新材料在農機輕量化的應用研究*

蘇麗旭，劉莉滋，何 湧

（重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404130）

0 引言

20世紀80年代，能源危機讓全球各個國家引發了石油資源緊張，導致各國開始了將輕量化技術應用在汽車領域的研究。一些發達國家針對怎樣才能解決地方資源匱乏和環境污染惡化等問題，擬定并采用了一些強制性的法律條例與規章制度。各大品牌汽車制造商為了響應國家號召，開始研發節約能源、環境保護、可適用輕量化、可回收的新型材料，并投入了大量的科技人才及先進設備。同時，各國政府對國內一些企業、高等院校以及研究機構撥款，提供資金上的幫助，用于支持汽車輕量化材料的研發，以助推汽車輕量化技術的發展[1]。

如今，環境污染問題越來越嚴重，節約能源和環境保護已成為全球共同關注并亟待解決的問題。汽車使用消耗低碳化是整個設計領域減少排放、節約能源的關鍵環節。據測算，車的總重降低1/10，可以減少8%的石油使用量；同時，石油的使用性價比增長7%。所以，減少污染排放、節約能源、減少車身重量之間是密不可分的[2]。

與此同時，農業是我國重要的基礎行業，農業機械化普遍代替人工作業，縮減成本，帶來了經濟效益。將輕量化技術應用到農業機械上，重量減少的同時降低了油耗，更方便與農機協同作業。從國家長遠發展來看，節約了能源，保護了環境。同時，降低了農戶生產成本，科研工作者研發和創造的時間也大大減少，極大地降低了研發成本，消費市場的競爭力也得到改善[3]。

1 輕量化現狀

現如今，農業機械輕量化技術設計在農機設備產業、大型機械制造等領域已成為生產潮流，雖然我國是農業大國，但輕量化在農機領域涉及不多。目前，農業機械輕量化的主要方法有兩個：一是改變農業機械設計的材料；二是采用先進設計手段，使機械結構更加合理。農機輕量化能減少資源的使用量和設計制造時的用料，并且在農機工作時各種操作性能也得到改善，大大激發了國內市場中農用機械的競爭力[4]。

輕量化是在穩定提升車輛性能的結構基礎上，節能化、性能化地設計車體結構零部件，使其逐漸薄壁化、中空化、集成化，從而降低農機車架和部分機械覆蓋件的重量。對于大型農業機械來說，降低自身重量達到減少油耗的效果，從而大大減少了能源的消耗。而且尾氣的排放量也隨之減少，進而減少對環境的污染，保護環境[5]。

從農機作業的角度來看，輕量化后在穩定性、噪聲和振動性也有所提高。從安全方面來看，如果農機作業時錯誤發生急停，本身的慣性較小，制動距離就減少，預防生產損失。再加上在行駛碰撞過程中塑料材料的沖擊較小，因此會更安全。實現車體輕量化的方法有：1）車架小型化，設計小排量農機。2）農業機械的合理化結構以及零部件的設計優化。3）就現狀來說，解決農業機械輕量化最關鍵方法之一就是采用新的輕量化制造材料。在汽車車架的結構，如車身、車子動力轉向系統、車體懸架、輪子、覆蓋件、制動等上應用輕量化材料，都是農業機械結構設計的首選方向[6]。

目前，在輕量化方面的研究大多集中于采用新型材料，但由于制造成本、加工工藝、保護環境等方面的問題，這些材料很難用在一般農用機械上；在設計優化保證滿足機械零件所有力學性能的需求下，農業機械輕量化設計才更有實際意義[7]。

2 輕量化材料

當今，汽車優化程度與設計制造的程度息息相關。而優化農業機械的重中之重就是材料。由于當今世界的潮流是節約能源和保護環境，農機制造企業應規劃新對策，想方設法減少損耗以及污染氣體的排放。因此，只能從降低車身重量入手。通過新型制作材料來增強汽車的綜合性，從而讓車架結構重量減少，實現環保和可持續發展[8]。

2.1 高強度鋼

高強度鋼制造材料應用在車輛設計制造材料中的比值，是其他類金屬制造材料的4倍，金屬制造材料的輕量化對車身重量輕量化有著舉足輕重的影響。高強度鋼本身屬性能很好地提高車輛安全駕駛和穩定可靠性能[9]。

