陈尚哲
江苏金恒信息科技股份有限公司 江苏 南京 210044
摘要：近年来，轻量化已成为包括工程机械行业在内的制造业的一种发展趋势，开发节能环保的绿色工程机械已被越来越多国内工程机械企业作为核心发展战略之一。基于此，文章围绕轻量化技术在工程机械设计领域中的应用现状展开了探讨，并提出了工程机械轻量化设计的实现途径，希望保证工程机械产品使用安全、运行稳定，全面提高工程机械性能质量。
关键词：工程机械设计；轻量化技术；绿色节能
引言
在我国，多数产品从研发到设计对新材料、新工艺的应用还不够广泛，依旧是对国外工程机械产品的仿制或直接引进，同世界发达国家的先进制造业水平相比还存在一定差距。我国工程机械的轻量化技术研究还处于起步阶段，缺乏在工程项目中的实践应用。在保证部件刚性、强度等物理特性、力学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，加快中国从机械大国走向机械强国的步伐。同时，对工程机械的轻量化设计还可不同程度地减少生产材料的碳排放量以及作业过程中的能耗等，在提高机械动力性、降低摩擦力、驱动力、接触力，减少驱动部件的驱动能量等方面效果显著，进而提高工程机械产品及其部件的使用寿命。对工程机械进行轻量化设计有利于推进我国制造业向环保化、高功能化的方向发展，使我国制造业走上一条快速、经济、可持续发展的道路。
1工程机械轻量化的发展现状
1.1我国的设计理念保守
我国的机械设计最初是采用苏联的设计理念。经过几十年的发展，已经不能再适应社会的发展，我国的钢结构设计理论目前还比较保守，器件比较笨重，安全系数过大。
1.2设计中缺乏核心技术
在设计的过程中，没有吸收先进的设计技术，长期采用类推的方法，设计的周期较长，没有多余的选择方案可以进行选择。缺少优秀的评价标准，企业自主创新能力薄弱，生产大量仿制品，没有自身的核心技术，没有实验所需要的数据。同时，也缺乏理论基础，对智能技术的探究缺乏深度和认识。
我国的工程机械轻量化技术还处于初级阶段。在我国，大量机械产品的设计都采用或者借鉴国外的经验数据，由于长时间没有进行更新，已经不能适应社会的发展需求。在我国的制造行业中，制造技术的发展还比较年轻，对于新技术、新方法、新材料的运用都还不很广泛。如果没有自己的实验数据和创新能力，工程机械轻量化还有相当长的一段路要走。我国与发达的工业强国相比，还有一段很大的差距。我国的工程轻量化技术还处于研究的初级水平。要想发展工程技术的轻量化就需要不断研发新技术，采用新材料。在设计过程中，要注意优化产品设计，从根本上提高材料的利用率，同时保持零件的刚度、强度以及抗疲劳性。
2轻量化设计的必要性
在我国工程机械制造行业早期发展阶段中，由于机械产品设计理念较为滞后，受到制造工艺限制，多数机械产品存在结构自重量过大、产品使用笨重、运行质量差、能耗大的问题，在实际应用过程中时常出现各类故障，很难有效应对复杂的工作环境，机械运行效率低。而轻量化技术的应用，可以在提高产品性能质量的同时，有效解决以上问题。
工程机械轻量化设计的主要价值体现如下：1）控制原材料消耗。通过对机械产品结构的优化设计，可以起到优化不同执行机构与部件间的关系、减小钢材等原材料消耗量的作用，将工程机械产品的制造成本控制在较低范围。2）改善机械产品动力性能。在早期型号工程机械产品使用期间，由于机械设备自重量较大，动力机构需要持续提供较大驱动力，才能拉动工程机械、执行各项动作。
工程机械产品的轻量化设计，可以减小机械产品结构自重量，动力机构仅需输入一定的驱动力即可，客观层面上起到了控制机械产品运行能耗、改善产品动力性能的作用。根据相关调查结果显示，工程机械产品一般部件的自重量每减轻1%，可以将产品运行能耗降低1%左右，减排效果提升0.4%左右。
3工程机械轻量化设计的技术实现途径
3.1仿真设计
在工程机械轻量化设计模式下，虽然可以有效减轻工程机械质量、降低机械运行能耗、控制机械产品的制造与总体使用成本。但是，在轻量化设计过程中，需要设计人员综合考虑材料、结构、使用用途、不同零部件之间的关系等诸多因素，设计难度与工作量较大。受到人为因素影响，工程机械轻量化设计方案中存在多项问题，应同步运用轻量化技术与仿真技术。如此，既可以在已知信息与工程机械设计方案基础上构建高度拟真的仿真模型，帮助设计人员直观了解工程机械设计成果，开展仿真实验模拟工程机械在不同环境条件下的运行工况，保证工程机械产品质量达标、满足实际使用需求。
3.2结构总成优化设计
在老旧型号的工程机械产品中，普遍存在结构复杂笨重、自重量大的问题，结构设计方案不合理，零部件的实际利用率低。因此，需要对工程机械进行结构总成优化设计，通过调整产品结构、不同部件之间的关系，实现减轻工程机械自重量、降低运行能耗的目标，可将结构总成优化设计工作细分为尺寸优化、拓扑优化、形状优化以及形貌优化四方面。
在开展工程机械结构总成优化设计工作时，必须对基础型号工程机械的实际使用情况进行调查分析，准确评估不同部位部件的实际使用率，在不影响工程机械使用功能、运行质量的基础上，取消冗余部件。例如，在俄罗斯M3KT-652700型自卸车中，使用了全新的整体式车桥结构，取消了冗余的副车架等部件，取得良好的车辆轻量化效果。而在我国部分新型挖掘机产品中，通过使用U形板来取消加强板中的部分冗余零部件，优化机械结构。以发动机为例，在多数老旧型号工程机械中，所配置的发动机为整体式飞轮结构，结构较为笨重。部分企业选择采取全新的剖分式飞轮结构，将飞轮分为初级飞轮、次级飞轮两部分。将次级飞轮在变速箱轴端部位加以设置，将初级飞轮位置与整体式结构中的原有飞轮位置保持重合，使用弧形弹簧部件对初级、次级飞轮进行耦合连接。如此，可以将发动机飞轮质量缩减为整体式飞轮结构质量的90%左右，并通过抑制扭振作用力起到提高变速箱运行质量的作用，优化了整体尺寸。
3.3基于材料的轻量化设计
基于材料的轻量化设计，在材料的选取上，使用高强度钢材（热成型钢材）、轻合金（铝合金、碳纤维、镁合金）、记忆金属（微晶钢）、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等。采用更换材料的方式减轻工程机械的重量效果较为突出，但同时成本较高。例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，其采用了钢丝与不锈钢丝增强的铝基复合机制，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%，同时又克服了普通铝合金材料强度低于钢材的特点，经验证，此种连杆装入1.2L的汽油机,可实现节油5%。
结语
在当前我国工程机械制造业发展背景下，轻量化设计被视为工程机械设计领域的未来发展方向，也是保护生态环境、提高工程机械产品性能的主要技术手段。因此，企业必须加强轻量化技术的应用力度、提高重视程度，明确工程机械轻量化设计的实现途径，采取上述技术应用措施，持续对轻量化技术体系进行优化创新，推动工程机械制造业的健康、可持续发展。
参考文献
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