工程機(jī)械輕量化方法與設(shè)計(jì)探究

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摘要：在當(dāng)今工程機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中所取的安全系數(shù)過(guò)大，造成工程機(jī)械自身過(guò)重，不方便運(yùn)輸和移動(dòng)位置。在工業(yè)機(jī)械體積過(guò)大過(guò)重的背景下，輕量化設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械對(duì)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展有推動(dòng)作用。輕量化技術(shù)是輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料、輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輕量化要求，輕量化技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)，輕量化設(shè)計(jì)的最終目的是使產(chǎn)品的重量、性能和成本等因素都得到優(yōu)化處理。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；工程機(jī)械；輕量化；設(shè)計(jì)研究

工程機(jī)械輕量化技術(shù)是指通過(guò)材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)等優(yōu)化工程機(jī)械設(shè)計(jì)。工程機(jī)械輕量化技術(shù)可通過(guò)材料優(yōu)選，制造工藝改善、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整減輕工程機(jī)械的整體重量，在制造過(guò)程中降低成本，提高機(jī)械設(shè)備的使用性能，同時(shí)可以節(jié)約能源，減少污染物的排放，我國(guó)的設(shè)計(jì)理論相對(duì)保守，在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮運(yùn)輸時(shí)是否方便，同時(shí)把安全系數(shù)設(shè)置過(guò)大，導(dǎo)致重型機(jī)械設(shè)備不僅制造成本巨大，運(yùn)輸成本也很大，造成企業(yè)大量的資源浪費(fèi)。在這樣的背景下，就需要思考是否能夠采用輕量化的工程設(shè)計(jì)。

1工程機(jī)械輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1我國(guó)的設(shè)計(jì)理念保守

我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)最初是采用蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)理念。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)不能再適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論目前還比較保守，器件比較笨重，安全系數(shù)過(guò)大，安全性能好。

1.2設(shè)計(jì)中缺乏核心技術(shù)

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，沒(méi)有吸收先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，長(zhǎng)期采用類推的方法，設(shè)計(jì)的周期較長(zhǎng)，沒(méi)有多余的選擇方案可以進(jìn)行選擇。缺少優(yōu)秀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)自主創(chuàng)新能力薄弱，生產(chǎn)大量仿制品，沒(méi)有自身的核心技術(shù)，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)。同時(shí)，也缺乏理論基礎(chǔ)，對(duì)智能技術(shù)的探究缺乏深度和認(rèn)識(shí)。我國(guó)的工程機(jī)械輕量化技術(shù)還處于初級(jí)階段。在我國(guó)，大量機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都采用或者借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行更新，已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求。在我國(guó)的制造行業(yè)中，制造技術(shù)的發(fā)展還比較年輕，對(duì)于新技術(shù)、新方法、新材料的運(yùn)用都還不很廣泛。如果沒(méi)有自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和創(chuàng)新能力，工程機(jī)械輕量化還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走。我國(guó)與發(fā)達(dá)的工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，還有一段很大的差距。我國(guó)的工程輕量化技術(shù)還處于研究的初級(jí)水平。要想發(fā)展工程技術(shù)的輕量化就需要不斷研發(fā)新技術(shù)，采用新材料。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從根本上提高材料的利用率，要注意保持零件的剛度、強(qiáng)度以及抗疲勞性。

2工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的作用

工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)有助于提高材料的利用率，有利于對(duì)能源的節(jié)約，有助于運(yùn)輸方便，有助于我國(guó)從工業(yè)大國(guó)走向工業(yè)強(qiáng)國(guó)。在工程機(jī)械輕量化的設(shè)計(jì)過(guò)程中要足以減少生產(chǎn)材料的碳排放量，同時(shí)要注意提高機(jī)械的動(dòng)力水平，減少摩擦力對(duì)器件的影響。在工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要注意提高產(chǎn)品的壽命和使用性能。工程機(jī)械的輕量化有助于我國(guó)機(jī)械設(shè)備向環(huán)保型、功能型的方向發(fā)展。

3工程機(jī)械輕量化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

3.1基于材料的輕量化設(shè)計(jì)

材料輕量化在材料的選取上，可以使用高強(qiáng)度的鋼材，其中最常用的是熱性鋼材，輕合金鋼材中最為常用的是鋁合金、炭纖維、鎂合金，記憶金屬中常用的微晶鋼，工程塑料、陶瓷、玻璃纖維也是常用的材料。這些輕量化的材料可以減輕工程機(jī)械的重量，提高成本。例如：日本豐田公司采用的連桿技術(shù)可以減少30%的鋼材，同時(shí)還可以節(jié)約5%的汽油，可見輕量化的設(shè)計(jì)有助于能源的節(jié)約和資源的利用。機(jī)械工程的輕量化設(shè)計(jì)要針對(duì)機(jī)械的不同部件選用不同強(qiáng)度的材料，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械整機(jī)的輕量化。

3.2工程機(jī)械制造工藝的輕量化設(shè)計(jì)

要選用多種方法進(jìn)行工藝制造設(shè)計(jì)，同時(shí)注意強(qiáng)化設(shè)計(jì)師的常新理念，發(fā)揮設(shè)計(jì)師的主觀能動(dòng)性，進(jìn)行積極的技術(shù)創(chuàng)新和探索；同時(shí)注意選擇先進(jìn)的工藝方法和先進(jìn)的工藝技術(shù)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要注意數(shù)據(jù)的收集和整理，要強(qiáng)化設(shè)計(jì)師的實(shí)際理念，提高設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)水平，不斷改變以往模仿抄襲的現(xiàn)狀。