通過運用力學性能較好的材料以降低材料使用量，來實現輕量化的目的，有著巨大潛力。在保持制造費用不變的基礎上，保證車輛駕駛的安全可靠，可減少鋼板的厚度值，大大降低車身質量，達到減少排放、節約能源的目的。由于高強度鋼板可以提升車輛抗碰撞能力，減輕自身重量。依靠其強度可以縮小車身結構零件及支撐件的橫截面積，從而改善材料的抗碰撞和抗疲勞方面的性能[10]。

如今，從抗拉強度來定義劃分，車輛設計制造行業中使用最廣的制造材料是高強度鋼，其中還包括雙相鋼、馬氏體鋼等。通過自身的硬度高的優點，減少自重的同時加強駕駛安全可靠性。目前，主要應用在安全方面（保險杠）、主受力結構方面（防撞梁、支撐柱）等[11]。

在農機制造行業中，高強度鋼盡管應用比較普遍，但也有幾個難題。比如，其本身的延伸率較低，硬度增強的同時延伸率反而慢慢下降；在制造過程中，鋼材的彎曲強度隨著長度增加而減少，經常會出現回彈性能，控制難度大。隨著制造技術的不斷改善，其本身的性能獲得很大的提高，鋼的延伸率也獲得改善。使用制造行業前沿的新技術工藝達到降低車身自重的目標，為進一步實現車輛領域輕量化作出了很大的貢獻[12]。

2.2 鋁合金

鋁合金是一種輕金屬合金，自身的密度達到了鋼的一半，但屈服強度卻跟鋼材質的一樣，鋁材料作為輕金屬，在制造行業中使用比較廣泛。用其制造的車身能在很大程度上降低質量數值，鋁合金相對于鋼鐵等材料，可減少一半以上，從而起到節能減排、保護環境等作用，帶來經濟效益和社會效益。由于本身的研發費用高，現如今使用全鋁車身的大都集中在世界制造廠商的名牌汽車[13]。

在吸能性能方面，鋁材料要比鋼材好得多，這同時也是比鋼材普遍應用的原因。在設計制造的相撞測驗中得出鋁材料更具有安全可靠性，當車輛發生車禍時，通過車前部形成褶皺和變形，車前部可吸能緩沖大部分的撞擊力，從而保障車內人員的生命安全。在應用鋁材料制造農業機械時，用在農機的前后車身覆蓋件或車身橫梁等，車身質量大大減輕，行駛速度一樣的情況下降低動能，車禍發生時能降低傷害[14]。

目前，國際競爭越來越激烈。鋁材料得不到廣泛應用主要還是因為價格太昂貴，生產成本費用較高。其次，能夠修復鋁材料的廠家企業比較少?，F在，鋁合金材料大都應用在車輛發動機的內部零件上，像油底殼、內燃機機體、活塞等[15]。

2.3 鎂合金

鎂在力學性能方面與鋁材料相仿，密度僅是鋁材料的三分之二，減震能力也比鋁的效果好，并且可回收性好，符合環保要求，是農業機械輕量化所選用金屬制造材料中效果最好的首選材料。具有機械加工性能好、屈服強度高、重量輕等優點，在穩定性、減震性、散熱性方面都有不錯的效果[16]。鎂合金密度一般比鋁合金輕30%～50%，比鋼材輕65%以上。由于其良好的鑄造性能以及模態[17]，在農業機械的各零部件的設計研究中，可用在農機內裝系統如窗框架、轉向盤、座椅底座、前端支架、車身、車門、前后艙體、儀表板、座椅、中控支架等；動力傳動系統中副車架、輪載、懸架、轉向器也可采用[18]。

對于農業機械而言，節約能源、保護環境、駕駛安全、行駛舒適、更智能化和網絡控制是未來農機發展的大趨勢[19]。隨著全球資源和能源危機加劇，降低能耗和污染、節約能源、可持續發展、保護環境是大勢所趨。通過將鎂合金用于車輛的輕量化，對降低能源消耗、減少污染、保障國家安全有著極其重大的意義[20]。

現如今，鎂合金材料及其制品已列入國家中長期科技發展規劃，發展高性能鎂合金材料和技術，需要大規模宣傳和應用。國內的研發機構對鎂合金研究尚處起步階段，材料本身在性能上也存在著眾多的問題。比如，它的耐腐蝕性比其他制作材料要差一些，限用于車身內部的零件，或者車輛工作環境好的情況下[21]。因此，還需要對新的鎂合金材料和其制造成型技術進行深入研究，加大對科研人員和研究設備的投入，才能推動在農機產品的規?；瘧?，產生顯著的社會效益和經濟效益[22]。

