輕量化技術(shù)在工程機械研發(fā)中的應(yīng)用

林炎炎，徐 婷，許 偉，汪路路，譚業(yè)發(fā)

（解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)和新材料及其成形技術(shù)的迅猛發(fā)展，“節(jié)能、減材、環(huán)?！币殉蔀楫?dāng)今機械制造業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。輕量化技術(shù)是一個縱觀全局的過程，涉及到產(chǎn)品設(shè)計、材料和制造等企業(yè)運作的各個方面，其創(chuàng)新及優(yōu)化要基于產(chǎn)品性能、重量和成本等進(jìn)行綜合考慮［1］。為了實現(xiàn)工程機械輕量化的研發(fā)目標(biāo)，在結(jié)合作業(yè)性能、安全可靠性能和成本預(yù)算等指標(biāo)的前提下，通過各種相關(guān)現(xiàn)代設(shè)計、分析和測試技術(shù)，運用輕量化設(shè)計方法，可大幅提升工程機械的動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性，同時還可以降低產(chǎn)品原材料和能源的消耗，減少環(huán)境污染。因此，對工程機械產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計，可直接引導(dǎo)工程機械向節(jié)材減重、降耗減排的方向發(fā)展，推動我國從機械大國向機械強國轉(zhuǎn)變。

1 工程機械輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

通常而言，僅占產(chǎn)品總成本5%的產(chǎn)品設(shè)計費用，卻決定了產(chǎn)品成本的60～90%［2］。因此，產(chǎn)品設(shè)計是實現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對實現(xiàn)輕量化具有至關(guān)重要的影響。工程機械的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要包含以下3個方面：

（1）采用和研發(fā)性能更優(yōu)、重量更輕的零部件、總成和系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)材、節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)，提高整機的技術(shù)水平。例如，由德國采埃孚（ZF）和美國德納（DANA）生產(chǎn)的定軸式變速器，比國內(nèi)的傳統(tǒng)行星式動力換檔變速器更有優(yōu)勢，不僅使得整車結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且在節(jié)能減排上有明顯效果。

（2）在保證結(jié)構(gòu)強度、剛度和工作要求的前提下，結(jié)合有限元分析方法和理論計算方法，借助CAE和CAD相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。例如，文獻(xiàn)［3］提出了一種160t起重機的新型類橢圓截面吊臂，結(jié)合ANSYS Workbench協(xié)同仿真平臺中DM（幾何建模）、Mechanical（結(jié)構(gòu)有限元分析）及DX（優(yōu)化設(shè)計）3大模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的吊臂重量減輕了21.09%。

（3）支持網(wǎng)絡(luò)快速協(xié)同的輕量化三維設(shè)計。為適應(yīng)不斷變化的市場需求，中小型企業(yè)之間可以借助網(wǎng)絡(luò)共享企業(yè)之間的開發(fā)資源，構(gòu)建協(xié)同的輕量化設(shè)計環(huán)境，增強企業(yè)的市場競爭能力［4］。

1.1 裝載機的輕量化設(shè)計案例

裝載機是我國工程機械領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模最大的產(chǎn)品，主要用來鏟、裝、卸、運石料一類的散裝物料。輕量化技術(shù)在裝載機的各種重要零部件優(yōu)化設(shè)計方面已經(jīng)取得不少研究成果。

（1）驅(qū)動橋殼是裝載機的重要零件之一，在工作過程中既是承載件又是傳力件。采用有限元分析方法對ZLM30-3型輪式裝載機驅(qū)動橋殼的參數(shù)化模型進(jìn)行模態(tài)分析和參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使橋殼的厚度由15mm 降至12mm，重量可減輕4.65kg［5］。

（2）變速器是裝載機傳動系統(tǒng)中重要的組成部分。采用有限元分析方法對ZL60型裝載機用的YB1502型變速器箱體進(jìn)行強度分析及輕量化設(shè)計，并以相同的邊界載荷條件進(jìn)行強度校核，優(yōu)化后箱體壁厚減少2mm，變速箱重量減輕10%［6］。

（3）鏟斗是裝載機鏟掘和裝卸物料作業(yè)的關(guān)鍵裝置。采用有限元分析方法對ZL50裝載機鏟斗各板件的厚度進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析結(jié)果使重量減輕48.429kg，減重率達(dá)4%［7］。

