工程機械設計中輕量化技術的應用

李勛 馮景龍

【摘 ?要】工程機械廣泛應用于城市建設、建筑、農田水利等領域，對國民經濟的發展和社會整體生產力的提高具有重要意義。輕量化已成為包括工程機械在內的制造業的發展趨勢。國內越來越多的工程機械企業將開發節能環保的綠色工程機械作為核心發展戰略之一。在此基礎上，論述了輕量化技術在工程機械設計領域的應用現狀，提出了工程機械輕量化設計實現的方式，希望能保證工程機械產品的使用安全、穩定運行，工程機械性能的質量得到全面提高。

【關鍵詞】工程機械;設計;輕量化技術

工程機械由于應用領域的特殊性，需要具有較大的驅動力和承重性能，因此其體積和重量是普通機械的兩倍甚至是十倍，但是這也造成了材料和能源的消耗。輕量化技術是指通過改善機構設計、工藝制定、材料選擇等途徑減少工程機械重量的技術和方法，進而實現降低制造成本、提高機械效率、節約能源的目標。由于我國工程機械設計起步較晚，輕量化設計技術還過于保守，在設計階段一般選用較大的安全系數，不夠重視輕量化技術在工程機械中的應用，導致我國工程機械國際市場占有率較低、競爭力不足。因此在這種背景下，更應該將輕量化技術應用在機械設計階段。

1 工程機械輕量化技術的概念及應用現狀

輕量化技術是輕量化設計、輕量化材料和輕量化制造技術的集成應用。產品設計費用僅占產品總成本的5%，卻決定了產品成本的70～90%。因此，產品設計是實現輕量化的最關鍵環節。輕量化技術是一個系統工程。輕量化的最終目標是重量、性能、成本和配套（也包括尺寸的減小）等因素的綜合優化。

目前，我國機械產品從研發到設計，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品進行測繪，或者直接引進，同發達國家先進制造業水平相比，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材料的碳排放量，以及作業過程中的能耗，從而在提高機械動力性、降低摩擦力、驅動力以及接觸力﹑減少驅動部件的驅動能量方面起到明顯的效果，進而提高工程機械產品，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，促進新材料的研發應用，優化制造工藝，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。

2 實施工程機械輕量化的難點問題

設計周期不斷壓縮，工作量巨大，設計師疲于奔命，無暇輕量化。新產品即要求高的一次研發成功率，設計師承擔巨大的壓力，不敢輕量化。設計師忙于具體工作，輕量化理論和先進的設計軟件的學習十分缺乏，不會輕量化。輕量化技術中存在大量不確定的因素，定量難度大。高校和科研院所著重于輕量化的理論研究，技術轉化難度很大。

3 工程機械對于輕量化技術的應用

3.1 在結構設計中的應用

在工程機械結構設計過程中對于輕量化技術進行應用，主要是對結構進行分析和優化的過程，從而增強工程機械零件的輕量化程度，并增強其整體化。工程機械結構設計中應用輕量化技術，需要對工程機械系統之間的關系進行有效的協調，并通過多種畫圖技術來進行工程機械零件配置和板材厚度的變化情況分析，同時也進行各項干涉內容的分析過程。除此之外，也可以通過對零件形狀的優化過程來對其質量進行降低，在這個過程中運用輕量化技術，主要是對其峰值進行降低，從而使其受到的應力作用能夠分布的更加均勻。通過在成熟高負荷的部分進行材料的貯存，以及將承受低負荷部分的材料去除掉，來時的工程機械零部件的形狀，能夠有效的避開應力作用的高峰部分，從而提升應力分布的均勻性。這種對于工程機械零部件外形進行優化的方式，主要是以生物學中的增長規律內容為基礎，不但能夠減少工程機械零部件的重量，同時也能夠規避掉局部應力過高的情況出現。

3.2 制造工藝的優化

在工程機械輕量化設計模式推廣的初期，采用了輕量化設計模式，部分制造工藝滯后，很難實現工程機械制造環節的輕化量化設計措施，應積極探索新工藝，不斷吸收國外先進技術，將輕量化技術與新興科學技術相結合，借助新制造工藝例如熱處理技術、鎖錨鏈接技術、噴丸、加壓、滾壓、激光焊接以及攪拌摩擦焊接等技術，提高機械零部件的精密性、抗疲勞性和耐磨性，在實現器械減重的同時，提高零部件組織強度。以某起重機橋架為例，利用扁鋼和方鋼取代原來的四梁結構形式進行焊接，使得起重機的整體質量大大減少。

3.3 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，保留了質輕的特點，連桿裝入1.2L的汽油機，可實現節油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，從而實現工程機械整機的輕量化。

4 輕量化技術的未來發展

近年來，我國對環保、安全、節能方面的要求不斷提高，出臺了一系列的法規和實施方案。為此，工程機械制造廠家和研究機構都致力于研究輕量化技術，從技術、成本角度分析和改善工程機械材料和工藝，探索應用新材料、新工藝的可行性。同時，加快輕量化的設計和應用對提升我國工程機械整體水平、行業國際競爭力、振興民族工業都具有非常深遠的意義。現階段，工程機械小型化和輕量化是近、中期工程機械排放目標控制的基礎，工程機械輕量化成為新技術開發的重要課題，從可持續發展要求出發，研究和評估工程機械輕量化技術成為重要方向。

5 結束語

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結構和性能的優化，從而增強企業市場的競爭力。同時，隨著科學技術和制造工藝的迅猛發展，輕量化已經成為了我國制造業的發展趨勢。

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作者簡介：

李勛（1989-11-），男，漢族，山東濟寧人，本科學歷，助理工程師，小松山推工程機械有限公司，研究方向：工程機械制造。

馮景龍（1983-12），男，漢族，山東魚臺人，本科學歷，助理工程師，小松山推工程機械有限公司，研究方向：工程機械制造。