工程机械设计中轻量化技术的应用

工程机械设计中轻量化技术的应用

梁茂华

山东益源环保科技有限公司 277800

摘要：科学技术的迅速发展推动了各个领域的发展，由于传统工程机械设计过程，存在着所取安全系数过大的问题，所以导致工程机械出现了自身过重，不利于运输和移动等问题。而轻量化设计理念在工程机械设计中的发展和应用，则主要是充分发挥轻量化设计、轻量化材料以及轻量化制造技术的优势，完成对传统工程机械设计的设计工作，在保证工程机械产品设计质量的前提下，减轻工程机械的重量。该技术的迅速推广和应用，为我国工程机械设计产业的发展奠定了坚实的基础。文章主要是就工程机械设计中轻量化技术的应用进行了分析与探讨。

关键词：机械设计；工程机械；轻量化；设计研究

引言

所谓工程机械轻量化技术实际上就是通过选择优化材料、改善制造工艺、优化结构参数等方式，达到减轻工程机械整体质量，降低工程机械制造与使用成本、提高工程机械使用性能以及降低工程机械运行能耗的目的。由于受到我国工程机械设计理论较为保守等因素的影响，我国绝大多数的工程机械在设计阶段都出现了所取安全系数过大的问题，这一问题不仅增加了工程机械自身的重量，而且导致企业制造、运输以及用户使用成本的大幅度提升，制约了工程机械制造企业市场竞争力的提升。所以，工程机械制造企业必须加快轻量化设计在工程机械设计领域中应用研究的步伐。

1工程机械轻量化发展和应用现状

为了保证工程机械轻量化设计目标的顺利实现，设计人员在设计和选择工程机械零部件的材料时，应该积极的借鉴和吸收国外先进的材料科学与材料加工领域研究成果，充分发挥新型材料的优势，才能在保证工程机械零部件强度达到设计要求的前提下，减轻工程机械零部件的重量，从而达到有效降低工程机械整机质量的目的。世界工程机械制造行业经过几十年的快速发展后，像沃尔沃、日立、卡特彼勒等国外大型的挖掘机与装载机生产厂家，不仅制定了完整的设计规范与评估方法，而且申请了大量以轻量化设计理念为基础的工程机械结构设计专利和软件著作权。为了将试验研究与理论研究紧密的结合在一起，研究人员在研究工程机械轻量化设计理念时，通过对工程机械各个零部件性能、系统可靠性、阿琴心等的测试，获取了大量的参数和实验数据，不仅提高了实验数据分析结果的准确性，而且为后续工程机械轻量化设计工作的开展提供了技术依据，而这也是现阶段我国工程机械轻量化设计研究急需加强的环节。经过深入调查研究发现，现阶段我国的工程机械轻量化设计研究不管是产品研发还是设计都存在着不重视新材料、新工艺应用的问题，仍然是按照传统的设计方式直接引进国外工程机械产品的设计理念，正是因为我国的工程机械轻量化技术正处在研究发展的起步阶段，所以该技术在工程机械设计方面缺乏足够的实践应用数据支撑。另外，工程机械设计向轻量化设计方向的发展，不但有效降低了工程机械碳排放量与工程机械作业过程中的能源消耗，而且工程机械动力性、接触力以及驱动力等各方面性能也得到了显著提高，延长了工程机械产品与零部件的使用寿命，为我国工程制造行业向着环保化、功能化方向的发展打下了坚实的基础。

2工程机械轻量化设计的方式

2.1材料的轻量化设计

如果按照材料轻量化设计理念的要求，设计人员在选择工程机械的设计材料时，应该使用高强度钢、轻合金、记忆金属、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等材料。虽然这种更换材料的设计方式在减轻工程机械整体重量方面有着非常显著的效果，但是却存在着工程机械设计成本较高的问题。比如，日本本田公司近年来研发的专门用于制作连杆的铝合金材料，该材料采用了钢丝与不锈钢丝增强的铝基复合理念，使用这种材料制作的连杆重量与之前使用传统钢材制作的连杆相比不仅重量减轻了大约30%左右，同时克服了普通铝合金材料强度较低的缺点，该连杆的设计和应用，使得工程机械的油耗降低了5%左右。

