工程机械设计中轻量化技术的应用

何秀军

摘要： 目前，工程机械设计过程中使用的安全系数过高，使得工程机械本身体积庞大，运输不便。在超大型、重型工业机械的背景下，工业机械的轻量化设计对工程设计的发展有着积极的影响。轻量化技术是轻量化设计、轻量化材料和轻量化制造技术的综合应用。在产品设计过程中，要注意产品设计的轻量化要求。轻量化技术是一种系统技术。轻量化设计的最终目标是优化产品重量、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.

关键词： 机械设计;工程机械;轻量化;设计研究

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

中图分类号：F416.44             文献标识码：A              文章编号：1674-957X（2021）17-0035-02

0  引言

輕型工程机械技术是指通过材料、制造工艺和结构参数来优化工程机械设计。轻型工程机械技术可以通过优化材料，改进制造工艺和调整结构参数来减轻工程机械的总重量。可以在制造过程中降低机械设备的成本，提高性能，并有效地节省能源和减少污染。

1  工程机械轻量化的概念与意义

1.1 工程机械轻量化的基本概念  减轻重量的概念起源于赛车运动，旨在实现减轻重量。可以使操控性更好，发动机输出的动力，使得加速度更高。减轻重量应基于结构优化，材料优化，技术多样化以及跨学科的观点。虽然我国的工程机械产品和技术近年来取得了长足的进步，但是与世界上先进的工程机械企业相比，还存在一定的差距。轻量化设计是一项系统工程，其最终目标是充分优化质量、性能和成本。在确保设备性能的前提下，如何设计轻巧，低功耗的设备。另外，日本工程机械制造技术当前面临的问题是安全性和可靠性。

1.2 我国产品轻量化技术现状  中国的产品是从模仿前苏联的产品开始的。钢结构设计理论保守，过分强调安全系数，导致安全系数高、结构重、构件重、性能差。长期以来，设计周期长。可用的选项很少，没有合理的指标，很难得到一个优化的、有价值的解决方案。企业自主研发创新能力薄弱。工程机械主要以轮廓设计为主，缺乏实验数据支持。

1.3 轻量化的优势  轻型工程机械最明显特征是减少了钢材消耗。同时也减少了这些钢铁产品的二氧化碳排放量，以及钢铁加工、运输、装载、卸载和安装的能源消耗;减少了运行期间的能耗和废气，降低了运行噪音，并提高了整个机器的材料利用率。较轻的工程机械可改善起重机机械的动态性能，减少工作过程中的驱动、接触和摩擦，减少驱动部件所需的能量，并延长机械和支撑架的使用寿命。轻量化技术的应用具有很大的市场价值。工程机械产品的生产厂家可以通过提高产品性能，增加公司利润。以塔式起重机为例，2009年的产量为25，000台，平均每单位钢耗为40吨，比国外产品增长10%。仅使用钢和塔式起重机每年将花费5亿元人民币。增加空间。因此，普通机械零件每减少1%的重量，就可以节省1%的能源和0.4%的排放。每减少1%的运动部件，就可以节省2%的能源和1%的排放。每年，我们实现并节省总运行能量中：能源消耗减少了15%，排放减少了5%。

1.4 我国工程机械产品轻量化有着一定的潜力  虽然2008年的金融危机对我国的经济发展有着一定的影响，但是对于工程机械行业来说，我国工程机械产品种类繁多，畅销多个国家和地区，成为全球工程机械产品最畅销的国家。汽车轻量化成为大势所趋，对于汽车行业的发展有着重要意义。同样，工程机械轻量化的设计和发展也将成为一种普遍趋势。我国的工程机械行业经历了从无到有，以及从有到优的过程，工程机械产品轻量化的发展有着重要的现实意义，同时也具有一定的潜力。

1.5 轻量化技术面临的难点问题  设计周期的不断压缩，给设计师带来了大量的设计工作，让设计师精疲力竭，而且设计师忙于特定任务，很少有时间学习轻量级理论或高级软件。因此，轻量化技术的许多不确定性使定量研究变得困难。

2  轻量化工程机械技术内容

2.1 结构和材料优化

2.1.1 应用相关设计软件  根据安全性、结构强度、疲劳寿命等性能要求，采用理论计算方法、有限元设计方法、数值优化方法、多目标优化方法和相关设计软件进行优化。

2.1.2 创新机械方法的使用  零件数量减少，结构紧凑。创新机制的设计包括原机制的创新和新机制的设计理念。如图1所示。

2.1.3 实现多种轻量化材料的匹配  用对材料，用对零件，先用常用材料减轻重量，再逐步用轻质、高强度材料代替结构件。

2.2 设计与仿真技术的改进  从整体设计系统的角度来看，集成产品设计软件仅限于特定的单元系统应用，如典型的工程機械产品原理图设计、计算软件开发、产品配件选型软件开发、产品参数设计软件等。支持 3D CAD 软件产品的设计，并建立 3D模型和2D图纸的关联和集成。学习有限元软件的细节和应用，建立参数化有限元模型，实现CAD与CAE模型的关联与集成。建立详细的产品设计和仿真验证规范，严格执行，并在执行过程中不断进行变更和改进。

