轻量化 让工程机械身型更美

【第一工程机械网 独家报道】“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。

（作者：侯亮 厦门大学机电工程系主任、教授；郭涛 厦门厦工机械股份有限公司小型机事业部研究所所长）