工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用

1、 工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用 摘要：科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，由于傳統(tǒng)工程機(jī)械設(shè)計(jì)過程，存在著所取安全系數(shù)過大的問題，所以導(dǎo)致工程機(jī)械出現(xiàn)了自身過重，不利于運(yùn)輸和移動(dòng)等問題。而輕量化設(shè)計(jì)理念在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的發(fā)展和應(yīng)用，則主要是充分發(fā)揮輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料以及輕量化制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，完成對(duì)傳統(tǒng)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工作，在保證工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，減輕工程機(jī)械的重量。該技術(shù)的迅速推廣和應(yīng)用，為我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文章主要是就工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探討。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；工程機(jī)械；輕量化；設(shè)計(jì)研究引言所謂工程機(jī)械輕量化技術(shù)實(shí)際上就

2、是通過選擇優(yōu)化材料、改善制造工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)等方式，達(dá)到減輕工程機(jī)械整體質(zhì)量，降低工程機(jī)械制造與使用成本、提高工程機(jī)械使用性能以及降低工程機(jī)械運(yùn)行能耗的目的。由于受到我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)理論較為保守等因素的影響，我國(guó)絕大多數(shù)的工程機(jī)械在設(shè)計(jì)階段都出現(xiàn)了所取安全系數(shù)過大的問題，這一問題不僅增加了工程機(jī)械自身的重量，而且導(dǎo)致企業(yè)制造、運(yùn)輸以及用戶使用成本的大幅度提升，制約了工程機(jī)械制造企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。所以，工程機(jī)械制造企業(yè)必須加快輕量化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用研究的步伐。1工程機(jī)械輕量化發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀為了保證工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)和選擇工程機(jī)械零部件的材料時(shí)，應(yīng)該

3、積極的借鑒和吸收國(guó)外先進(jìn)的材料科學(xué)與材料加工領(lǐng)域研究成果，充分發(fā)揮新型材料的優(yōu)勢(shì)，才能在保證工程機(jī)械零部件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，減輕工程機(jī)械零部件的重量，從而達(dá)到有效降低工程機(jī)械整機(jī)質(zhì)量的目的。世界工程機(jī)械制造行業(yè)經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展后，像沃爾沃、日立、卡特彼勒等國(guó)外大型的挖掘機(jī)與裝載機(jī)生產(chǎn)廠家，不僅制定了完整的設(shè)計(jì)規(guī)范與評(píng)估方法，而且申請(qǐng)了大量以輕量化設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)的工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專利和軟件著作權(quán)。為了將試驗(yàn)研究與理論研究緊密的結(jié)合在一起，研究人員在研究工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)理念時(shí)，通過對(duì)工程機(jī)械各個(gè)零部件性能、系統(tǒng)可靠性、阿琴心等的測(cè)試，獲取了大量的參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4、結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且為后續(xù)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)工作的開展提供了技術(shù)依據(jù)，而這也是現(xiàn)階段我國(guó)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)研究急需加強(qiáng)的環(huán)節(jié)。經(jīng)過深入調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國(guó)的工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)研究不管是產(chǎn)品研發(fā)還是設(shè)計(jì)都存在著不重視新材料、新工藝應(yīng)用的問題，仍然是按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式直接引進(jìn)國(guó)外工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念，正是因?yàn)槲覈?guó)的工程機(jī)械輕量化技術(shù)正處在研究發(fā)展的起步階段，所以該技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)方面缺乏足夠的實(shí)踐應(yīng)用數(shù)據(jù)支撐。另外，工程機(jī)械設(shè)計(jì)向輕量化設(shè)計(jì)方向的發(fā)展，不但有效降低了工程機(jī)械碳排放量與工程機(jī)械作業(yè)過程中的能源消耗，而且工程機(jī)械動(dòng)力性、接觸力以及驅(qū)動(dòng)力等各方面性能也得到了顯著提高，延長(zhǎng)了工程機(jī)械

5、產(chǎn)品與零部件的使用壽命，為我國(guó)工程制造行業(yè)向著環(huán)?；⒐δ芑较虻陌l(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的方式2.1材料的輕量化設(shè)計(jì)如果按照材料輕量化設(shè)計(jì)理念的要求，設(shè)計(jì)人員在選擇工程機(jī)械的設(shè)計(jì)材料時(shí)，應(yīng)該使用高強(qiáng)度鋼、輕合金、記憶金屬、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等材料。雖然這種更換材料的設(shè)計(jì)方式在減輕工程機(jī)械整體重量方面有著非常顯著的效果，但是卻存在著工程機(jī)械設(shè)計(jì)成本較高的問題。比如，日本本田公司近年來研發(fā)的專門用于制作連桿的鋁合金材料，該材料采用了鋼絲與不銹鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合理念，使用這種材料制作的連桿重量與之前使用傳統(tǒng)鋼材制作的連桿相比不僅重量減輕了大約30%左右，同時(shí)克服了普通鋁合金

