轻量化技术在工程机械研发中的应用

刘涛

摘要：对轻量化技术应用的研究，对于促进工程机械的快速发展具有十分重要的作用。本文着重阐述轻量化结构的优化设计与轻量化材料技术在工程机械研究中的应用，并对未来发展中需要解决的问题进行展望。

关键词：工程机械；轻量化技术；结构优化设计；高强度钢

1 引言

在现代工业中，“节能、环保”是现代机械工业发展的必然趋势。轻量化技术是一项全方位的系统工程，它涉及到产品设计、材料、制造等多个领域，其创新和优化需要从产品性能、重量、成本等角度来进行。为达到工程机械的轻量化研究目的，期间需要采用不同的相法，将作业性能、安全可靠性能与费用预算结合起来，使工程机械的动力性、经济性、安全性、可靠性得到显著提高，并能有效地减少对环境的污染。所以，强化轻量化技术在工程机械研发中的应用将能够有效实现导向节材、减重、减耗的目标，进而使我国由机械大国向机械强国转变。

2 工程机械轻量化设计概述

2.1 轻量化的设计理念

轻量化的概念首先被赛车运动所提出来，运用到赛车上，可以让赛车更轻便、更容易操控、更高效的动力输出。而在工程机械的设计中，则是通过优化材料、优化结构等方式实现工程机械的轻量化，这是一种跨学科的设计思想，它可以提高工程机械的工作效率，节省能源，减少生产成本，提高工程机械的工作效率。

2.2 轻量化技术的特点

轻量化技术最初的设计思想是为了更轻、更好地操控，同时实现更高效的的功率输出，在工程机械的设计中，主要表现为：（1）节能，据调查，每减轻100kg的重量，机械的百公里油耗将会下降0.6L/100km/h，并极大地提升产品的综合性能。类似的，在赛车行业中，有关的研究显示，每减少10%的赛车重量，就会减少大约7%的燃料消耗，同时，车辆的输出功率也会增加，从而产生更强大的动力和更高效的能量。中联重科研制的80纳米碳纤维混凝土泵车，采用碳纤维复合材料，可将泵车的重量降低约40%，燃油消耗比以前低15%，而且操作更加灵活，更加高效。（2）改进的方式相对而言更为简单，轻量化设计与其它领域的研究不一样，它涉及复合材料、机械设计、精密加工等方面，但它的设计并不复杂，只要在原有的机械结构上，通过调整机械结构、零件材料等方式，就可以达到降低能源消耗，提升生产效率的最终目标。

3 轻量化技术在工程机械研发中的应用

3.1 结构总成优化设计

老式工程机械的结构复杂、笨重、自重大、结构设计不合理、零件利用率低等问题是目前我国工程机械发展面临的主要问题。为此，需要进行结构组合优化，调整产品结构和各部件之间的关系，从而达到降低工程机械自重、降低运行能耗的目的。

在进行工程机械结构装配的优化设计时，应对其使用状况进行调查和分析，正确评价各零件的使用状况，并在不影响机械使用功能和运行质量的前提下，剔除多余的零件。以俄罗斯M3KT-652700为例，采用一种新型的整合式车桥结构，去掉多余的副车架，获得了较好的减重效果。而国内一些新型挖掘机的产品，则采用U型钢板消除部分多余零件，从而实现机械结构的优化。

以内燃机为例，大部分老式工程机械采用的是单片飞轮，其结构相对笨拙。一些公司采用全新的飞轮结构，把飞轮分成初级飞轮和次级飞轮。在齿轮轴末端处设置次级飞轮，使初级飞轮的位置与原来的飞轮位置一致，初级飞轮和次级飞轮采用弓簧部件联接。这样，发动机的飞轮重量可以降低到总体飞轮的90%，并且可以通过降低扭振作用力来改善齿轮箱的工作品质，使其达到最佳的尺寸。设计者依据已知信息，结合工程机械的实际应用情况，对其进行最优的调整。以ZL60型装载机为例，其产品结构采用新型TB1502型齿轮箱，其箱壁厚度较常规齿轮箱减少，使齿轮箱重量降低到原来的90%。在PT25高空作业平台上，设计者通过对下部支脚构件进行横断面尺寸的调节，使其实际重量减少到原来重量的92.4%。