3.3新材料的運(yùn)用可以提高產(chǎn)品的抗擊能力

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要不斷采用新的技術(shù)和方法進(jìn)行技術(shù)上的改造，同時(shí)，要采用新型材料提高工程機(jī)械的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)加強(qiáng)金屬的表面承受能力。在設(shè)計(jì)的工程中要選擇新技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。同時(shí)要增強(qiáng)產(chǎn)品的抗擊能力，提高產(chǎn)品的使用壽命。要不斷滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求。

3.4改善機(jī)械設(shè)備的截面實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化

對(duì)機(jī)械設(shè)備的截面進(jìn)行改善，就是要提高機(jī)械設(shè)備構(gòu)件的截面抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)，在不改變機(jī)械設(shè)備重量的情況下，通過(guò)加強(qiáng)承受力來(lái)減輕設(shè)備的總體重量。從有關(guān)專家的研究和分析發(fā)現(xiàn)，受力的狀態(tài)不同，材料的強(qiáng)度指數(shù)也不相同，但是在受力情況相同的情況下，單位長(zhǎng)度的構(gòu)件越重，它的強(qiáng)度指標(biāo)就會(huì)越小。也就是說(shuō)輕度指標(biāo)與單位長(zhǎng)度的工件質(zhì)量成反比。

3.5工程機(jī)械的輕量化可采用多種新型技術(shù)

工程機(jī)械的輕量化可以采用熱處理、滾壓、噴丸等多種新的工藝技術(shù)，這些工藝技術(shù)的采用可以提高機(jī)械設(shè)備零部件的耐磨性和抗疲勞性。有利于提高機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度，還能提高材料表面的組織結(jié)構(gòu)，提高材料表面的負(fù)荷水平。

3.6工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的其他設(shè)計(jì)技巧

在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要注意設(shè)計(jì)的外觀要有曲線美，可以豐富人體的視覺(jué)；同時(shí)要注意采用智能化的控制系統(tǒng)，可以幫助工作人員減少操作的工作量，同時(shí)自我進(jìn)行故障排除，自我診斷故障，不斷提高設(shè)備的工作效率。

4新型材料的研發(fā)和應(yīng)用

4.1高強(qiáng)度合金鋼材料的大量應(yīng)用

隨著工程機(jī)械向輕量化、大型化的方向發(fā)展，要不斷增加工程機(jī)械上鋼材的強(qiáng)度，鋼材是機(jī)械設(shè)備制造過(guò)程中最大的成本。高強(qiáng)度的鋼材對(duì)機(jī)械設(shè)備制造的發(fā)展具有推動(dòng)作用。目前，對(duì)合金鋼的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，合金鋼的大量運(yùn)用不僅能夠提高鋼材的強(qiáng)度還能夠減輕機(jī)械設(shè)備自身的重量。合金鋼運(yùn)用到機(jī)械設(shè)備的制造中來(lái)，可以提高機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性能，不斷降低機(jī)械設(shè)備的自身重量?，F(xiàn)在大量的技術(shù)應(yīng)用和研究發(fā)現(xiàn)，增大機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的同時(shí)能夠減輕自身的重量。

4.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程機(jī)械輕量化中的應(yīng)用

復(fù)合材料有很多優(yōu)點(diǎn)，這些復(fù)合材料的強(qiáng)度較好、比模量高、抗疲勞斷裂的性能好、尺寸穩(wěn)固、比較耐磨，抗腐蝕性能好、能夠有效降低噪音、絕緣性能好，能夠滿足各種產(chǎn)品的性能需求。玻璃鋼就是復(fù)合型材料中的一種，這種材料不僅工藝性能好，而且設(shè)計(jì)靈活，不僅成本低廉而且重量輕。玻璃鋼在工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用非常廣泛，在壓路機(jī)、裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)罩上應(yīng)用較為廣泛。玻璃鋼具有質(zhì)量較輕，強(qiáng)度較好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)玻璃鋼還具有易于成型的優(yōu)點(diǎn)。在工程機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要合理使用復(fù)合型的材料。復(fù)合材料的應(yīng)用可以整體成形代替焊接帶來(lái)的不必要的麻煩，在工程機(jī)械輕量化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)不同的受力部位合理使用復(fù)合材料。玻璃纖維最早是在軍事上使用的，輕型的裝甲車應(yīng)用玻璃鋼的地方最多。

4.3碳纖維復(fù)合材料在工程機(jī)械中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在工程機(jī)械中的應(yīng)用也很廣泛，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高。與普通纖維材料相比，碳纖維材料只有普通纖維材料質(zhì)量的1/4。目前，在工程機(jī)械輕量化制造過(guò)程中使用最為廣泛的還是合金鋼材料，這種材料密度大，影響了整個(gè)機(jī)械設(shè)備的機(jī)動(dòng)性，降低了機(jī)器設(shè)備的靈活性，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，培養(yǎng)具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)師，增強(qiáng)企業(yè)的設(shè)計(jì)能力，才能提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。在輕量化的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，要求設(shè)計(jì)師能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用新型材料，設(shè)計(jì)出質(zhì)量更好，性能更高的機(jī)器設(shè)備，輕量化的設(shè)計(jì)不僅需要降低設(shè)備的重量還要求企業(yè)能夠提高產(chǎn)品性能，節(jié)約資源和能源。另外，在工程機(jī)械輕量化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面要注意綜合評(píng)價(jià)生產(chǎn)過(guò)程，另一方面要對(duì)技術(shù)進(jìn)行分析和檢測(cè)。還要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)使得輕量化的技術(shù)不斷向著成熟的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]翟慶波,蘇兆婧.輕量化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械中的應(yīng)用[J].設(shè)計(jì),2016（17）:120-121.

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作者:王月云 單位:徐州海倫哲專用車輛股份有限公司