工程机械设计中轻量化技术的应用研究

2023-01-05蔡啟超

中国设备工程 2022年15期

蔡啟超

（酒钢集团智美广告装潢工程有限责任公司，甘肃嘉峪关 735100）

轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势在于提高燃油效率和降低油耗，进而环保节能。在保证行驶安全的同时，降低汽车整车重量，减少燃油耗量，已成为汽车制造的趋势。对于工程机械来说，目前工程设计中所取的安全系数过大，造成工程机械自身过重，不方便运输和移动。而轻量化设计能解决这些问题，从而有效推动工程机械的发展。轻量化实施是一个长期积累和逐步求精的过程。我国设计理论相对保守，这样的背景下，思考采用轻量化的工程机械设计应考虑以下几点：加大材料抵抗外力变形能力和零件受到冲击载荷发生屈服后仍能维持功能的投入力度；重视科研队伍人才的培养和建设，以保证工程机械设计轻量化技术稳定发展；加大实际试验的投入，做好数据积累工作，以便拥有属于自己的数据，便于修正设计参数，保证设计的可行性和有效性；要求设计师转变观念，向全面自主创新方向发展，多鼓励和支持设计师积极创新；学会并熟练掌握数字化设计手段和软件工具；增强开发与应用专用设计与计算软件，提高升级换代速度，最终使产品效能、成本、重量等因素都得到优化处理。

1 轻量化技术概念

随着社会的快速发展，工程机械轻量化受到广泛关注和重视。轻量化技术是在保证产品的基本使用性能要求、安全性要求和其成本控制要求的前提下，从结构、材料、工艺等方面，应用新设计、新材料、新技术来实现对产品整体的减重，以完成工程机械向“低能耗”“低排放”的转变。轻量化已经在制造业中形成广泛的共识，根据行业和客户的需求，生产、研发相关产品，使得工程机械轻量化设计成为目前改善能耗问题的必要途径。

2 轻量化技术现状

我国工程机械产业经过漫长的发展目前已有非常客观的成果，生产出的产品已基本满足国内、国际市场的需求。传统工程机械生产技术结合人工智能技术、电子信息技术、网络通讯技术等高新技术，有效提高了机械产品的技术含量，形成了“机电信一体化工程机械”和“智能化工程机械”。加上国家宏观调控政策的逐步到位，宏观经济形势逐步好转，机械工业下行态势也将逐渐企稳，加上行业发展的积极因素也在不断积聚，部分结构调整起步较早的企业、行业和地区也开始逐渐朝着绿色发展工程机械方向发展。但在发展道路上，也存在着很多弊端，包括产品档次低、技术核心不达标、相关技术匮乏、创新能力不足、节能环保不达标等问题，对新技术、新方法、新材料的运用不广泛，也没有自己的实验数据，在应用过程中捉襟见肘。与发达的工业强国相比，还有一段差距。现如今，我国正处于“节能减排”的攻坚时期，轻量化技术在汽车行业已有显著成效，工程机械轻量化更是未来发展趋势。个性化产品是为适应于某一种特定工况而出现的，一机多用是工程机械发展的另一个方向，这无疑会提高设备的利用率。

3 工程机械设计中轻量化技术的难点问题

3.1 设计周期短，工作量大，无暇轻量化

设计周期是工程项目建设总周期的一部分。快速发展的过程中，设计周期不断被压缩，设计师工作量巨大，设计师还不具备轻量设计的能力，若执意设计轻量化，技术转化难度也会非常大。

3.2 对产品一次研发成功的要求高，不敢轻量化

对新产品的要求高，设计师顶着压力，为保证研发成功，不敢大量应用轻量化，这样一来也就少了很多自己的数据，对机械工程轻量化的发展不利。

3.3 缺乏理论和先进设计的学习，不会轻量化

工程机械不再是传统的集成化、智能化控制，需要在网络的智能化机群协调控制的基础上越来越倾向自动化发展。实际上，设计师缺乏轻量化理论的学习和先进设计软件的培训，导致不会轻量化。

3.4 不确定因素较多，定量难度大

由于我国对轻量化设计缺乏自己的实验数据，设计过程中存在大量的不确定因素，以此在定量上难度大。

3.5 着重理论研究，技术转化难度大

尽管各大高效和科研院所开始重视轻量化，但也仅限于轻量化的理论研究，实践能力还不够，因此，对工程机械设计技术转化难度很大。

4 工程机械设计中轻量化技术实现途径

4.1 结构装配优化

在工程机械设计中，实现轻量化设计的途径之一就是结构装配的优化。系统化和大型化将是工程机械发展的主要趋势，目前国内还不具备该类型产品批量生产的能力。利用计算力学和计算机技术的优势，应用于整体结构设计中，大大简化了司机的操作程序和提高了机器的技术性能。同时利用电子控制可以自动选择机器的作业模式；利用电子监测可以及时发现和排除机器系统的故障；利用电子传感器经微电脑处理可以自动检测机器的作业质量，对促进工程机械发展有很大的推动力。可采用创新机构设计方法，尽可能减少零部件数量，使结构更紧凑，提高机械设备构建的截面抗弯截面系数和抗扭截面系数。此外，为了满足客户的不同需求，工程机械企业已进入多用途、微型化发展阶段，但在一些作业空间狭小的项目上，人工作业受到很大的限制，为了满足客户的不同需求，工程机械企业需向多用途、微型化发展阶段发展，工程主机作业功能由单一功能向多功能转化，提高机械产品的通用性。

