“節(jié)能環(huán)?！比找娉蔀槿鐣?huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，用更小的消耗，產(chǎn)生更多的效用成為制造業(yè)追求的目標(biāo)，輕量化技術(shù)因此也逐漸受到國(guó)內(nèi)外制造業(yè)的重視。工程機(jī)械行業(yè)也不例外，特別是近年來(lái)，隨著工程機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化將成為行業(yè)的主要發(fā)展技術(shù)方向之一。
工程機(jī)械的輕量化，對(duì)于減少鋼材消耗以及相應(yīng)生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能源消耗，降低作業(yè)過(guò)程中的能耗與廢氣排放、降低噪聲等都具有直接影響，節(jié)能減耗的潛力巨大。
輕量化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，是在綜合考慮重量、性能和成本等因素后的產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和材料等企業(yè)運(yùn)作的各個(gè)方面。有別于以運(yùn)輸為主要功能的傳統(tǒng)車輛，工程機(jī)械是以工程作業(yè)為主要功能的產(chǎn)品。因此，工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)該理解為：針對(duì)工程機(jī)械的特點(diǎn)，通過(guò)各種相關(guān)現(xiàn)代設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試技術(shù)，在保證作業(yè)性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能、成本和安全可靠性等綜合指標(biāo)的前提下，以降低產(chǎn)品原材料和能源等的消耗、減少環(huán)境污染為最終目的，所進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱?？傮w而言，工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。
第一，充分了解和掌握工程機(jī)械的基本功能和性能是進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。例如作業(yè)性能是工程機(jī)械的主要指標(biāo)，因此在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中就要兼顧減重和其他基本設(shè)計(jì)要求之間的關(guān)系。以裝載機(jī)為例，牽引力和穩(wěn)定性指標(biāo)均與整機(jī)質(zhì)量有一定關(guān)系，因此必須確保一定的整機(jī)最小質(zhì)量以保證產(chǎn)品具備較好的牽引能力，這時(shí)的輕量化設(shè)計(jì)就不能一味地去減少整機(jī)或零部件的質(zhì)量，而是要根據(jù)整體的性能要求，合理分配車架、工作裝置等組成部件的減重目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局和材料、工藝的選擇，最終得到技術(shù)和成本等協(xié)調(diào)的輕量化方案。此外，建立和完善工程機(jī)械各種載荷譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于實(shí)施工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的工作。
第二，工程機(jī)械的輕量化是一個(gè)創(chuàng)新和多目標(biāo)的綜合優(yōu)化過(guò)程。其既是一個(gè)結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新過(guò)程，也是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇、制造工藝選擇，以及成本、可靠性和各種性能參數(shù)的多目標(biāo)多因素綜合目標(biāo)的優(yōu)化過(guò)程。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要和條件，設(shè)定輕量化的目標(biāo)，選擇相應(yīng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
輕量化設(shè)計(jì)的內(nèi)容
工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容可以分為以下幾個(gè)方面。輕量化設(shè)計(jì)方法論研究工程機(jī)械輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，不同類型的工程機(jī)械雖然結(jié)構(gòu)形式、功能和性能指標(biāo)各異，但是通過(guò)研究、總結(jié)和歸類，找出能夠指導(dǎo)多數(shù)工程機(jī)械產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的方法和流程，對(duì)于深化和推廣該技術(shù)具有重要作用。
通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、配置優(yōu)化和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)CAE仿真和優(yōu)化方法是工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)常用的、重要的工具和手段， 針對(duì)可輕量化的工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如裝載機(jī)的鏟斗、動(dòng)臂和搖臂、叉車門架、挖掘機(jī)動(dòng)臂、泵車臂架等裝置，對(duì)應(yīng)力較大、應(yīng)力集中的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能地減少局部應(yīng)力集中，去除冗余。此外，也可以通過(guò)采用性能更優(yōu)、成本更低和質(zhì)量更輕的零部件代替原有零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋、輪胎等。
新材料的研究和應(yīng)用
在輕量化材料研究和應(yīng)用方面，目前，高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁、鎂等合金新材料及先進(jìn)成形技術(shù)近年來(lái)得到了快速發(fā)展，如國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出抗拉強(qiáng)度大于1500MPa的承載結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，是當(dāng)前工程機(jī)械上廣泛采用的材料強(qiáng)度的4～5倍，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件輕量化。