6、材料強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，該連桿的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，使得工程機(jī)械的油耗降低了5%左右。2.2制造工藝的輕量化設(shè)計(jì)針對(duì)工程機(jī)械制造工藝方面進(jìn)行的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)攪拌摩擦焊、激光焊接、熱處理工藝、真空增壓技術(shù)、鎖錨連接等各方面提出的要求進(jìn)一步提高的同時(shí)，工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造的成本也相應(yīng)增加。比如，國(guó)外某企業(yè)在生產(chǎn)大型挖掘機(jī)箱體、裝載機(jī)車架結(jié)構(gòu)時(shí)，使用了900-1600mpa高強(qiáng)鋼以及先進(jìn)磨具技術(shù)與成型工藝后，不僅新結(jié)構(gòu)件的厚度與之前相比減少了40%-50%之多，而且結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與可靠性也得到了顯著提高。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化一般情況下，工程機(jī)械設(shè)計(jì)輕量化設(shè)計(jì)理念要求設(shè)計(jì)人員必須通過改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形狀的方式，減少各個(gè)部

7、件材料的整體使用量，從而達(dá)到有效降低工程機(jī)械整體重要的目的。由于這種方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，具有不減少材料使用即可達(dá)到減輕工程機(jī)械重量的目的，再加上其具有設(shè)計(jì)成本低、性價(jià)比較高的特點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用于工程機(jī)械的設(shè)計(jì)中。目前，常見工程機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)主要有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等幾種。（1）尺寸優(yōu)化。就是通過對(duì)梁截面長(zhǎng)、寬以及板材厚度等結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化的方式，減輕工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體重量。（2）形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化就是通過對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔洞形狀、整體結(jié)構(gòu)外形等進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化的方式，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。（3）形貌優(yōu)化。形貌優(yōu)化就是在現(xiàn)有薄板上設(shè)計(jì)最合理的凸臺(tái)分布方案，從而達(dá)到

8、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的目的。（4）拓?fù)鋬?yōu)化。所謂拓?fù)鋬?yōu)化口述將材料分布設(shè)計(jì)空間作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，在優(yōu)化計(jì)算的過程中去除多余材料，最終得到材料使用量最少的設(shè)計(jì)方案。3工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用裝載機(jī)作為一種使用數(shù)量大且極具代表性的工程機(jī)械產(chǎn)品，其主要適用于石塊、水泥等散體物料的鏟裝、卸運(yùn)。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行裝載機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)該從裝載機(jī)主要零部件的輕量化設(shè)計(jì)方面著手。（1）驅(qū)動(dòng)橋殼作為裝載機(jī)的重要組成部分之一，其在裝載機(jī)運(yùn)行過程中不僅要承受巨大的載荷，而且還負(fù)責(zé)動(dòng)力的傳遞。南京林業(yè)大學(xué)的羊玢等人運(yùn)用有限元法針對(duì)裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深度的優(yōu)化與模態(tài)化分析，不僅將驅(qū)動(dòng)橋殼的整體厚度有之前

9、的15mm降至了12mm，而且其整體重量更是減輕了多達(dá)4.65kg。（2）變速器是裝載機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)的核心。天津工程機(jī)械研究院的許佳音等人經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐研究，借助有限元法完成了對(duì)裝載機(jī)變速器箱體的輕量化設(shè)計(jì)工作，不但保證了變速器箱體的整體強(qiáng)度，同時(shí)隨著變速器墻體厚度減少了2mm，變速器的整體重量也減輕了10%之多。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)罩作為裝載機(jī)最主要的覆蓋件之一。針對(duì)這一領(lǐng)域的研究，通過對(duì)輪式裝載機(jī)機(jī)罩與工作裝置的優(yōu)化研究時(shí)，融入了拓?fù)鋬?yōu)化、子結(jié)構(gòu)以及虛擬樣機(jī)等相關(guān)技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了針對(duì)裝載機(jī)機(jī)罩的輕量化設(shè)計(jì)，以及工作裝置性能的優(yōu)化目標(biāo)，而且促進(jìn)了裝載機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性的有效提升。結(jié)束語(yǔ)總之，全球經(jīng)濟(jì)一體化的迅速來臨，為我國(guó)工程機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。為了應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，工程機(jī)械制造企業(yè)必須加大具有創(chuàng)新能力設(shè)計(jì)人員的培訓(xùn)工作力度，才能在增強(qiáng)企業(yè)工程機(jī)械整體設(shè)計(jì)能力的前提下，促進(jìn)企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的全面提升。設(shè)計(jì)人員在開展輕量化工程機(jī)械設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面著手，合理運(yùn)用各種新型材料，才能設(shè)計(jì)出質(zhì)量更高且性能優(yōu)良的工程機(jī)械設(shè)備，降低了工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造的成本，節(jié)約了工程機(jī)械制造的能源和資源消耗量，為我