工程机械设计中轻量化技术的应用研究

工程机械设计中轻量化技术的应用研究

乔森1  ,郭文锐2

1.身份证号码：610126199301024238

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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、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。在产品设计的过程中，要注意产品设计的轻量化要求。轻量级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。

关键词：工程机械设计；轻量化技术；应用

1轻量化技术概念

随着社会的快速发展，工程机械轻量化受到广泛关注和重视。轻量化技术是在保证产品的基本使用性能要求、安全性要求和其成本控制要求的前提下，从结构、材料、工艺等方面，应用新设计、新材料、新技术来实现对产品整体的减重，以完成工程机械向“低能耗”“低排放”的转变。轻量化已经在制造业中形成广泛的共识，根据行业和客户的需求，生产、研发相关产品，使得工程机械轻量化设计成为目前改善能耗问题的必要途径。

2工程机械设计中轻量化技术实现途径

2.1结构装配优化

在工程机械设计中，实现轻量化设计的途径之一就是结构装配的优化。系统化和大型化将是工程机械发展的主要趋势，目前国内还不具备该类型产品批量生产的能力。利用计算力学和计算机技术的优势，应用于整体结构设计中，大大简化了司机的操作程序和提高了机器的技术性能。同时利用电子控制可以自动选择机器的作业模式；利用电子监测可以及时发现和排除机器系统的故障；利用电子传感器经微电脑处理可以自动检测机器的作业质量，对促进工程机械发展有很大的推动力。可采用创新机构设计方法，尽可能减少零部件数量，使结构更紧凑，提高机械设备构建的截面抗弯截面系数和抗扭截面系数。此外，为了满足客户的不同需求，工程机械企业已进入多用途、微型化发展阶段，但在一些作业空间狭小的项目上，人工作业受到很大的限制，为了满足客户的不同需求，工程机械企业需向多用途、微型化发展阶段发展，工程主机作业功能由单一功能向多功能转化，提高机械产品的通用性。

2.2仿真设计

设计是把一种设想通过合理的规划、周密的计划、通过各种感觉形式传达出来的过程。依托于互联网和大数据的计算机仿真平台，可以提供更多的试验模式，一方面能保证工程机械模型的科学性、多样化，另一方面通过仿真实验平台可为机械实验提供高效、稳定、经济的试验模式，促使登陆者可得到更完整的实验数据及工程机械各种参数变化曲线拟合，节约了成本。结合时代的发展特点，依托先进的科技成果，采用智能化控制系统，减少工作人员操作的工作量，这提高了工程机械的信息技术含量。工程机械轻量化不是简单的问题，它涉及到多门学科综合设计优化的问题。但因为目前存在的种种问题，还不能够在一次优化中对它们进行全面综合的考虑。在设计中，通过分解与协调，可作为仿真设计的进一步完善和提高。在实际工作中，我们也建议深入理解和应用三维CAD软件，充分体现微电子和信息集为一体的“机电信一体化技术智能系统”，这对工程机械性能方面的提升有积极作用。