3.2 仿真设计

采用工程机械轻量化的设计方式，可以有效地降低工程机械的质量，降低机械运行能耗，并且还能够有效控制机械产品的生产和使用费用。然而，在进行轻量化设计时，需要综合考虑材料、结构、用途、不同零部件之间的相互关系等因素，使得其设计的难度和工作量都很大。由于人的原因，在工程机械的轻量化设计中，存在着许多问题，因此，需要同时采用轻量化和模拟技术。这样，就可以利用现有的信息和工程机械的设计方案，建立高逼真的仿真模型，使设计者对工程机械的设计结果有直观的认识，并对各种环境下的工程机械进行仿真试验，以确保工程机械产品质量达标、满足实际使用需求。同时，它还可以为设计者提供大量的数值计算和问题求解工作，从而使设计者能够有效地获取超过其能力范围的资料，从而达到提高设计效率、不断修正设计方案的目的。以ZL50装载机为实例，采用模拟技术和有限元方法，对其进行结构优化，并对其进行改进，使其重量减少48.429公斤，减少4%。

3.3 优化制造工艺

在工程机械轻量化设计模型的早期推广中，由于在生产工艺上存在一定的滞后性，将导致工程机械的轻量化设计难以实施，从而制约轻量化技术的推广。为此，将需要持续地进行技术改造和优化，并积极借鉴国外先进的生产技术。目前比较常用的是增压、摩擦搅拌焊接、热处理、激光焊接、锁锚连接等新工艺。以某型挖掘机为例，采用一种新型的研磨和钢材成形工艺，使挖掘机的箱壁厚度降低至原来的一半，而箱体的重量减少45%。

3.4 应用高强度钢

在工程机械中，钢铁是一种常用的建筑材料，其使用的钢铁占工程机械的30%以上，在工程机械的轻量化设计中占有很大的比重。同时，近几年，工程机械的发展也出现高强度材料的发展。因此，要提高工程机械中高强度钢的使用率，加强高强度钢的研发。这样，不仅能提高工程机械的工作质量，而且能降低工程机械的质量。比如，近几年，我们研制的Q460,Q660,Q960等高强度钢被大量用于生产大型起重机的吊臂等工程机械，采用高强度钢代替300MPa的高强度钢，其重量可以降低到原来的50%。

3.5 应用碳纤维增强复合材料

与各种常规材料相比，碳纤维增强复合材料在高强度、高强度、长寿命、低质量的同时，还能在复杂的工作条件下，保持设备的平稳运转。在工程机械的轻量化设计中，应加强对碳纤维增强复合材料的开发。比如，最近几年，我国的重联重科公司引进一种新型的混凝土泵车，它采用大量的碳纤维复合材料，并配备80毫米的碳纤维臂，这样，它的质量就能达到同类产品的60%。另外，在挖掘机上安装碳纤维复合材料铲斗时，根据其本身的特点，可以有效地防止粘土问题的出现，改善物料的自由流动，从而改善挖掘机的实际操作性能。。

4 结束语

在我国工程机械工业发展的大背景下，轻量化设计被认为是今后工程机械设计的发展趋势，同时也是保护环境和提高工程机械产品性能的重要技术措施。因此，要提高轻量化技术的应用力度，提高对轻量化技术的重视程度，并找出实现工程机械轻量化设计的方法，不断优化和创新轻量化技术，进而更好地促进我国工程机械工业的健康、持续发展。

参考文献：

[1]杨春永,高乃修,耿青,王增锋.我国“碳达峰·碳中和”目标下工程机械绿色发展的技术路径探讨[J].润滑油,2022,37(01):6-11.

[2].中联重科凌云系列泵车全球首发轻量化硬核技术引领行业变革[J].建筑机械,2020(03):38.