周永松谈工程机械轻量化

　　研发背景：我国装载机、挖掘机、起重机、叉车等典型工程机械存在的结构臃肿、能耗高等技术不足，基于减重目标，开展零部件及整机等强度、等寿命设计技术及应用研究，开发轻量化设计工具，掌握全套成熟的轻量化设计技术，逐步克服制造材耗高、使用能耗高等缺点，提升行业先进制造水平和产品市场竞争能力。

　　一、工程机械轻量化意义

　　1、减重，节省动力消耗，节省制造材料消耗

　　例如，监测5个轻量化工程机械，相比原产品加工制造每台可节约钢材量分别为1250kg、298kg、870kg、360kg、465kg，相同负荷下每台每小时节约燃油量分别为1.074kg、2.80kg、11.05kg、0.17kg、0.25kg。

　　2、减重，进一步优化机械结构，实现产品更新换代

　　检测、分析可靠性和安全性数据，优化关键部件和整机结构设计，采用新材料、新工艺，产品实现性能提升等。

　　轻量化设计模块方案

　　轻量化路径  

　　1、结构轻量化

　　通过优化设计，在满足强度、寿命等条件下，去除冗余，减薄厚度或缩小尺寸，以体积减小地方式减重。

　　2、材料轻量化

　　以高强度钢代替低强度钢，实现减薄厚度或缩小尺寸；以复合材料、铝镁等轻合金代替金属，材质密度降低。

　　3工艺轻量化

　　一体化成形替代焊接（如油缸支座整体铸造代替拼焊工艺），以锻代铸，以锻代切割工艺等，通过改变工艺节材、高性能化减重。

　　工程机械轻量化需关注三点：1、成本问题---综合评估；精化生产管理。2、安全性、可靠性问题---技术分析、检测。3、技术成熟性---试验

二、工程机械轻量化研究内容

工作装置轻量化方案

　　1、开发轻量化设计工具

　　建立轻量化设计方法，基于载荷谱、数学模型、设计模块和参考数据库等，开发专用设计软件。

　　2、可靠性和安全性设计

　　载荷分析以及等强度设计，比对、检验、检测基础上，进一步优化机械结构。

　　3、轻量化零部件和整机设计、制造

　　开发轻量化承载件、工作装置、变速箱以及整机产品，减重5-10%。

　　4、质量检测和技术标准研究

　　编制检测大纲，制定企业标准。

　　5、推广应用及验证

　　完成中试生产及推广应用，取得较好经济效益和节能降耗社会效益。

　轻量化设计路线

  　三、轻量化技术应用

　　1、建立较为完整的工程机械轻量化设计技术体系，开发出设计工具并应用。

　　开发准用设计工具。形成了一整套载荷谱测试、优化设计软件应用、数据库、可靠性和安全评价基础理论、基础方法。建立轻量化数据库、设计知识管理系统，基于互动维客开源系统（HDwiki），实现数据更新，并向行业企业开放。

　　车架、工作装置设计克服结构冗余；动臂采用Q460高强度钢、摇臂采用ZL205A铝合金材料、门架采用Q550高强度钢材料等替代Q235材料，减小径向尺寸或材料本体轻量化；采用铸代焊、轧制槽钢、精锻代板剪切工艺。

　　2、完成轻量化新产品设计开发，减重、节材节能效果明显。

　　总结：绿色化、智能化是机械装备制造未来发展的重点方向，我国工程机械产销量世界第一，以工程机械轻量化为切入点，开发节能新型产品，同时提高产品可靠性和安全性，对产业转型升级有重要意义。

　　开展轻量化设计方法及应用研究，形成设计工具、新材料及新工艺、测试技术等，为进一步优化产品设计、新产品开发及产业化奠定了技术基础。

　　未来基于新材料应用、成本控制等研究将成为工程机械轻量化的重点方向。

  （作者：机械科学研究总院先进制造技术研究中心副主任周永松）