2.3制造工艺优化

如今，工程机械轻量化设计模式还处于推广的初期，部分制造工艺滞后，这对工程机械轻量化发展产生严重的阻碍作用。目前，几乎所有的优化设计思路都是在保证工程机械的自身重量下，通过给定的工况下设计出最优的结构装配。这样将导致机械设备制造成本巨大，运输成本也很大。此时，应积极探索新工艺，将轻量化技术与新兴科学技术相结合来提高机械零部件的性能，从而在实现产品质量的稳定性，提高劳动生产效率的同时，改善工人的工作条件和劳动强度。比如，某一起重机桥架原以四梁结构形式，现利用扁钢和方钢所取代，使得起重机的整体质量大大减少。在徐晟、黄立新等人研究中报道，提高铝合金激光增材与精密度切削加工的零件表面质量，对促进机械制造中部件轻量化、整体化发展有积极意义。可通过控制构建的冶金结合质量及致密度，以及解决逐层熔化堆积、循环加热冷却及切削加工过程中产生的应力积累效应等问题，来获得低应力状态的铝合金薄壁构件是完全可行的。机械工程向轻型化、平稳性方向发展，对构件的尺寸精度、重量进度及力学性能等方面都提出了较高的要求，对促进精化生产工艺的发展提供条件。搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金以及用熔焊方法难以焊接的材料。与普通摩擦焊相比，它解决了一些限制，如焊接强度高、变形小、无飞溅、绿色环保。搅拌摩擦焊的接头性能普遍优于熔化焊的，且没有融化焊时的气孔、裂纹及合金元素烧损等缺陷。搅拌摩擦焊与常规摩擦焊相同，不同的是，焊接过程是将圆柱形或其他形状的搅拌针通过焊头的高速旋转伸入工件的接头内，使其与焊接工件的材料发生摩擦，使连接部位的材料温度升高和软化。同时，其接头性能普遍优于熔焊。因为搅拌焊头能与焊件表面的摩擦发热和锻造压力共同作用，形成致密牢固的固相焊接接头。搅拌摩擦焊的优点是焊缝质量好，不受轴类零件的限制，操作方便，质量稳定，重复性高，无焊丝，保护气氛。但该技术也存在一些缺点，如焊接时机械力大，对焊接设备的刚度要求较好，搅拌焊头的磨损比较大，与电弧焊相比，操作时缺乏灵活性。激光焊接技术能量高度集中，对于很多零件，不产生热变形或热变形很小，可以焊接熔点高、不溶、难焊的金属。该工艺可以在空气中直接焊接，比一些电子束焊接需要在真空室中焊接的方法简单。随着机械工程行业的快速发展，市场对激光技术的要求也越来越高。激光加工的市场需求要求切割与焊接一体化。同时，由于其独特的优点，已成功应用于微、小零件的精密焊接，易于实现自动化。上述技术手段为促进工程机械整体性能的设计和实现提供了很大的技术条件和便利。

2.4新材料的选择

工程机械的轻量化设计有两种实现途径。一是通过结构设计来加强整个产品的主要轴承部件。在满足性能的前提下，选择合适的材料板厚，实现结构的轻量化设计。二是利用新材料实现轻量化设计，如利用密度较低的新材料代替钢材实现轻量化设计，以及利用强度较高、板厚较薄的热成型材料代替普通高强度钢材减少加强结构件数量实现轻量化设计。目前主要依靠轻质材料。其中，热成型材料本身就是一种材料轻量化设计，既能保证结构的性能，大大减轻机械重量，而且轻量化效果更明显。

2.5加大科研投入

工程机械轻量化的实现是一个长期积累和逐步完善的过程。要实现工程机械的轻量化，不仅需要投入大量的资金成本，还需要加大科研投入，建设具有一定创新能力的科研团队。设计团队需要稳定、有凝聚力，通过不断的实验和创新成功积累经验，分析实验数据，根据实验数据设置参数，运用先进的数字化设计技术和软件工具提高设计的迭代周期。近年来，一些地区深入实施和实施创新驱动发展战略和人才强区战略，与高校合作搭建科技成果转化、中试孵化和产业研究平台，建设科技园。开平区依托科技园，全力推进人才、技术、项目对接，吸引高新技术企业、高新技术项目和高层次人才开展创新创业，为打造具有一定竞争力和创新示范价值的轻量化技术创新成果转化基地奠定了坚实基础。

3结语

综上所述，轻量化技术对于促进工程机械结构的优化，提高产品性能，实现节能减排目标具有重大意义和实施的紧迫性。随着先进结构设计的优化，材料技术和成形技术的不断发展，轻量化已成为工程机械行业的发展趋势。

参考文献

[1]范青.工程机械设计中轻量化技术的应用[J].南方农机，2020，51（20）：2.

[2]何秀军.工程机械设计中轻量化技术的应用[J].内燃机与配件，2021（17）：2.