4.2 仿真设计

设计是把一种设想通过合理的规划、周密的计划、通过各种感觉形式传达出来的过程。依托于互联网和大数据的计算机仿真平台，可以提供更多的试验模式，一方面能保证工程机械模型的科学性、多样化，另一方面通过仿真实验平台可为机械实验提供高效、稳定、经济的试验模式，促使登陆者可得到更完整的实验数据及工程机械各种参数变化曲线拟合，节约了成本。结合时代的发展特点，依托先进的科技成果，采用智能化控制系统，减少工作人员操作的工作量，这提高了工程机械的信息技术含量。工程机械轻量化不是简单的问题，它涉及到多门学科综合设计优化的问题。但因为目前存在的种种问题，还不能够在一次优化中对它们进行全面综合的考虑。在设计中，通过分解与协调，可作为仿真设计的进一步完善和提高。在实际工作中，我们也建议深入理解和应用三维CAD 软件，充分体现微电子和信息集为一体的“机电信一体化技术智能系统”，这对工程机械性能方面的提升有积极作用。

4.3 制造工艺优化

如今，工程机械轻量化设计模式还处于推广的初期，部分制造工艺滞后，这对工程机械轻量化发展产生严重的阻碍作用。目前，几乎所有的优化设计思路都是在保证工程机械的自身重量下，通过给定的工况下设计出最优的结构装配。这样将导致机械设备制造成本巨大，运输成本也很大。此时，应积极探索新工艺，将轻量化技术与新兴科学技术相结合来提高机械零部件的性能，从而在实现产品质量的稳定性，提高劳动生产效率的同时，改善工人的工作条件和劳动强度。比如，某一起重机桥架原以四梁结构形式，现利用扁钢和方钢所取代，使得起重机的整体质量大大减少。在徐晟、黄立新等人研究中报道，提高铝合金激光增材与精密度切削加工的零件表面质量，对促进机械制造中部件轻量化、整体化发展有积极意义。

可通过控制构建的冶金结合质量及致密度，以及解决逐层熔化堆积、循环加热冷却及切削加工过程中产生的应力积累效应等问题，来获得低应力状态的铝合金薄壁构件是完全可行的。机械工程向轻型化、平稳性方向发展，对构件的尺寸精度、重量进度及力学性能等方面都提出了较高的要求，对促进精化生产工艺的发展提供条件。搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金以及用熔焊方法难以焊接的材料。与普通摩擦焊相比，它解决了一些限制，如焊接强度高、变形小、无飞溅、绿色环保。搅拌摩擦焊的接头性能普遍优于熔化焊的，且没有融化焊时的气孔、裂纹及合金元素烧损等缺陷。搅拌摩擦焊与常规摩擦焊一样，不同之处在于焊接过程是一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时其接头性普遍优于融化焊接。因为搅拌焊头能与焊件表面摩擦生热和锻压共同作用，形成致密牢固的固相焊接接头。搅拌摩擦焊的优点包括焊缝质量好、不受轴类零件限制、操作简便，质量稳定，重复性高、不需焊丝和保护气氛。但该技术也存在一些缺点，比如在焊接时机械力较大，需要焊接设备有很好的刚性，搅拌焊头的磨损相对较高，与弧焊相比，缺少操作的柔性。激光焊接技术能量高度集中，对许多零件来讲，不产生热变形或热变形极小，能焊接高熔点、难溶、难焊的金属。且该技术在空气中就能直接焊接，与一些需在真空室中焊接的电子束焊接方法相比，此方法更简便。随着机械工程产业的快速发展，市场上激光工艺技术的要求越来越高。市场对激光加工要求切割和焊接一体化的需求也越来越多。同时因其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中，易实现自动化。上述技术手段为推动工程机械整体性能的设计实现提供了极大的技术条件与便利性。

4.4 新材料的选择

关于目前实现工程机械轻量化设计的路径有两方面，一种是通过结构的设计，对整个产品的主要承力部件进行加强，在性能满足的前提下，选用适合的材料板厚等来实现结构轻量化设计；另一种就是使用新材料来实现轻量化设计，比如使用密度更小的新材料来代替钢材实现轻量化设计，以及使用强度更高、板厚更薄的热成型材料代替普通高强度钢来减少加强结构零件的数量实现轻量化设计。目前主要还是依赖材料轻量化。其中热成型材料本身是一种材料轻量化的设计，既能保证结构的性能，大大降低机械重量，同时轻量化效果更为明显。

4.5 加大科研投入

实现工程机械轻量化是一个长期积累、逐步完善的过程。想要实现工程机械轻量化，不仅需要投入大量的资金成本，还需要加大科研投入，打造具备一定创新能力的科研团队。设计团队需要具备稳定性和凝聚力，通过不断的实验和创新，成功积累经验，对实验数据进行分析，根据实验数据设定参数，使用先进的数字设计技术和软件工具来改进设计的迭代周期。近年来，已有地区深入实施和开展创新驱动发展战略和人才强区战略，与某大学合作搭建了科技成果转化、中试孵化和产业化科研平台，并成立了科技园。依托该科技园，开平区全力推动与人才、技术和项目的对接，吸引了高新技术企业、高科技项目、高层次人才进行创新创业，为建设成为具有一定竞争力和创新示范价值的轻量化技术创新成果转化基地打下坚实的基础。