時(shí)間：2023-06-30 15:46:58
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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)的過程中，沒有吸收先進(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，沒有自身的核心技術(shù)，沒有實(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，通過加強(qiáng)承受力來減輕設(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；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，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的不必要的麻煩，在工程機(jī)械輕量化的設(shè)計(jì)過程中，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。
關(guān)鍵詞：起重機(jī)；輕量化設(shè)計(jì)；存在的問題
引言：起重機(jī)事業(yè)的發(fā)展已經(jīng)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有一席重要的位置。它的發(fā)展水平代表了專業(yè)相關(guān)人員的聰明才智，同時(shí)也彰顯了我國(guó)建設(shè)上的突破性進(jìn)步，所以我們?nèi)蘸蟮钠鹬貦C(jī)發(fā)展要緊追世界上的輕量化發(fā)展腳步。
一、我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)實(shí)施的積極意義
（一）起重機(jī)在國(guó)際上的發(fā)展形勢(shì)和積極意義
起重機(jī)在國(guó)際上的發(fā)展形勢(shì)已經(jīng)逐漸走向明朗化進(jìn)程式的發(fā)展，在國(guó)外的市場(chǎng)上我們很容易就能找到起重機(jī)輕量化產(chǎn)品，像西班牙的Linden-Co-mansas；德國(guó)的德瑪格、斯泰爾、安博；芬蘭的科尼；日本的住友、日立、神戶制鋼、石川島、韓國(guó)半島；美國(guó)高博；法國(guó)的法蘭泰克等等都是起重機(jī)重要的著名制造單位。并且這些單位都注重起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、電氣和機(jī)構(gòu)方面的時(shí)代化進(jìn)步內(nèi)容，他們都有著共同的目標(biāo)就是要起重機(jī)產(chǎn)品逐步走向美觀、節(jié)能、輕便、適用等綜合發(fā)展方向。
（二）起重機(jī)輕量化在我國(guó)的發(fā)展形勢(shì)和積極意義
隨著國(guó)際化的起重機(jī)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，國(guó)外方面的進(jìn)口起重機(jī)關(guān)于數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)也日益凸顯出來，國(guó)外的起重機(jī)在我國(guó)占有廣闊的市場(chǎng)，這同時(shí)也刺激著我國(guó)的起重機(jī)事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)自主研發(fā)的起重機(jī)輕量化產(chǎn)品也取得了一定的成果。目前我國(guó)政府和國(guó)家都已經(jīng)開始重視起重機(jī)的輕量化發(fā)展。相繼推出了很多重要性的研究課題和政策去進(jìn)一步支持我國(guó)的起重機(jī)輕量化事業(yè)的發(fā)展。
（三）起重機(jī)在節(jié)能環(huán)保方面的積極意義
我國(guó)新頒布的《節(jié)約能源法》強(qiáng)調(diào)了特種設(shè)備的節(jié)能方面的相關(guān)注意問題，而且我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入到了低碳時(shí)代化的發(fā)展新格局中，環(huán)保和節(jié)能是現(xiàn)階段的中心話題，所以起重機(jī)也要在這方面起到一定的表率作用。起重機(jī)中金屬機(jī)身的質(zhì)量一般占總重量的一半以上，巨型的起重機(jī)會(huì)達(dá)到百分之九十的比例，所以由此可見我國(guó)的起重機(jī)輕量化路線可以節(jié)省下來的原材料非常巨大，并且這種發(fā)展形勢(shì)會(huì)幫助減輕機(jī)構(gòu)本身的負(fù)擔(dān)，有效地解決數(shù)目巨大的造價(jià)問題。輕量化設(shè)計(jì)是起重機(jī)現(xiàn)如今重要的研究話題和方向，它不僅能節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，還能提高經(jīng)濟(jì)性能[1]。
二、我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容
1.極限設(shè)計(jì)方法
極限設(shè)計(jì)方法就是概率設(shè)計(jì)方法。它主要產(chǎn)生于二十世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)國(guó)際上的工程化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要傾向于采用概率理論為主要內(nèi)容的極限設(shè)計(jì)方法，它的計(jì)算結(jié)果相對(duì)精準(zhǔn)，很符合金屬的實(shí)際工程工作內(nèi)容，同時(shí)也能有效地利用鋼材的重要性能，做到有效地節(jié)約材料資源。
2.現(xiàn)代技術(shù)方法
