工程機械行業(yè)主要發(fā)展技術方向之輕量化

“節(jié)能環(huán)保”日益成為全社會關注的焦點，用更小的消耗，產(chǎn)生更多的效用成為制造業(yè)追求的目標，輕量化技術因此也逐漸受到國內外制造業(yè)的重視。工程機械行業(yè)也不例外，特別是近年來，隨著工程機械行業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化將成為行業(yè)的主要發(fā)展技術方向之一。　　工程機械的輕量化，對于減少鋼材消耗以及相應生產(chǎn)、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能源消耗，降低作業(yè)過程中的能耗與廢氣排放、降低噪聲等都具有直接影響，節(jié)能減耗的潛力巨大?！　≥p量化設計的特點　　輕量化是一個系統(tǒng)工程，是在綜合考慮重量、性能和成本等因素后的產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化，涉及產(chǎn)品設計、制造和材料等企業(yè)運作的各個方面。有別于以運輸為主要功能的傳統(tǒng)車輛，工程機械是以工程作業(yè)為主要功能的產(chǎn)品。因此，工程機械的輕量化設計應該理解為：針對工程機械的特點，通過各種相關現(xiàn)代設計、分析和測試技術，在保證作業(yè)性能、燃油經(jīng)濟性能、成本和安全可靠性等綜合指標的前提下，以降低產(chǎn)品原材料和能源等的消耗、減少環(huán)境污染為最終目的，所進行產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化設計活動的總稱。總體而言，工程機械輕量化設計具有以下兩個特點?！　〉谝?，充分了解和掌握工程機械的基本功能和性能是進行輕量化設計的基礎。例如作業(yè)性能是工程機械的主要指標，因此在進行輕量化設計的過程中就要兼顧減重和其他基本設計要求之間的關系。以裝載機為例，牽引力和穩(wěn)定性指標均與整機質量有一定關系，因此必須確保一定的整機最小質量以保證產(chǎn)品具備較好的牽引能力，這時的輕量化設計就不能一味地去減少整機或零部件的質量，而是要根據(jù)整體的性能要求，合理分配車架、工作裝置等組成部件的減重目標，優(yōu)化結構布局和材料、工藝的選擇，最終得到技術和成本等協(xié)調的輕量化方案。此外，建立和完善工程機械各種載荷譜數(shù)據(jù)庫，對于實施工程機械的輕量化設計和可靠性設計也是至關重要的工作?！　〉诙?，工程機械的輕量化是一個創(chuàng)新和多目標的綜合優(yōu)化過程。其既是一個結構、材料和工藝的創(chuàng)新過程，也是一個涉及結構優(yōu)化、材料選擇、制造工藝選擇，以及成本、可靠性和各種性能參數(shù)的多目標多因素綜合目標的優(yōu)化過程。根據(jù)實際設計需要和條件，設定輕量化的目標，選擇相應的方法進行設計?！　≥p量化設計的內容　　工程機械輕量化設計的研究內容可以分為以下幾個方面。輕量化設計方法論研究工程機械輕量化是一個系統(tǒng)工程，不同類型的工程機械雖然結構形式、功能和性能指標各異，但是通過研究、總結和歸類，找出能夠指導多數(shù)工程機械產(chǎn)品輕量化設計的方法和流程，對于深化和推廣該技術具有重要作用。　　通過結構優(yōu)化、配置優(yōu)化和結構創(chuàng)新實現(xiàn)輕量化設計CAE仿真和優(yōu)化方法是工程機械輕量化設計的一個常用的、重要的工具和手段， 針對可輕量化的工作裝置進行結構優(yōu)化設計，如裝載機的鏟斗、動臂和搖臂、叉車門架、挖掘機動臂、泵車臂架等裝置，對應力較大、應力集中的部位進行結構優(yōu)化，盡可能地減少局部應力集中，去除冗余。此外，也可以通過采用性能更優(yōu)、成本更低和質量更輕的零部件代替原有零部件，如發(fā)動機、驅動橋、輪胎等?！　⌒虏牧系难芯亢蛻谩　≡谳p量化材料研究和應用方面，目前，高強鋼、超高強鋼、鋁、鎂等合金新材料及先進成形技術近年來得到了快速發(fā)展，如國內已開發(fā)出抗拉強度大于1500MPa的承載結構件產(chǎn)品，是當前工程機械上廣泛采用的材料強度的4～5倍，可實現(xiàn)結構件輕量化。　　