轻量化技术在工程机械研发中的应用

林炎炎，徐 婷，许 伟，汪路路，谭业发

（解放军理工大学 野战工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

随着先进制造技术和新材料及其成形技术的迅猛发展，“节能、减材、环保”已成为当今机械制造业发展的目标。轻量化技术是一个纵观全局的过程，涉及到产品设计、材料和制造等企业运作的各个方面，其创新及优化要基于产品性能、重量和成本等进行综合考虑［1］。为了实现工程机械轻量化的研发目标，在结合作业性能、安全可靠性能和成本预算等指标的前提下，通过各种相关现代设计、分析和测试技术，运用轻量化设计方法，可大幅提升工程机械的动力性、经济性和安全可靠性，同时还可以降低产品原材料和能源的消耗，减少环境污染。因此，对工程机械产品进行轻量化设计，可直接引导工程机械向节材减重、降耗减排的方向发展，推动我国从机械大国向机械强国转变。

1 工程机械轻量化结构优化设计

通常而言，仅占产品总成本5%的产品设计费用，却决定了产品成本的60～90%［2］。因此，产品设计是实现轻量化的关键环节，对实现轻量化具有至关重要的影响。工程机械的轻量化结构优化设计主要包含以下3个方面：

（1）采用和研发性能更优、重量更轻的零部件、总成和系统，实现节材、节能和环保的目标，提高整机的技术水平。例如，由德国采埃孚（ZF）和美国德纳（DANA）生产的定轴式变速器，比国内的传统行星式动力换档变速器更有优势，不仅使得整车结构更加紧凑，而且在节能减排上有明显效果。

（2）在保证结构强度、刚度和工作要求的前提下，结合有限元分析方法和理论计算方法，借助CAE和CAD相关技术实现结构的优化。例如，文献［3］提出了一种160t起重机的新型类椭圆截面吊臂，结合ANSYS Workbench协同仿真平台中DM（几何建模）、Mechanical（结构有限元分析）及DX（优化设计）3大模块进行优化设计，优化后的吊臂重量减轻了21.09%。

（3）支持网络快速协同的轻量化三维设计。为适应不断变化的市场需求，中小型企业之间可以借助网络共享企业之间的开发资源，构建协同的轻量化设计环境，增强企业的市场竞争能力［4］。

1.1 装载机的轻量化设计案例

装载机是我国工程机械领域生产规模最大的产品，主要用来铲、装、卸、运石料一类的散装物料。轻量化技术在装载机的各种重要零部件优化设计方面已经取得不少研究成果。

（1）驱动桥壳是装载机的重要零件之一，在工作过程中既是承载件又是传力件。采用有限元分析方法对ZLM30-3型轮式装载机驱动桥壳的参数化模型进行模态分析和参数化结构优化，使桥壳的厚度由15mm 降至12mm，重量可减轻4.65kg［5］。

（2）变速器是装载机传动系统中重要的组成部分。采用有限元分析方法对ZL60型装载机用的YB1502型变速器箱体进行强度分析及轻量化设计，并以相同的边界载荷条件进行强度校核，优化后箱体壁厚减少2mm，变速箱重量减轻10%［6］。

（3）铲斗是装载机铲掘和装卸物料作业的关键装置。采用有限元分析方法对ZL50装载机铲斗各板件的厚度进行了结构优化，分析结果使重量减轻48.429kg，减重率达4%［7］。

（4）动臂是装载机工作装置中承重的关键构件。传统的装载机动臂结构冗余度过大，借助Hyper Works软件的有限元计算及结构拓扑优化两大模块对ZL20型轮式装载机的动臂进行轻量化改进，在保持原结构刚度与强度的条件下，得到的新结构重量为365.187kg，相较于原来的454.862kg，重量可减轻20%，大大降低了生产成本［8］。

（5）发动机机罩是装载机的主要覆盖件之一，在轮式装载机机罩和工作装置优化过程中融入拓扑优化、子结构和虚拟样机技术，可实现装载机机罩结构轻量化和工作装置综合优化［9］。

1.2 其他工程机械的轻量化设计案例

工程机械轻量化结构优化设计正如火如荼地在全国高校、科研院所和各大企业蔓延，不仅关于装载机的优化设计方案硕果累累，而且关于叉车、挖掘机、压路机的轻量化设计也比比皆是。文献［10］对叉车后桥进行优化减重方案设计，结合拓扑优化技术及铸造工艺仿真技术，使零件重量减至21.77kg，减重率达38.97%。文献［11］通过基于CAE的非确定性优化设计的数学工具OptiSLang对某型液压挖掘机的动臂进行了轻量化优化设计，寻找最优的动臂结构设计方案，据悉经优化的动臂已成功通过了样机试制及产品验证阶段，现已应用于某型号液压挖掘机的小批量生产。文献［12］利用有限元模型静态力学分析对光轮压路机车架结构进行轻量化设计，在满足各种工况结构强度的情况下，前、后车架的重量减轻了31%。

