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对轻量化设计在工程机械中应用的探讨

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车麒麟李宗义

摘要：轻量化设计对于工程机械的快速发展起着重要的推动作用。基于此，下文介绍了轻量化的概念以及在工程机械领域的应用现状，对实现工程机械轻量化设计的主要技术途径进行了叙述，并且以装载机为例对如何实现其主要部件的轻量化设计进行了详细阐述，希望对相关人员提供帮助。

关键词：工程机械；轻量化设计；实例分析

引言

为了实现工程机械轻量化的研发目标，在安全可靠和成本预算指标的前提下，运用轻量化的设计方法，可以大幅度提升工程机械的动力性、经济性以及安全可靠性，同时还可以降低产品原材料和能源的消耗，从而减少对环境的污染问题。因此，轻量化设计在工程机械中的应用，可以推动我国从机械大国向机械强国的转变。

1轻量化技术的基本概念

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，其是指通过材料优选、改善制造工艺、优化结构参数等途径来减轻工程机械主要部件以及整机的质量，从而实现降低制造和使用的成本、节能减排等综合目标的技术。由于我国工程机械设计理论相对保守，在设计时所取的安全系数比较大，导致结构本身的重量也比较大，从而增加了企业的制造和运输成本以及用户的使用成本，不能有效利用资源和保持企业竞争力，因此在这种背景下，对于轻量化设计在工程机械中的应用就显得尤为重要了。

2工程机械轻量化的应用现状

目前，我國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。

3工程机械轻量化设计的主要途径

3.1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。

3.2基于结构的轻量化设计

基于结构的轻量设计是通过改变结构形状减少各个零部件的使用量，从而达到工程机械轻量化设计的目的。此方法在不改变各项要求的前提下，可以通过对原始材料的使用来减轻机械重量，具有成本低、性价比高的特点。同时，在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、形貌优化、形状优化和拓扑优化，如图1所示。其中，尺寸优化通常不会改变原本的拓扑结构和形状；形貌优化的过程一般是在已经有的薄板上寻找最佳的凸台分布方案，从而提升结构的强度和刚度；形状优化的对象大多是结构内部的孔洞形状；拓扑优化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，从而得出用料最少方案。

3.3基于制造工艺的轻量化设计

基于制造工艺的轻量化设计包括激光焊接、搅拌摩擦焊、新的热处理工艺、锁锚连接以及真空或者增压技术等，此方法对生产设备以及技术的要求和成本要求比较高。比如，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，采用先进磨具技术和成型工艺之后，获得的新结构件比原来的厚度减少40%～50%，等同于重量降低40%～50%，同时提高了强度和可靠性。

4工程机械中轻量化设计的实例

由于装载机是我国工程机械领域中生产规模最大的产品，其主要的用途是铲装、卸运石料一类的散装物料，而轻量化技术在装载机的各种重要零部件优化设计方面取得了不少的研究成果。首先，作为装载机的重要零件之一的驱动桥壳，在装载过程中既要承受载荷又要传递动力，因此，通过采用有限元方法对轮式装载机的驱动桥壳进行结构优化和模态分析，使桥壳的厚度由15mm降至12mm，重量可减轻4.65kg；其次，变速器在装载机传动系统中起着至关重要的作用，通过有限元分析法对装载机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