2.4 鈦合金

鈦合金各個方面的性能良好，相比于其他幾種材料有很大的優勢。它的優點是重量輕、密度低、屈服強度高、耐高溫、耐腐蝕性好等，適合用在農業機械上。通過減輕農機工作部件的重量以及緩解車架相關結構零件的負載能力，提高內部的發動機性能，能很好地降低農機作業時的車身震動，提高工作效率[23]。

鈦材料在環保方面的性能也是不錯的。因為其本身有著新型材料的特點，所以也得到了各國汽車制造商的關注。鈦材料本身密度不高，密度值在鋁材料和鐵材料密度值之間，農用機械將其應用在制造設計各零件當中，也會有相當顯著的效果。現如今，各類品牌汽車在發動機系統和生產零件上使用鈦材料也是普遍存在的[24]。

鈦材料也普遍應用于車輛的排氣系統，設計制成的零器件可比其他材料制成的輕一半。在生產作業穩定性和強度不變的情況下，重量越輕車速更快，并且節省燃料?，F如今，鈦加工技術越來越完備，一些經過改善后的加工設備、刀具能對大型結構件、零構件實現精準加工處理，大大提高了加工制造的效率[25]。

雖然車輛輕量化技術發展較快，但是鈦合金在國內制造行業中的使用并不多，最根本問題就是鈦合金材料價格昂貴，各個零部件加工費用高，焊接技工差也是亟待解決的問題。在未來的發展趨勢中，如果可以降低原材料的研發費用，降低鈦制零部件的銷售價格，并通過有效的加工方法改善鈦合金性能，就能促使鈦合金在各個領域的應用發展[26]。

2.5 復合材料

塑料金屬復合材料。由于各種塑料金屬復合材料的結構致密，老化程度相對較小，擁有良好的保溫防水和隔熱性、耐腐蝕性，容易用于制造和加工成型車輛中一些結構復雜的重要零配件[27]。所以汽車使用的各種塑料金屬復合材料及其制造工藝加工簡便，耐沖擊，隔熱性能好，設計利用空間大，外觀設計多樣化，絕熱保溫性能良好。目前，在新一代能源和純電動車輛中，塑料金屬復合材料是能夠實現高密度、輕質量和小量化技術應用的重要復合材料[28]。比如，塑料鋼的比重遠遠要低于鋁和鎂合金，是一種十分典型的輕質重量化耐用建筑材料。

塑料材料在非金屬制造中普遍應用的是聚丙烯和聚氨酯等。它有著抗腐蝕性強、費用低、重量輕等優點，能提高車輛整體舒適性，對于車輛裝飾美化方面有著顯著效果。在整個車輛設計構造中內飾件、外飾件都采用塑料材質，盡管國內車輛制造中應用最少就是非金屬材料，但仍然占到總車質量的5%[29]。

一般民用級別的復合材料由于其強度問題，主要用在后排的座底骨架，且由于其成本問題，現階段主要的進展在通過有限元軟件進行優化上，并無太多的實際使用。另外，成本高也是使用少的原因。待以后生產費用成本有所降低后，實際應用可能性才有所提升和推廣。

3 結語

目前，機械設計制造輕量化已是大勢所趨，現代汽車制造、工程機械制造、重工業制造等領域，鎂、鋁合金、鋼材、復合材料、鈦合金等材料已經有了不同程度的應用。但恰恰在我國這樣一個以農業為主的國家，輕量化農業機械設計制造反而特別少。主要應用在大型的農業機械產品，而應對各種場景、性能、功能的產品，面向中小類車型推廣，減少輕量化零件費用等問題，亟需進一步研究和解決[30]。

因此，要增強我國農業機械產品在國際市場的競爭力，就必須大力推廣輕量化產品設計的應用優勢，有效降低機械原料的大量使用，減少燃耗，增強農業機械操作和運行的穩定性[31]。因此，隨著國內農業機械向高端和環?；姆较虬l展，輕量化的產品設計在一定程度可能會逐漸成為國內大型農機、機械制造企業未來發展的重心。同時，農業機械輕量化設計能有效降低資源消耗，減少環境污染，推動農業機械產業實現可持續發展[32]。