評價方法　　在工程機械輕量化設計過程中，要綜合考慮產(chǎn)品的質量、成本、性能以及環(huán)境影響等因素，權衡各因素之間的關系，得到一個滿意的設計方案。因此，根據(jù)設計要求，建立評價指標體系，對輕量化設計方法進行評價，可以排除人為的主觀隨意性，使相應的方案更加正確、合理、有效?！　」に嚭驮囼烌炞C等其他支持技術采用輕質新材料與采用新型工藝、新的制造加工方法是相輔相成的，例如多鏈接結構的一體化設計制造可有效優(yōu)化系統(tǒng)結構，減少焊接等加工工序，減重效果顯著。同時，在工程機械輕量化過程中，無論是哪個階段都要重視試驗，對試驗數(shù)據(jù)積累和分析，不斷地使用有利的實驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)修正，也要重視設計思路的改變，向自主創(chuàng)新方向發(fā)展?！　‘斍?，輕量化已成為包括工程機械行業(yè)在內的制造業(yè)的一種發(fā)展趨勢，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的綠色工程機械已經(jīng)被越來越多的國內工程機械企業(yè)作為核心的發(fā)展戰(zhàn)略之一。對于我國工程機械輕量化設計等技術的發(fā)展，一方面，需要根據(jù)市場需求，在繼續(xù)提高可靠性等基本技術指標基礎上，積極采用和深化對CAE、試驗測試等技術的研究，努力提升國內企業(yè)輕量化設計、制造等技術能力;另一方面，隨著再制造、綠色制造等技術的發(fā)展，以及工程機械也正朝著智能化、多功能化和微型化、大型化、系列化的方向發(fā)展，工程機械的輕量化技術發(fā)展并不孤立，而與上述這些技術的發(fā)展緊密相關，相互促進?！　≥p量化現(xiàn)狀速覽　　國外工程機械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀　　在輕量化材料使用和制造方法方面，國外普遍借鑒材料科學與材料加工科學的研究成果，將高強鋼等新型材料應用于零部件設計與制造中，在保障強度的基礎上，有效減輕零部件自身載荷，達到輕量化的目的。國外某大型裝載機車架結構、挖掘機箱體等結構選用900～1600MPa高強鋼，采用先進成形工藝和模具技術，獲得比原先設計厚度減少40%～50%的新型結構件，質量減少40%～50%，同時也提高了強度與可靠性，綜合效應顯著提高?？ㄌ乇死展旧a(chǎn)的CAT660型自卸車，采用鋁合金駕駛室，美觀、堅固;本田公司開發(fā)的用不銹鋼絲增強的鋁基+鋼絲復合材料，既克服了鋁合金強度比鋼低的弱點，又保持了質輕的優(yōu)點，成為質輕但強度又高的新型鋁合金材料，用它制作的連桿比鋼連桿質量輕30%，裝入1.2L的汽油機，可節(jié)油5%?！　鴥裙こ虣C械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀　　我國工程機械輕量化設計興起還是近幾年的事情。國內研究機構對工作裝置機構分析動力學仿真、車架結構分析及優(yōu)化設計等方面先后進行了深入的研究，相關研究成果也比較豐富。在輕量化支承件、結構件制造技術方面，國內開發(fā)出高強鋼/超高強鋼零件設計制造技術，零件強度可達到 900～1600MPa，在汽車制造行業(yè)已逐步推廣應用。工程機械行業(yè)還需要針對工況要求進行分析，開發(fā)大型件的先進成形工藝和模具，預計未來幾年將逐步在行走式工程機械行業(yè)得到廣泛應用?！　≡谳p量化材料應用方面，如2012年中聯(lián)重科開發(fā)的80m碳纖維臂架混凝土泵車，采用了碳纖維復合材料、優(yōu)化結構，同時采用小一級底盤(即 60m鋼臂架混凝土泵車底盤)等工程機械輕量化技術，比同級的鋼臂架混凝土泵車質量減輕40%，油耗降低15%，可靠性提高，整車長度短30%，運輸和使用方便。中南林業(yè)科技大學和長沙明賢機電有限公司聯(lián)合開發(fā)的MTH框架式鋁合金混凝土整平機，比鋼材質整平機輕便，易于移動作業(yè)。