2.2制造工艺的轻量化设计

针对工程机械制造工艺方面进行的轻量化设计，对搅拌摩擦焊、激光焊接、热处理工艺、真空增压技术、锁锚连接等各方面提出的要求进一步提高的同时，工程机械设计制造的成本也相应增加。比如，国外某企业在生产大型挖掘机箱体、装载机车架结构时，使用了900-1600MPa高强钢以及先进磨具技术与成型工艺后，不仅新结构件的厚度与之前相比减少了40%-50%之多，而且结构件的强度与可靠性也得到了显著提高。

2.3结构设计的轻量化

一般情况下，工程机械设计轻量化设计理念要求设计人员必须通过改变现有结构形状的方式，减少各个部件材料的整体使用量，从而达到有效降低工程机械整体重要的目的。由于这种方法在实际应用的过程中，具有不减少材料使用即可达到减轻工程机械重量的目的，再加上其具有设计成本低、性价比较高的特点，所以被广泛的应用于工程机械的设计中。目前，常见工程机械结构轻量化设计主要有尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化等几种。（1）尺寸优化。就是通过对梁截面长、宽以及板材厚度等结构几何参数优化的方式，减轻工程机械结构的整体重量。（2）形状优化。形状优化就是通过对工程机械结构内部孔洞形状、整体结构外形等进行相应优化的方式，达到减轻结构重量的目的。（3）形貌优化。形貌优化就是在现有薄板上设计最合理的凸台分布方案，从而达到增强结构强度与刚度的目的。（4）拓扑优化。所谓拓扑优化口述将材料分布设计空间作为优化设计目标，在优化计算的过程中去除多余材料，最终得到材料使用量最少的设计方案。

3工程机械设计中轻量化技术实际应用

装载机作为一种使用数量大且极具代表性的工程机械产品，其主要适用于石块、水泥等散体物料的铲装、卸运。设计人员在进行装载机的轻量化设计工作时，应该从装载机主要零部件的轻量化设计方面着手。（1）驱动桥壳作为装载机的重要组成部分之一，其在装载机运行过程中不仅要承受巨大的载荷，而且还负责动力的传递。南京林业大学的羊玢等人运用有限元法针对装载机驱动桥壳结构进行了深度的优化与模态化分析，不仅将驱动桥壳的整体厚度有之前的15mm降至了12mm，而且其整体重量更是减轻了多达4.65kg。（2）变速器是装载机传统系统的核心。天津工程机械研究院的许佳音等人经过长期的实践研究，借助有限元法完成了对装载机变速器箱体的轻量化设计工作，不但保证了变速器箱体的整体强度，同时随着变速器墙体厚度减少了2mm，变速器的整体重量也减轻了10%之多。（3）发动机罩作为装载机最主要的覆盖件之一。针对这一领域的研究，通过对轮式装载机机罩与工作装置的优化研究时，融入了拓扑优化、子结构以及虚拟样机等相关技术，不但实现了针对装载机机罩的轻量化设计，以及工作装置性能的优化目标，而且促进了装载机运行稳定性与可靠性的有效提升。

结束语

总之，全球经济一体化的迅速来临，为我国工程机械制造产业的发展提供了新的契机。为了应对激烈的市场竞争，工程机械制造企业必须加大具有创新能力设计人员的培训工作力度，才能在增强企业工程机械整体设计能力的前提下，促进企业综合竞争力的全面提升。设计人员在开展轻量化工程机械设计工作时，必须从结构设计优化方面着手，合理运用各种新型材料，才能设计出质量更高且性能优良的工程机械设备，降低了工程机械设计制造的成本，节约了工程机械制造的能源和资源消耗量，为我国工程机械制造产业向着轻量化设计方向的发展保驾护航。

参考文献

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[2]翟婧.轻量化设计在工程机械中的应用[J].设计,2019,17:120-121.

[3]江琳.工程机械轻量化现状及技术途径[J].南方农机,2019,4612:72.