工程机械设计中轻量化技术的应用

李勋 冯景龙

【摘  要】工程机械广泛应用于城市建设、建筑、农田水利等领域，对国民经济的发展和社会整体生产力的提高具有重要意义。轻量化已成为包括工程机械在内的制造业的发展趋势。国内越来越多的工程机械企业将开发节能环保的绿色工程机械作为核心发展战略之一。在此基础上，论述了轻量化技术在工程机械设计领域的应用现状，提出了工程机械轻量化设计实现的方式，希望能保证工程机械产品的使用安全、稳定运行，工程机械性能的质量得到全面提高。

【关键词】工程机械;设计;轻量化技术

工程机械由于应用领域的特殊性，需要具有较大的驱动力和承重性能，因此其体积和重量是普通机械的两倍甚至是十倍，但是这也造成了材料和能源的消耗。轻量化技术是指通过改善机构设计、工艺制定、材料选择等途径减少工程机械重量的技术和方法，进而实现降低制造成本、提高机械效率、节约能源的目标。由于我国工程机械设计起步较晚，轻量化设计技术还过于保守，在设计阶段一般选用较大的安全系数，不够重视轻量化技术在工程机械中的应用，导致我国工程机械国际市场占有率较低、竞争力不足。因此在这种背景下，更应该将轻量化技术应用在机械设计阶段。

1 工程机械轻量化技术的概念及应用现状

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集成应用。产品设计费用仅占产品总成本的5%，却决定了产品成本的70～90%。因此，产品设计是实现轻量化的最关键环节。轻量化技术是一个系统工程。轻量化的最终目标是重量、性能、成本和配套（也包括尺寸的减小）等因素的综合优化。

目前，我国机械产品从研发到设计，对新材料以及新工艺的应用不够广泛，仍然是对国外工程机械产品进行测绘，或者直接引进，同发达国家先进制造业水平相比，存在着一定的距离。由于我国对工程机械的轻量化设计的研究还处于起步阶段，缺乏在工程项目中的实践应用。因此，对于工程机械的轻量化设计，可以在不同的程度上减少生产材料的碳排放量，以及作业过程中的能耗，从而在提高机械动力性、降低摩擦力、驱动力以及接触力﹑减少驱动部件的驱动能量方面起到明显的效果，进而提高工程机械产品，及其部件的使用寿命;还可以在保证部件刚度、强度以及耐疲劳性能的前提下，促进新材料的研发应用，优化制造工艺，不仅可以从根本上提高材料利用率，还可以减少由材料的加工、运输以及安装所带来的能源消耗，从而加快我国从机械大国走向机械强国的步伐。

2 实施工程机械轻量化的难点问题

设计周期不断压缩，工作量巨大，设计师疲于奔命，无暇轻量化。新产品即要求高的一次研发成功率，设计师承担巨大的压力，不敢轻量化。设计师忙于具体工作，轻量化理论和先进的设计软件的学习十分缺乏，不会轻量化。轻量化技术中存在大量不确定的因素，定量难度大。高校和科研院所着重于轻量化的理论研究，技术转化难度很大。

3 工程机械对于轻量化技术的应用

3.1 在结构设计中的应用

在工程机械结构设计过程中对于轻量化技术进行应用，主要是对结构进行分析和优化的过程，从而增强工程机械零件的轻量化程度，并增强其整体化。工程机械结构设计中应用轻量化技术，需要对工程机械系统之间的关系进行有效的协调，并通过多种画图技术来进行工程机械零件配置和板材厚度的变化情况分析，同时也进行各项干涉内容的分析过程。除此之外，也可以通过对零件形状的优化过程来对其质量进行降低，在这个过程中运用轻量化技术，主要是对其峰值进行降低，从而使其受到的应力作用能够分布的更加均匀。通过在成熟高负荷的部分进行材料的贮存，以及将承受低负荷部分的材料去除掉，来时的工程机械零部件的形状，能够有效的避开应力作用的高峰部分，从而提升应力分布的均匀性。这种对于工程机械零部件外形进行优化的方式，主要是以生物学中的增长规律内容为基础，不但能够减少工程机械零部件的重量，同时也能够规避掉局部应力过高的情况出现。

3.2 制造工艺的优化

在工程机械轻量化设计模式推广的初期，采用了轻量化设计模式，部分制造工艺滞后，很难实现工程机械制造环节的轻化量化设计措施，应积极探索新工艺，不断吸收国外先进技术，将轻量化技术与新兴科学技术相结合，借助新制造工艺例如热处理技术、锁锚链接技术、喷丸、加压、滚压、激光焊接以及搅拌摩擦焊接等技术，提高机械零部件的精密性、抗疲劳性和耐磨性，在实现器械减重的同时，提高零部件组织强度。以某起重机桥架为例，利用扁钢和方钢取代原来的四梁结构形式进行焊接，使得起重机的整体质量大大减少。

3.3 基于材料的轻量化设计

对于材料的轻量化设计，在材料的选取上，使用高强度的钢材、铝 合金、碳纤维、镁合金、记忆金属、工程塑料、玻璃纤维以及陶瓷等，并且采用更换材料的方式，来减轻工程机械的重量，但其成本比较高。比如，日本本田公司近年研发出一种用于制作连杆的铝合金材料，采用钢丝与不锈钢丝增强的铝基复合，采用这种材料制作的连杆重量，比原来用钢材制作的连杆减少了30%，同时又在克服了普通铝合金材料强度低于钢材的同时，保留了质轻的特点，连杆装入1.2L的汽油机，可实现节油5%。另外，基于材料的轻量化设计，还可以针对工程机械不同零件来选用不同强度的材料，从而实现工程机械整机的轻量化。

4 轻量化技术的未来发展

近年来，我国对环保、安全、节能方面的要求不断提高，出台了一系列的法规和实施方案。为此，工程机械制造厂家和研究机构都致力于研究轻量化技术，从技术、成本角度分析和改善工程机械材料和工艺，探索应用新材料、新工艺的可行性。同时，加快轻量化的设计和应用对提升我国工程机械整体水平、行业国际竞争力、振兴民族工业都具有非常深远的意义。现阶段，工程机械小型化和轻量化是近、中期工程机械排放目标控制的基础，工程机械轻量化成为新技术开发的重要课题，从可持续发展要求出发，研究和评估工程机械轻量化技术成为重要方向。

5 结束语

总而言之，轻量化不仅可以降低工程机械的自重，减少其能源消耗，还可以帮助工程机械实现结构和性能的优化，从而增强企业市场的竞争力。同时，随着科学技术和制造工艺的迅猛发展，轻量化已经成为了我国制造业的发展趋势。

参考文献：

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[4]林炎炎，徐婷，许伟，汪路路，谭业发.轻量化技术在工程机械研发中的应用[J].机械工程与自动化. 2015（05）

[5]杨世强，王蓓蓓.轻型机械臂的轻量化结构设计优化方法[J].中国机械工程. 2016（19）

作者简介：

李勋（1989-11-），男，汉族，山东济宁人，本科学历，助理工程师，小松山推工程機械有限公司，研究方向：工程机械制造。

冯景龙（1983-12），男，汉族，山东鱼台人，本科学历，助理工程师，小松山推工程机械有限公司，研究方向：工程机械制造。

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