（4）動臂是裝載機工作裝置中承重的關(guān)鍵構(gòu)件。傳統(tǒng)的裝載機動臂結(jié)構(gòu)冗余度過大，借助Hyper Works軟件的有限元計算及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化兩大模塊對ZL20型輪式裝載機的動臂進(jìn)行輕量化改進(jìn)，在保持原結(jié)構(gòu)剛度與強度的條件下，得到的新結(jié)構(gòu)重量為365.187kg，相較于原來的454.862kg，重量可減輕20%，大大降低了生產(chǎn)成本［8］。

（5）發(fā)動機機罩是裝載機的主要覆蓋件之一，在輪式裝載機機罩和工作裝置優(yōu)化過程中融入拓?fù)鋬?yōu)化、子結(jié)構(gòu)和虛擬樣機技術(shù)，可實現(xiàn)裝載機機罩結(jié)構(gòu)輕量化和工作裝置綜合優(yōu)化［9］。

1.2 其他工程機械的輕量化設(shè)計案例

工程機械輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計正如火如荼地在全國高校、科研院所和各大企業(yè)蔓延，不僅關(guān)于裝載機的優(yōu)化設(shè)計方案碩果累累，而且關(guān)于叉車、挖掘機、壓路機的輕量化設(shè)計也比比皆是。文獻(xiàn)［10］對叉車后橋進(jìn)行優(yōu)化減重方案設(shè)計，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)及鑄造工藝仿真技術(shù)，使零件重量減至21.77kg，減重率達(dá)38.97%。文獻(xiàn)［11］通過基于CAE的非確定性優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)工具OptiSLang對某型液壓挖掘機的動臂進(jìn)行了輕量化優(yōu)化設(shè)計，尋找最優(yōu)的動臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，據(jù)悉經(jīng)優(yōu)化的動臂已成功通過了樣機試制及產(chǎn)品驗證階段，現(xiàn)已應(yīng)用于某型號液壓挖掘機的小批量生產(chǎn)。文獻(xiàn)［12］利用有限元模型靜態(tài)力學(xué)分析對光輪壓路機車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，在滿足各種工況結(jié)構(gòu)強度的情況下，前、后車架的重量減輕了31%。

2 新材料的研發(fā)與應(yīng)用

2.1 高強度鋼

隨著工程機械向大型化、輕量化發(fā)展，工程機械用鋼不斷向著高強化方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計：鋼材的成本占工程機械產(chǎn)品成本構(gòu)成的30%［13］。

高強度鋼已成功應(yīng)用于起重機械。國外的起重機采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，不僅有效地提高了結(jié)構(gòu)強度，而且大大減輕了結(jié)構(gòu)自重。例如，瑞典的SSAB、日本的JFE等已開發(fā)出1 100MPa的高強度鋼板［14］。而在我國，以徐工高強工程機械用鋼采購情況為例，Q460鋼主要用于制造車架，全部由國內(nèi)的寶鋼、太鋼、鞍鋼、首鋼等提供；Q660鋼主要用于制造吊臂，部分用于車架，目前主要由寶鋼提供；Q960鋼用于制造50t以上吊車吊臂，卷板厚度主要在4mm～12mm，全部采用進(jìn)口，分別由瑞典SSAB和芬蘭RUUKKI生產(chǎn)［15］。文獻(xiàn)［16］在汽車起重機箱形伸縮臂的設(shè)計中，采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，通過去應(yīng)力處理提高伸縮臂的強度、剛度、穩(wěn)定性，從而達(dá)到降低重量的目的。

高強度鋼也成功應(yīng)用于國外一些大型的挖掘機箱體及裝載機車架結(jié)構(gòu)，在增大機械結(jié)構(gòu)強度的同時可靠地減輕結(jié)構(gòu)重量。采用900MPa～1 600MPa的高強鋼替代原來300MPa的普通鋼制支承件、結(jié)構(gòu)件等，獲得的新型設(shè)計件比原先的構(gòu)件減重40%～50%［17］。在叉車外門架輕量化設(shè)計中，應(yīng)用高強度鋼Q550，不僅滿足了工作性能的要求，而且比原叉車減重約12%，同時輕量化后叉車在使用中節(jié)約的能耗成本也遠(yuǎn)大于采用新材料增加的成本［18］。

2.2 纖維增強復(fù)合材料

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料出現(xiàn)并展現(xiàn)出極大的生命力。復(fù)合材料一般具有比強度高、比模量高、抗疲勞斷裂性能好、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐腐蝕、減震降噪及絕緣性好等優(yōu)點，而且為了滿足各種特殊用途，可以依據(jù)產(chǎn)品的要求進(jìn)行設(shè)計和制造。