評(píng)價(jià)方法
在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、性能以及環(huán)境影響等因素，權(quán)衡各因素之間的關(guān)系，得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)方案。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以排除人為的主觀隨意性，使相應(yīng)的方案更加正確、合理、有效。
工藝和試驗(yàn)驗(yàn)證等其他支持技術(shù)采用輕質(zhì)新材料與采用新型工藝、新的制造加工方法是相輔相成的，例如多鏈接結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)制造可有效優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少焊接等加工工序，減重效果顯著。同時(shí)，在工程機(jī)械輕量化過(guò)程中，無(wú)論是哪個(gè)階段都要重視試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和分析，不斷地使用有利的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修正，也要重視設(shè)計(jì)思路的改變，向自主創(chuàng)新方向發(fā)展。
當(dāng)前，輕量化已成為包括工程機(jī)械行業(yè)在內(nèi)的制造業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保的綠色工程機(jī)械已經(jīng)被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)作為核心的發(fā)展戰(zhàn)略之一。對(duì)于我國(guó)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)等技術(shù)的發(fā)展，一方面，需要根據(jù)市場(chǎng)需求，在繼續(xù)提高可靠性等基本技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，積極采用和深化對(duì)CAE、試驗(yàn)測(cè)試等技術(shù)的研究，努力提升國(guó)內(nèi)企業(yè)輕量化設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)能力；另一方面，隨著再制造、綠色制造等技術(shù)的發(fā)展，以及工程機(jī)械也正朝著智能化、多功能化和微型化、大型化、系列化的方向發(fā)展，工程機(jī)械的輕量化技術(shù)發(fā)展并不孤立，而與上述這些技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，相互促進(jìn)。
輕量化現(xiàn)狀速覽
國(guó)外工程機(jī)械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀
在輕量化材料使用和制造方法方面，國(guó)外普遍借鑒材料科學(xué)與材料加工科學(xué)的研究成果，將高強(qiáng)鋼等新型材料應(yīng)用于零部件設(shè)計(jì)與制造中，在保障強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，有效減輕零部件自身載荷，達(dá)到輕量化的目的。國(guó)外某大型裝載機(jī)車架結(jié)構(gòu)、挖掘機(jī)箱體等結(jié)構(gòu)選用900～1600MPa高強(qiáng)鋼，采用先進(jìn)成形工藝和模具技術(shù)，獲得比原先設(shè)計(jì)厚度減少40%～50%的新型結(jié)構(gòu)件，質(zhì)量減少40%～50%，同時(shí)也提高了強(qiáng)度與可靠性，綜合效應(yīng)顯著提高?？ㄌ乇死展旧a(chǎn)的CAT660型自卸車，采用鋁合金駕駛室，美觀、堅(jiān)固；本田公司開(kāi)發(fā)的用不銹鋼絲增強(qiáng)的鋁基+鋼絲復(fù)合材料，既克服了鋁合金強(qiáng)度比鋼低的弱點(diǎn)，又保持了質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)，成為質(zhì)輕但強(qiáng)度又高的新型鋁合金材料，用它制作的連桿比鋼連桿質(zhì)量輕30%，裝入1.2L的汽油機(jī)，可節(jié)油5%。
國(guó)內(nèi)工程機(jī)械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)興起還是近幾年的事情。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)工作裝置機(jī)構(gòu)分析動(dòng)力學(xué)仿真、車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面先后進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)研究成果也比較豐富。在輕量化支承件、結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)鋼/超高強(qiáng)鋼零件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，零件強(qiáng)度可達(dá)到900～1600MPa，在汽車制造行業(yè)已逐步推廣應(yīng)用。工程機(jī)械行業(yè)還需要針對(duì)工況要求進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)大型件的先進(jìn)成形工藝和模具，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將逐步在行走式工程機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
在輕量化材料應(yīng)用方面，如2012年中聯(lián)重科開(kāi)發(fā)的80m碳纖維臂架混凝土泵車，采用了碳纖維復(fù)合材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用小一級(jí)底盤（即60m鋼臂架混凝土泵車底盤）等工程機(jī)械輕量化技術(shù)，比同級(jí)的鋼臂架混凝土泵車質(zhì)量減輕40%，油耗降低15%，可靠性提高，整車長(zhǎng)度短30%，運(yùn)輸和使用方便。中南林業(yè)科技大學(xué)和長(zhǎng)沙明賢機(jī)電有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MTH框架式鋁合金混凝土整平機(jī)，比鋼材質(zhì)整平機(jī)輕便，易于移動(dòng)作業(yè)。
