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工程机械行业主要 发展技术方向之轻量化
DATE:2019-5-5   VISITORS:201

  “节能环保”日益成为全社会关注的焦点,用更小的消耗,产生更多的效用成为制造业追求的目标, 轻量化技术因此也逐渐受到国 内外制造业的重视。工程 机械 行业也不例外,特别是近年来,随着工程机械行业的迅速发展,轻量化将成 为行业 的主要发展技术方向之一。
  工程机械的轻量化,对于减少钢材消耗 以及相 应生产、运输等环节的能源消耗,降低 作业过程 中的能耗与废气 排放、降低噪声等 都具有直接影响,节能减耗的潜力巨大。
  轻量化设计的特点
  轻量化是一个系统工程,是在综 合考虑重量、性能和成本等因素后的产品创新和优化,涉及产品设计、 制造和材料等企业运作的各个方面。有别于以 运输为主要功能的传统车辆,工程机械是以工程作 业为主要功能的产品。因此,工程机械的轻量化设计应该理解为:针对工程机械 的 特点,通过各种相关现代设计、分析和测试技术,在保证作业性能、燃油经济性能、成本和安全可靠性等综合指标的前提 下, 以降 低产品 原材料和 能源等的消耗、减少环境污染为最终目的,所进行 产品创新和优化设计活动的总称。总体而言,工程机 械轻量化设计具有以下两个特点。
  第一,充分了解和掌握工程机械的基本功能和 性能是进行轻量化设计的基础。例如作业性能 是工程机 械的主要指标,因此在进行轻量化设计的过 程中就要兼顾减重 和其他基本设计要求之间的关系。以装载机为例,牵引力和稳定性指标均与整机质 量有一定关系,因此必须确保一 定的 整机最小质量以保证产品具 备较 好的牵引能力,这时的轻量化设计就不能一味地去减少整机或零部件的质量,而是要根据整体的性能要求,合理分配车架、工作装置 等组成部件的减重目标,优化结构布局和材料、工艺的选择, 最终得到技术和 成本等协调 的轻量化方案。此外,建立和完善工程机械各种载荷谱数据库,对于实施工程机械的轻量化设计和可靠性设计也是至关重要的工作。
  第二,工程机 械的 轻量化是一个创新 和 多目标的综合优化过程。其既是一个 结构、材料和工艺的创新过程,也是一个涉及结构优化、材料选择、制造工艺选择,以及成本、可靠性和 各种 性能  参数的多目标多因素综 合目标的优化过程。根据实 际设计需要和条件,设定轻量化 的目 标,选择相应的方法进行设计。
  轻量化设计的内容
  工程机械轻量化设计的研究内容可以分为以 下几个方面。 轻量化设计方法 论研究工程机械轻 量化是一个 系统工程,不同类型的工程机械虽然结 构形式、功能和性能指标各异,但是通过研究、总结和归类, 找出能够指导多数工程机械产品轻量化 设计的方法和流程,对于深化 和推广该技术具有重要作用。
  通过结构优化、配置优化和结构创新实现轻量化设计CAE仿真和优化方法是工程机械轻量化设计的一个常用的、重要的工具和手 段,  针对可轻量化的工作装 置进行结构优化设计,如装载机的铲斗、动臂和摇臂、叉车门架、挖掘机动臂、泵车 臂架等装置,对应力较大、应 力集中的部位进行结 构优化, 尽可能地减 少局部 应力集中,去除冗余。此外,也可以 通过采用性能更优、成本更低和质量更 轻的零 部件代替原有零部件,如发动机、驱动桥、轮胎等。
  新材料的研究和  应用
  在轻量化材料研究和应用方面,目前,高强钢、超高强钢、铝、镁等合金新材料及先进成 形技术近年来得到了快速 发展,如国内已 开发出抗拉强度大于1500MPa的承载结构件产品,是当前工程机械上广泛采用的材料强度的4~5倍, 可实现结构件轻量化。
  评价方法
  在工程机械轻量化设计过程中,要综合考虑产品的质量、成本、性能以及环境影响等因素,权衡各因素 之间的关系,得到一 个满意的设计方案。因此,根据设计要求,建立评价指标体系, 对轻量化设 计方法进行评价,可以排除人为的主观随意性,使相应的方案更加正确、合理、有效。
  工艺和试验验 证等其他支持技术采用轻质新材料与采用新型工艺、新的制造加工方法是相辅相成的,例如多链 接结构的一体化设计制 造可有效优化系统结构, 减少焊接等加工工序,减重效果显著。同时,在工程机械轻量化过程中,无论是哪个阶段都要重视试验,对试验数据积累和 分析,不断地使用有利的实验数据进行参数修正,也要重视设计思路 的改变,向自主创新方向发展。
  当前,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 绿色工程机械已经被越来越多的国内工程机械企业作为核心的 发展战略 之一。对于我 国工程 机械轻量化设计等 技术的发展,一方面,需要根据市场需求,在继续提高可靠性等基本技术指标基础上,积极采用和 深化对CAE、试验测试等技术 的研究,努力提升国内企业轻量化设计、制造等技术能力;另一方面,随着再制造、绿色 制造等技术的发展,以及工程机械也正 朝 着智能化、多功能化和微型化、大型化、系列化的方向发展,工程机械的轻量化 技术发展并不孤立,而与上述这些技术的发 展紧密相关,相互促进。
  轻量化现状速览
  国外工程机械轻量化发展现状
  在轻量化材料使用和制造方法方 面,国 外普遍借鉴 材料 科学与材料加工科学的研究成果,将高强钢等新型材料应用于零部件设计与制造中,在保障强度的基础上, 有效减轻 零部 件自身载荷,达到轻量化 的目的。国 外某大型装载机车架结构、挖掘机箱体等结构选用900~1600MPa高强钢,采用先进 成形工艺和 模具技术,获得比原先  设计厚度减少40%~50%的新型结构件,质量减少40%~50%, 同时也提高了强度与可靠性,综 合效应显著提高。卡特彼勒 公司生产的CAT660型自卸车,采用铝合金驾驶室,美观、坚固;本田公司开发的用不锈钢丝增强的铝基+钢丝复合材料, 既克服了铝合金强度比钢 低的弱点,又保持了质轻的优点,成为质轻但强度又高的 新型铝合金材料,用它制作的连杆比钢连杆质量轻30%,装入1.2L的汽油机,可节油5%。
  国内工程机械轻 量化发展现状
  我国工程机械 轻量化设计兴起 还是近几年的事情。国内研究机构对工作装置机构分析动力学仿真、车架结构分 析及优化设计等方面 先后进行了深入的研究,相关研究成果也比较丰富。在轻量化支承 件、结构件 制 造技术方面,国内开发出高强钢/超高强钢零件设计制造技术,零件强度可 达到 900~1600MPa,在汽车制造行业已逐步推广应用。工程 机械行业还需要针对工况要求进行分析,开发大型件的先进成形工 艺和模具,预计未来几年将逐 步在行 走式工程机 械行业得 到广泛应用。
  在轻 量化材料应用 方面,如2012年中联重科开发 的80m碳 纤维臂架混凝土泵车,采 用了碳纤维复合材 料、优化结构, 同时采用小一级底盘(即 60m钢臂架  混凝土泵 车底盘)等工程机械轻量化技术, 比同级的钢臂架混凝土泵车质 量减轻40%,油耗降低15%,可靠性提高,整车长度短30%,运输和使用方便。中南林业科技大学和长沙明贤机电有限公司联合开发的MTH框架式铝合金混凝土整平机,比钢材质整平机轻便,易于移动作业。


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