2 新材料的研发与应用

2.1 高强度钢

随着工程机械向大型化、轻量化发展，工程机械用钢不断向着高强化方向发展。据统计：钢材的成本占工程机械产品成本构成的30%［13］。

高强度钢已成功应用于起重机械。国外的起重机采用低合金高强度结构钢，不仅有效地提高了结构强度，而且大大减轻了结构自重。例如，瑞典的SSAB、日本的JFE等已开发出1 100MPa的高强度钢板［14］。而在我国，以徐工高强工程机械用钢采购情况为例，Q460钢主要用于制造车架，全部由国内的宝钢、太钢、鞍钢、首钢等提供；Q660钢主要用于制造吊臂，部分用于车架，目前主要由宝钢提供；Q960钢用于制造50t以上吊车吊臂，卷板厚度主要在4mm～12mm，全部采用进口，分别由瑞典SSAB和芬兰RUUKKI生产［15］。文献［16］在汽车起重机箱形伸缩臂的设计中，采用低合金高强度结构钢，通过去应力处理提高伸缩臂的强度、刚度、稳定性，从而达到降低重量的目的。

高强度钢也成功应用于国外一些大型的挖掘机箱体及装载机车架结构，在增大机械结构强度的同时可靠地减轻结构重量。采用900MPa～1 600MPa的高强钢替代原来300MPa的普通钢制支承件、结构件等，获得的新型设计件比原先的构件减重40%～50%［17］。在叉车外门架轻量化设计中，应用高强度钢Q550，不仅满足了工作性能的要求，而且比原叉车减重约12%，同时轻量化后叉车在使用中节约的能耗成本也远大于采用新材料增加的成本［18］。

2.2 纤维增强复合材料

随着现代科学技术的发展，复合材料出现并展现出极大的生命力。复合材料一般具有比强度高、比模量高、抗疲劳断裂性能好、结构尺寸稳定性好、耐磨耐腐蚀、减震降噪及绝缘性好等优点，而且为了满足各种特殊用途，可以依据产品的要求进行设计和制造。

2.2.1 玻璃纤维增强复合材料

玻璃纤维增强复合材料又称玻璃钢，作为一种新型复合材料，由于其工艺性好、设计灵活、成本低、重量轻等优点，在工程机械领域得到广泛的应用。

玻璃钢最初在工程机械上的应用是装载机、压路机发动机罩上。翻转式结构的发动机罩便于机器的维修，而玻璃钢具有轻质高强的优点，于是玻璃钢成为可翻转式机罩的首选材料。与金属机罩相比，玻璃钢机罩表面平整光滑，棱边、棱角圆弧过渡，整体外观良好，减震降噪作用突出［19］。宣化工程机械集团有限公司生产的T140-1型推土机仪表盘壳体，利用玻璃钢易成形的特点，采用整体成形工艺代替多件金属焊接件，并根据各部位的受力状况，合理布置玻璃纤维增强材料，在受力大的部位增加玻璃纤维的层数，充分发挥了玻璃钢的优点［20］。此外，工程机械橡胶履带正朝着轻量化方向发展，它是一种橡胶与金属及纤维材料的复合制品，其中的强力层牵引件也采用玻璃纤维等高强度、低伸长的合成纤维线绳或帘布［21］。

玻璃纤维增强复合材料也是最早应用于军事领域的复合材料之一。在轻型装甲车的各部位都可以找到玻璃钢的身影，如侧裙板、翼子板、各种油箱盖板、复合装甲板等，相较于同等功能的金属材料，玻璃钢的广泛应用大大减轻了车辆的重量。2011年，英国新式的Ocelot轻型防护巡逻车（LPPV）采用了美国AGY公司的S-2玻璃纤维，不仅提供了增强结构和防弹作用，而且大大提高了其防火、防烟和防毒功能，此外，Ocelot的车身也是由复合材料制成，在拥有高性能的同时，进一步减轻了车辆重量［22］。

2.2.2 碳纤维增强复合材料

碳纤维复合材料最大的特点就是轻质高强。与普通钢材相比，碳纤维的重量仅为其1／4，但强度却达到它的10倍，而且刚度高、模量高，具有优良的减震、耐疲劳和耐腐蚀等性能。

将碳纤维增强复合材料应用于工程机械的轻量化设计当中，有望大幅降低工程机械的重量。

目前，工程机械的工作装置均采用合金钢，造成工作装置重量偏高，并影响整机的机动性、发动机的功率损耗和作业效率。而2012年中联重科开发的混凝土泵车，采用80mm碳纤维臂架、60mm钢臂架混凝土泵车底盘，比同等类型的钢臂架混凝土泵车减重40%，取得了节能减排、提高性能等综合效益，是工程机械轻量化的创新之举［23］。在挖掘机的作业装置中，采用碳纤维增强金属基复合材料的铲斗，首先重量大大减轻，其次不粘土、易于物料的自由流动，使铲斗的可设计性也得到提高［24］。

此外，美国在MA主战坦克上采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料的负重轮，减重19%［25］。新加坡在装甲输送车上采用碳纤维增强橡胶复合材料的履带，减重40%～50%［26］。在这个大环境下，碳纤维增强复合材料在工程机械轻量化上的应用是很有潜力的。

3 结语

随着先进结构优化设计、材料科学与成形工艺的迅猛发展，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。轻量化不仅可以降低设备重量，减少废气排放，节约资源和能源，而且可以促进工程机械结构优化，提高产品性能，增强竞争力。此外，工程机械的轻量化还需考虑以下3点：①注意综合评估生产过程，精化生产管理，减小成本开支；②设计完成后应进行技术分析和检测，确保产品安全可靠；③通过大量应用试验验证，使得轻量化技术走向成熟。

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