工程機(jī)械的輕量化，對(duì)于減少鋼材消耗以及相應(yīng)生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能源消耗，降低作業(yè)過(guò)程中的能耗與廢氣排放、降低噪聲等都具有直接影響，節(jié)能減耗的潛力巨大。
輕量化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，是在綜合考慮重量、性能和成本等因素后的產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和材料等企業(yè)運(yùn)作的各個(gè)方面。有別于以運(yùn)輸為主要功能的傳統(tǒng)車輛，工程機(jī)械是以工程作業(yè)為主要功能的產(chǎn)品。因此，工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)該理解為：針對(duì)工程機(jī)械的特點(diǎn)，通過(guò)各種相關(guān)現(xiàn)代設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試技術(shù)，在保證作業(yè)性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能、成本和安全可靠性等綜合指標(biāo)的前提下，以降低產(chǎn)品原材料和能源等的消耗、減少環(huán)境污染為最終目的，所進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱?？傮w而言，工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。
第一，充分了解和掌握工程機(jī)械的基本功能和性能是進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。例如作業(yè)性能是工程機(jī)械的主要指標(biāo)，因此在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中就要兼顧減重和其他基本設(shè)計(jì)要求之間的關(guān)系。以裝載機(jī)為例，牽引力和穩(wěn)定性指標(biāo)均與整機(jī)質(zhì)量有一定關(guān)系，因此必須確保一定的整機(jī)最小質(zhì)量以保證產(chǎn)品具備較好的牽引能力，這時(shí)的輕量化設(shè)計(jì)就不能一味地去減少整機(jī)或零部件的質(zhì)量，而是要根據(jù)整體的性能要求，合理分配車架、工作裝置等組成部件的減重目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局和材料、工藝的選擇，最終得到技術(shù)和成本等協(xié)調(diào)的輕量化方案。此外，建立和完善工程機(jī)械各種載荷譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于實(shí)施工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的工作。
第二，工程機(jī)械的輕量化是一個(gè)創(chuàng)新和多目標(biāo)的綜合優(yōu)化過(guò)程。其既是一個(gè)結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新過(guò)程，也是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇、制造工藝選擇，以及成本、可靠性和各種性能參數(shù)的多目標(biāo)多因素綜合目標(biāo)的優(yōu)化過(guò)程。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要和條件，設(shè)定輕量化的目標(biāo)，選擇相應(yīng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
輕量化設(shè)計(jì)的內(nèi)容
工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容可以分為以下幾個(gè)方面。輕量化設(shè)計(jì)方法論研究工程機(jī)械輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，不同類型的工程機(jī)械雖然結(jié)構(gòu)形式、功能和性能指標(biāo)各異，但是通過(guò)研究、總結(jié)和歸類，找出能夠指導(dǎo)多數(shù)工程機(jī)械產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的方法和流程，對(duì)于深化和推廣該技術(shù)具有重要作用。
通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、配置優(yōu)化和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)CAE仿真和優(yōu)化方法是工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)常用的、重要的工具和手段， 針對(duì)可輕量化的工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如裝載機(jī)的鏟斗、動(dòng)臂和搖臂、叉車門架、挖掘機(jī)動(dòng)臂、泵車臂架等裝置，對(duì)應(yīng)力較大、應(yīng)力集中的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能地減少局部應(yīng)力集中，去除冗余。此外，也可以通過(guò)采用性能更優(yōu)、成本更低和質(zhì)量更輕的零部件代替原有零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋、輪胎等。
新材料的研究和應(yīng)用
在輕量化材料研究和應(yīng)用方面，目前，高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁、鎂等合金新材料及先進(jìn)成形技術(shù)近年來(lái)得到了快速發(fā)展，如國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出抗拉強(qiáng)度大于1500MPa的承載結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，是當(dāng)前工程機(jī)械上廣泛采用的材料強(qiáng)度的4～5倍，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件輕量化。