2.3 加大科研投入，实现工程机械轻量化  实现工程机械轻量化是一个长期积累、逐步完善的过程。想要实现工程机械轻量化，不仅需要投入大量的资金成本，还需要加大科研投入，打造具备一定创新能力的科研团队。设计团队需要具备稳定性和凝聚力，通过不断的实验和创新，成功积累经验，对实验数据进行分析，根据实验数据设定参数，彻底使用先进的数字设计技术和软件工具来改进设计的迭代周期。

3  工程机械中轻量化设计方法研究

工程机械驾驶室主要包括平地机、压路机、挖掘机、堆高机、起重机等各类带驾驶室的土方施工机械。

3.1 轻量化材料的应用

3.1.1 高强度钢的分类和定义  对于高强度刚的分类和定义，国内外尚无统一的定义/分类方法，一般按照强度划分或按照强化机理划分。屈服强度小于210MPa的钢称为低碳钢，屈服强度为210至550MPa的钢称为高强度钢。屈服强度为550MPa或更高的钢称为超高强度钢。高强度钢相对便宜，具有高结构强度，具有优异的冲击能量吸收和抗疲劳性，并且具有优异的冲压成形性、可焊接性和可涂漆性。关键是通过启用现有工程机械生产线来节省资本投资。因此，在现阶段，高强度钢是减轻工程机械驾驶室重量的好材料。

3.1.2 铝合金材料  铝合金材料的密度是钢的三分之一，能量吸收是钢的两倍，在碰撞安全方面具有明显的优势。铝具有出色的可回收性和耐腐蚀性。这是最常见的轻金属材料。尽管其弹性模量低，但是具有良好的挤压性，可以补充结构的刚性。刚度和强度相称的机械性能可以显著降低材料消耗和提高部件质量，减轻工程机械重量，并增加整体车辆燃料消耗。由于上述铝合金的优良特性，在1970年代的石油危机之后，欧美等主要汽车国家采用铝合金作为量产车，并开始采用铝合金加工和装配技术。同样，用于工程机械驾驶室的铝合金材料也开始广泛用于轻量化研究中。

3.1.3 聚合物和复合材料  现代工程机械材料大量使用非金属材料，节约资源，满足轻质、耐腐蚀、成本低、外形美观的要求。目前，工程塑料和复合材料是主要产品。汽车工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS、PA等。工程塑料具有密度低、易成型、耐腐蚀、抗冲击、隔音、隔热、外观和手感等优良性能。没有金属钢板。因此，工程塑料被广泛使用。复合材料是由两种或两种以上物理化学性质不同的物质组成的多晶固体材料，通常是增强材料和基体材料的复合材料。增强材料主要包括玻璃纤维、碳纤维和高分子材料。与金属材料相比，复合材料具有防锈、隔热、隔音、低密度、高强度、高抗疲劳等诸多无可比拟的优势。高强度有机纤维增强复合材料机械强度高，可替代钢材，减轻工程机械驾驶室本身的重量。碳纤维增强复合材料可以替代板簧和悬架系统。

3.2 轻量化制造工艺

3.2.1 激光定制焊接毛坯  定制焊接坯料（TWB）可以通过组合不同材料、不同厚度、不同强度和不同表面涂层的板材来集成。通过减少零件数量、使钢制零件更薄以及去除点焊法兰来实现轻量化。

3.2.2 热冲压成型工艺  热冲压工艺是将高强度钢板加热至奥氏体化状态，并迅速转移到模具中进行冲压。为确保压力恒定，模具内部以27°C/s或更高的冷却速度快速冷却。保持压力后，淬火一定时间。液压成型工艺使用液态水和油作为传力介质，而不是使用刚性凹凸模具。在传力介质的压力下，毛坯的凸凹部分贴合在一起。液压成型工艺的特点是模具制作简单、周期短、产品几何尺寸大、管板加工尺寸准确。液压成型工艺特别适用于可变形的高强度材料，可作为使用轻质材料（高强度钢、铝合金、复合材料等）时的重要支撑。液压成型工艺通常包括预成型、成型和校准，可用于阀座和管道成型。薄壁液压成形技术适用于需要深冲的复杂工件和凹槽很少的大型工件。由于预成型会产生材料所需的预应力，因此可以在不改变抗冲击性的情况下通过减小外板的壁厚来减轻重量。管材液压成型工艺是指在内外水压的作用下，形成适合内芯棒的管坯。这种工艺可以提高管子内外表面的精度，也可以用来连接两部分。

3.2.3 铝合金压铸新技术  铝合金的加工方法包括铸造、压铸、轧制、挤压和冲压。在常规压铸中，熔融金属在高压下以5～50m/s的高速注入型腔，型腔内的气体很难排出，因此需要将其压缩并注入型腔。可能会出现孔洞、变形等表面缺陷。随着铝合金在工程机械中的广泛应用，工程师们开发出了冲压压铸、针孔压铸、无孔压铸等一系列铝合金压铸新工艺。特别是，在压铸过程中注入型腔的熔融金属与氧气反应形成压铸过程。零件上没有气孔或热处理。因为采用铝材，所以壁薄，减重效果也不错。

4  结论

本文以工程机械驾驶室为例，从轻量化材料和轻量化技术两个方面介绍轻量化技术在工程机械设计中的应用。同时，工程机械轻量化设计过程一方面需要注重对制造过程的综合评价，另一方面需要对技术进行分析和测试。需要进行大量实验才能继续朝着成熟的方向开发轻量级技术。

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