后，歐美等主要汽車(chē)國(guó)家采用鋁合金作為量產(chǎn)車(chē)，并開(kāi)始采用鋁合金加工和裝配技術(shù)。同樣，用于工程機(jī)械駕駛室的鋁合金材料也開(kāi)始廣泛用于輕量化研究中。

3.1.3 聚合物和復(fù)合材料? 現(xiàn)代工程機(jī)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(fù)合材料是主要產(chǎn)品。汽車(chē)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(méi)有金屬鋼板。因此，工程塑料被廣泛使用。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的多晶固體材料，通常是增強(qiáng)材料和基體材料的復(fù)合材料。增強(qiáng)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(fù)合材料具有防銹、隔熱、隔音、低密度、高強(qiáng)度、高抗疲勞等諸多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。高強(qiáng)度有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度高，可替代鋼材，減輕工程機(jī)械駕駛室本身的重量。碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(guò)組合不同材料、不同厚度、不同強(qiáng)度和不同表面涂層的板材來(lái)集成。通過(guò)減少零件數(shù)量、使鋼制零件更薄以及去除點(diǎn)焊法蘭來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。

3.2.2 熱沖壓成型工藝? 熱沖壓工藝是將高強(qiáng)度鋼板加熱至奧氏體化狀態(tài)，并迅速轉(zhuǎn)移到模具中進(jìn)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(shí)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(diǎn)是模具制作簡(jiǎn)單、周期短、產(chǎn)品幾何尺寸大、管板加工尺寸準(zhǔn)確。液壓成型工藝特別適用于可變形的高強(qiáng)度材料，可作為使用輕質(zhì)材料（高強(qiáng)度鋼、鋁合金、復(fù)合材料等）時(shí)的重要支撐。液壓成型工藝通常包括預(yù)成型、成型和校準(zhǔn)，可用于閥座和管道成型。薄壁液壓成形技術(shù)適用于需要深沖的復(fù)雜工件和凹槽很少的大型工件。由于預(yù)成型會(huì)產(chǎn)生材料所需的預(yù)應(yīng)力，因此可以在不改變抗沖擊性的情況下通過(guò)減小外板的壁厚來(lái)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(lái)連接兩部分。

3.2.3 鋁合金壓鑄新技術(shù)? 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?huì)出現(xiàn)孔洞、變形等表面缺陷。隨著鋁合金在工程機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，工程師們開(kāi)發(fā)出了沖壓壓鑄、針孔壓鑄、無(wú)孔壓鑄等一系列鋁合金壓鑄新工藝。特別是，在壓鑄過(guò)程中注入型腔的熔融金屬與氧氣反應(yīng)形成壓鑄過(guò)程。零件上沒(méi)有氣孔或熱處理。因?yàn)椴捎娩X材，所以壁薄，減重效果也不錯(cuò)。

4? 結(jié)論

本文以工程機(jī)械駕駛室為例，從輕量化材料和輕量化技術(shù)兩個(gè)方面介紹輕量化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。同時(shí)，工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程一方面需要注重對(duì)制造過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)，另一方面需要對(duì)技術(shù)進(jìn)行分析和測(cè)試。需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)才能繼續(xù)朝著成熟的方向開(kāi)發(fā)輕量級(jí)技術(shù)。

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