評(píng)價(jià)方法
在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、性能以及環(huán)境影響等因素，權(quán)衡各因素之間的關(guān)系，得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)方案。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以排除人為的主觀隨意性，使相應(yīng)的方案更加正確、合理、有效。
工藝和試驗(yàn)驗(yàn)證等其他支持技術(shù)采用輕質(zhì)新材料與采用新型工藝、新的制造加工方法是相輔相成的，例如多鏈接結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)制造可有效優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少焊接等加工工序，減重效果顯著。同時(shí)，在工程機(jī)械輕量化過(guò)程中，無(wú)論是哪個(gè)階段都要重視試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和分析，不斷地使用有利的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修正，也要重視設(shè)計(jì)思路的改變，向自主創(chuàng)新方向發(fā)展。
當(dāng)前，輕量化已成為包括工程機(jī)械行業(yè)在內(nèi)的制造業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保的綠色工程機(jī)械已經(jīng)被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)作為核心的發(fā)展戰(zhàn)略之一。對(duì)于我國(guó)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)等技術(shù)的發(fā)展，一方面，需要根據(jù)市場(chǎng)需求，在繼續(xù)提高可靠性等基本技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，積極采用和深化對(duì)CAE、試驗(yàn)測(cè)試等技術(shù)的研究，努力提升國(guó)內(nèi)企業(yè)輕量化設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)能力；另一方面，隨著再制造、綠色制造等技術(shù)的發(fā)展，以及工程機(jī)械也正朝著智能化、多功能化和微型化、大型化、系列化的方向發(fā)展，工程機(jī)械的輕量化技術(shù)發(fā)展并不孤立，而與上述這些技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，相互促進(jìn)。
輕量化現(xiàn)狀速覽
國(guó)外工程機(jī)械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀
在輕量化材料使用和制造方法方面，國(guó)外普遍借鑒材料科學(xué)與材料加工科學(xué)的研究成果，將高強(qiáng)鋼等新型材料應(yīng)用于零部件設(shè)計(jì)與制造中，在保障強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，有效減輕零部件自身載荷，達(dá)到輕量化的目的。國(guó)外某大型裝載機(jī)車架結(jié)構(gòu)、挖掘機(jī)箱體等結(jié)構(gòu)選用900～1600MPa高強(qiáng)鋼，采用先進(jìn)成形工藝和模具技術(shù)，獲得比原先設(shè)計(jì)厚度減少40%～50%的新型結(jié)構(gòu)件，質(zhì)量減少40%～50%，同時(shí)也提高了強(qiáng)度與可靠性，綜合效應(yīng)顯著提高?？ㄌ乇死展旧a(chǎn)的CAT660型自卸車，采用鋁合金駕駛室，美觀、堅(jiān)固；本田公司開(kāi)發(fā)的用不銹鋼絲增強(qiáng)的鋁基+鋼絲復(fù)合材料，既克服了鋁合金強(qiáng)度比鋼低的弱點(diǎn)，又保持了質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)，成為質(zhì)輕但強(qiáng)度又高的新型鋁合金材料，用它制作的連桿比鋼連桿質(zhì)量輕30%，裝入1.2L的汽油機(jī)，可節(jié)油5%。
國(guó)內(nèi)工程機(jī)械輕量化發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)興起還是近幾年的事情。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)工作裝置機(jī)構(gòu)分析動(dòng)力學(xué)仿真、車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面先后進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)研究成果也比較豐富。在輕量化支承件、結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)鋼/超高強(qiáng)鋼零件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，零件強(qiáng)度可達(dá)到900～1600MPa，在汽車制造行業(yè)已逐步推廣應(yīng)用。工程機(jī)械行業(yè)還需要針對(duì)工況要求進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)大型件的先進(jìn)成形工藝和模具，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將逐步在行走式工程機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
在輕量化材料應(yīng)用方面，如2012年中聯(lián)重科開(kāi)發(fā)的80m碳纖維臂架混凝土泵車，采用了碳纖維復(fù)合材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用小一級(jí)底盤（即60m鋼臂架混凝土泵車底盤）等工程機(jī)械輕量化技術(shù)，比同級(jí)的鋼臂架混凝土泵車質(zhì)量減輕40%，油耗降低15%，可靠性提高，整車長(zhǎng)度短30%，運(yùn)輸和使用方便。中南林業(yè)科技大學(xué)和長(zhǎng)沙明賢機(jī)電有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MTH框架式鋁合金混凝土整平機(jī)，比鋼材質(zhì)整平機(jī)輕便，易于移動(dòng)作業(yè)。
