探究实现工程机械轻量化的方法

张良刚

摘要：人们对工程机械的一般印象就是工程机械的体积非常庞大，工作起来动静非常大，比如起重机、挖掘机等。这些机械虽然能够帮助人们完成一些比较困难的工作，但是看上去显得非常笨拙，由于设备自身重量大，实际操作起来也会存在一定的安全隐患。针对上述问题，本文分析了工程机械轻量化的现状，研究了实现工程机械轻量化的方法。

关键词：工程机械；轻量化；方法

引言

如今的工程施工过程中都离不开机械设备的辅助，甚至有些工作必需由机械设备完成。传统的一些机械设备体积大、重量大，为了完成共工作量繁重的工作任务，这些设备的动力系统就要能提供充足的动力，但这种设计是非常耗能的，而且在工作中也会造成很大污染。现在人们都在寻求工程机械轻量化的方法，一旦这种方法得到普及，工程机械在制造和运输中的成本将大大降低，设备使用过程中的能耗与污染也将减少。

1研究工程机械轻量化的意义与我国的发展现状

1.1研究机械工程轻量化的意义

工程机械轻量化技术是通过选用新材料，采取新的工艺设计、优化设备结构等方式减轻工程机械的自身重量，但机械设备的整体性能不会因轻量化而降低反而会有所提高。这样的制造方法的好处是能够减少机械设备的制造成本和运输成本，在使用时也会减少能源消耗，降低污染物排放，做到低碳环保。我国的设计理论相对保守，在轻量化设计方面缺少经验，传统的机械设备设计时把安全系数作为首要研究对象，很少考虑运输过程，设计出来的设备安全系数过大，这样的设计不仅增大了重型设备的制造成本，无形中增大了运输成本，造成企业大量的资源浪费。在这样的背景下，就需要思考是否能够采用轻量化的工程设计。

1.2我国在机械工程轻量化的发展现状

我国的机械设备设计理念最初是和苏联学到的，机械制造业经过几十年的发展，当初的设计理念已经跟不上社会发展的步伐，由于我国的机械设备制造业相对落后，设计理论目前还比较保守，虽然安全系数过大，安全性能好，但是设备自身比较笨重。在设计的过程中，大多数是沿用以往的设计经验，很少有自己对于设计的理解与创新，通常的设计周期较长，加之没有学习先进的设计手段，所以没有多余的设计方案可供选择。另外，大部分企业缺乏自主创新能力，没有自己的核心技术，生产产品时一味的模仿，出现了大量仿制品。我国的工程机械轻量化技术还处于初级段，现如今的状况就是缺乏理论基础，对新技术不了解缺乏认知，大量机械产品的设计都采用或者借鉴国外的技术，但由于不能掌握其核心，生产的产品存在一定的缺陷。

1.3国内外工程机械轻量化的实例

变速箱对于机械设备的动力系统来说很重要，天津工程机械研究院通过对设备变速器箱体进行轻量化设计，在保证变速器箱体强度的前提下，使得变速器箱体壁厚减少了2mm,自身重量减少了十分之一。铲斗是挖掘机进行挖掘的重要部位，沈阳职业技术学院采用有限元分析方法对铲斗各板件的厚度进行了结构优化，分析结果使重量减轻48.429kg，减重率达4%。

日本丰田公司采用的连杆技术可以节省三分之一的钢材，同时还可以节约5%的汽油，可见轻量化的设计有助于能源的节约和资源的利用。机械工程的轻量化设计要针对机械的不同部件选用不同强度的材料，从而实现工程机械整机的轻量化。

2机械工程轻量化的研究方向

2.1使用新材料

工程机械未来会朝着轻量化的方向发展，所以设备强度是一个重点考虑的方向。传统设备中钢材占设备制造成本的很大一部分，高强度的钢材对机械设备制造的发展具有推动作用。目前，合金钢的应用逐渐广泛，通过在普通钢材中添加其他的合金元素提高了钢材本身的强度也减轻了钢材重量。使用合金钢来制造工程机械，可以提高机械设备的强度、刚度。同时，现在大量的技术应用和研究发现，应用合金钢制造的机械设备不仅自身强度、刚性得到提高，自身重量也减少很多。除合金钢之外，复合材料的应用也很多，这些复合材料拥有良好的抗疲劳性，其结构型稳定使用中不易变形，也有较强的抗腐蚀性，能够满足各种产品的性能需求。玻璃钢就是复合型材料中的一种，这种材料不仅工艺性能好，而且设计灵活，不仅成本低廉而且重量轻。玻璃钢在工程机械设计制造中的应用非常广泛，在压路机、装载机发动机罩上应用较为广泛。

2.2采取新的制造工艺

机械设备轻量化技术对制造工艺和技术要求比较严格，使用传统的制造手段会增加制造成本。随着搅拌摩擦焊、激光焊接、真空或增压技术、新的热处理工艺等新型制造手段的兴起，轻量化设计将变得不再困难。国外某企业生产的大型挖掘机箱体、装载机车架结构使用900-1600MPa高强钢，采用先进模具技术和成型工艺之后，获得的新结构件不但厚度较之前减少了50%左右，也大幅度降低了自身重量，同时还提高了强度和可靠性。运用新型的工艺制造方法进行设计时注意提高设计师的创新能力，发挥设计师的自主创造性，进行积极的技术创新和探索；同时要了解和掌握新型制造工艺的技术难点，在设计的过程中要注意数据的收集和整理，要强化设计师的实际理念，提高设计师的设计水平，创造出属于自己的设计理念。

2.3优化设备的结构

工程机械轻量化也可以通过改变结构形状，减少各部位的材料等方式来实现。这种方法要在不改变设备本身的性能的前提下使用，通过减少原本不必要的材料来减轻设备重量，具有成本低、高性价比的特点。工程机械中基于结构设计的轻量化通常分为四种优化类型，即尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化，如图一所示：

尺寸优化的对象大多是结构自身的各种几何参数，比如梁的截面长、宽，板材的厚度等，将一些不重要结构的尺寸进行优化，通常不会改变原本的拓扑结构和形状。形状优化的对象大多是针对结构本身的孔洞形状或整体结构的外形，如结构内部圆孔的直径、凸台的形状等。形貌优化的过程一般是在已有薄板上寻找出最佳的凸台分布方案，达到提升结构强度和刚度的目的。拓扑优化的过程大多是以材料均匀分布的设计空间为优化对象，通过优化计算去除多余的材料，从而得出用料最少的方案。值得注意的是对设备结构进行优化时要确保设备原本的工作性能和安全性能，不能一味的想实现设备轻量化而忽视了设备原本的属性。

结语

轻量化是未来工程机械的发展趋势，在一定程度上减少了能源消耗，节约了制造成本。我国工程机械轻量化还处于发展阶段，工程机械轻量化技术对我国来说是一个新领域，我国的科研人员应积极学习国外的先进经验，填补我国在工程机械轻量化领域的空缺，提高我国制造业水平与竞争力。

参考文献

[1]翟庆波,苏兆婧.轻量化设计在工程机械中的应用[J].设计,2016,(17):120-121.

[2]王月云.工程机械轻量化方法与设计研究[J].中国金属通报,2017,(05):79-80.