2.2.1 玻璃纖維增強復(fù)合材料

玻璃纖維增強復(fù)合材料又稱玻璃鋼，作為一種新型復(fù)合材料，由于其工藝性好、設(shè)計靈活、成本低、重量輕等優(yōu)點，在工程機械領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

玻璃鋼最初在工程機械上的應(yīng)用是裝載機、壓路機發(fā)動機罩上。翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的發(fā)動機罩便于機器的維修，而玻璃鋼具有輕質(zhì)高強的優(yōu)點，于是玻璃鋼成為可翻轉(zhuǎn)式機罩的首選材料。與金屬機罩相比，玻璃鋼機罩表面平整光滑，棱邊、棱角圓弧過渡，整體外觀良好，減震降噪作用突出［19］。宣化工程機械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的T140-1型推土機儀表盤殼體，利用玻璃鋼易成形的特點，采用整體成形工藝代替多件金屬焊接件，并根據(jù)各部位的受力狀況，合理布置玻璃纖維增強材料，在受力大的部位增加玻璃纖維的層數(shù)，充分發(fā)揮了玻璃鋼的優(yōu)點［20］。此外，工程機械橡膠履帶正朝著輕量化方向發(fā)展，它是一種橡膠與金屬及纖維材料的復(fù)合制品，其中的強力層牽引件也采用玻璃纖維等高強度、低伸長的合成纖維線繩或簾布［21］。

玻璃纖維增強復(fù)合材料也是最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的復(fù)合材料之一。在輕型裝甲車的各部位都可以找到玻璃鋼的身影，如側(cè)裙板、翼子板、各種油箱蓋板、復(fù)合裝甲板等，相較于同等功能的金屬材料，玻璃鋼的廣泛應(yīng)用大大減輕了車輛的重量。2011年，英國新式的Ocelot輕型防護(hù)巡邏車（LPPV）采用了美國AGY公司的S-2玻璃纖維，不僅提供了增強結(jié)構(gòu)和防彈作用，而且大大提高了其防火、防煙和防毒功能，此外，Ocelot的車身也是由復(fù)合材料制成，在擁有高性能的同時，進(jìn)一步減輕了車輛重量［22］。

2.2.2 碳纖維增強復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料最大的特點就是輕質(zhì)高強。與普通鋼材相比，碳纖維的重量僅為其1／4，但強度卻達(dá)到它的10倍，而且剛度高、模量高，具有優(yōu)良的減震、耐疲勞和耐腐蝕等性能。

將碳纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用于工程機械的輕量化設(shè)計當(dāng)中，有望大幅降低工程機械的重量。

目前，工程機械的工作裝置均采用合金鋼，造成工作裝置重量偏高，并影響整機的機動性、發(fā)動機的功率損耗和作業(yè)效率。而2012年中聯(lián)重科開發(fā)的混凝土泵車，采用80mm碳纖維臂架、60mm鋼臂架混凝土泵車底盤，比同等類型的鋼臂架混凝土泵車減重40%，取得了節(jié)能減排、提高性能等綜合效益，是工程機械輕量化的創(chuàng)新之舉［23］。在挖掘機的作業(yè)裝置中，采用碳纖維增強金屬基復(fù)合材料的鏟斗，首先重量大大減輕，其次不粘土、易于物料的自由流動，使鏟斗的可設(shè)計性也得到提高［24］。

此外，美國在MA主戰(zhàn)坦克上采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的負(fù)重輪，減重19%［25］。新加坡在裝甲輸送車上采用碳纖維增強橡膠復(fù)合材料的履帶，減重40%～50%［26］。在這個大環(huán)境下，碳纖維增強復(fù)合材料在工程機械輕量化上的應(yīng)用是很有潛力的。

3 結(jié)語

隨著先進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料科學(xué)與成形工藝的迅猛發(fā)展，輕量化已成為包括工程機械行業(yè)在內(nèi)的制造業(yè)的一種發(fā)展趨勢。輕量化不僅可以降低設(shè)備重量，減少廢氣排放，節(jié)約資源和能源，而且可以促進(jìn)工程機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高產(chǎn)品性能，增強競爭力。此外，工程機械的輕量化還需考慮以下3點：①注意綜合評估生產(chǎn)過程，精化生產(chǎn)管理，減小成本開支；②設(shè)計完成后應(yīng)進(jìn)行技術(shù)分析和檢測，確保產(chǎn)品安全可靠；③通過大量應(yīng)用試驗驗證，使得輕量化技術(shù)走向成熟。

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