現(xiàn)代技術(shù)的方法上的應(yīng)用主要集中在它能考慮到機(jī)器本身的承受負(fù)荷的能力，而且它還會(huì)結(jié)合鋼材的基本性能和材料加以整合。其中結(jié)合的技術(shù)和方法涉及有起重機(jī)動(dòng)力學(xué)、等強(qiáng)度設(shè)計(jì)、有限元法、靈敏度分析、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，它們都以最大限度減輕機(jī)器自重為主要奮斗目標(biāo)。
3.反求工程方法
現(xiàn)在的其他國(guó)家都在積極吸取別國(guó)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，努力設(shè)計(jì)更加具有強(qiáng)大能力的起重機(jī)產(chǎn)品希望在國(guó)際舞臺(tái)上站穩(wěn)腳跟。反求工程方法就是針對(duì)于這種吸收技術(shù)的方法的概括。它通過實(shí)際操作和有關(guān)重要資料進(jìn)行一定的分析和研究，從而了解參數(shù)性能，逐步掌握技術(shù)上的關(guān)鍵原理技術(shù)，在加以仿制和創(chuàng)新。
三、我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)存在的問題
（一）計(jì)算設(shè)計(jì)方面
現(xiàn)在一般計(jì)算設(shè)計(jì)上采用的是許用應(yīng)力法，這種方法本身簡(jiǎn)單，但是存在一定的缺點(diǎn)，它無論運(yùn)用何種金屬結(jié)構(gòu)都一律采用統(tǒng)一的安全系數(shù)。這種明顯的不合理方法需要做進(jìn)一步改進(jìn)。如果按照這種方法計(jì)算設(shè)計(jì)的話就會(huì)消耗不必要的金屬資源，而且安全系數(shù)還不能得到有效控制，由于系數(shù)的不精確就會(huì)給設(shè)計(jì)人員的計(jì)算設(shè)計(jì)造成一定的精確問題上的困擾，設(shè)計(jì)人員一般為了機(jī)器的安全問題還會(huì)預(yù)留安全系數(shù)，這樣直接導(dǎo)致我國(guó)的起重機(jī)質(zhì)量過大。
（二）工藝方面
工藝方面起重機(jī)主要采用鋼板焊接的結(jié)構(gòu)作為構(gòu)件，生產(chǎn)過程主要以半手工半機(jī)械制造，這樣就會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)結(jié)構(gòu)笨重，有礙美觀性還會(huì)延誤交貨期。
（三）材料方面
材料上一般采用的是高分子材料、型鋼、輕合金材料，而且鋼材的性能存在參數(shù)不全和負(fù)偏差，不會(huì)進(jìn)行預(yù)處理，直接導(dǎo)致為增強(qiáng)安全性能而加強(qiáng)各種板材材料的直接浪費(fèi)資源現(xiàn)象。
（四）結(jié)構(gòu)方面
傳統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)一般傾向于安全和穩(wěn)定，所以一般都會(huì)浪費(fèi)大量的經(jīng)濟(jì)上的資源也要保證機(jī)器的安全和穩(wěn)定性能，但是這種行為往往就浪費(fèi)了很多材料資源，而且這樣的起重機(jī)一般都會(huì)比較笨重。
（五）電氣和機(jī)構(gòu)方面
制約起重機(jī)輕量化發(fā)展的原因還有電氣和機(jī)構(gòu)方面的問題。傳統(tǒng)的系統(tǒng)的工作化效率過低，而且電氣控制系統(tǒng)性能水平也不高[2]。
四、我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的有效建議
（一）計(jì)算設(shè)計(jì)方面
針對(duì)上述提到的問題和所遇到的困難，我們建議采用極限設(shè)計(jì)方法去加以改善。這種方法能夠得出比較精確的計(jì)算結(jié)果，而且一般都能符合實(shí)際化的要求，充分利用材料的基本性能，做到節(jié)約資源。而且它還能結(jié)合許用應(yīng)力法做到具體化和實(shí)際化的應(yīng)用。還有按照“定位精度”考核起重機(jī)性能要求，而且適當(dāng)結(jié)合反求工程設(shè)計(jì)理念和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法保證工作的精確性和完善性。
（二）工藝方面
建議采用受力構(gòu)件可以換成槽鋼、H型鋼、工字鋼，焊接手段改為機(jī)械手，并且車輪、齒輪和滑輪必須經(jīng)過熱處理，增強(qiáng)硬度性能。
（三）材料方面
建議采用輕合金和輕度較高的鋼制材料，節(jié)約資源，減輕機(jī)器本身重量。同時(shí)減輕支撐結(jié)構(gòu)和廠房結(jié)構(gòu)的負(fù)荷量，有效地減少成本上的浪費(fèi)情況。用高強(qiáng)尼龍可以延長(zhǎng)機(jī)器壽命，相對(duì)減少噪聲污染[3]。
結(jié)束語：我國(guó)的起重機(jī)發(fā)展正在逐步走向輕量化方向，并且已經(jīng)取得了相關(guān)的有關(guān)部門的一直認(rèn)可和支持，我們要積極向國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)，在吸取經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，研究自己的創(chuàng)新型內(nèi)容，爭(zhēng)取趕上世界起重機(jī)輕量化的發(fā)展的先頭部隊(duì)。
參考文獻(xiàn)：
[1]安存勝，馬占營(yíng)，聶福全.起重機(jī)齒輪傳動(dòng)裝置輕量化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015，10：146-150.
【關(guān)鍵詞】工器具；輕量型；績(jī)效；成本
當(dāng)前，國(guó)家大力推進(jìn)特高壓電網(wǎng)建設(shè)。特高壓線路具有塔高、導(dǎo)線張力大、金具和絕緣子重量大等特點(diǎn)，相應(yīng)的作業(yè)工具也重量大。同時(shí)，工器具總量繁多，僅在特高壓線路帶電作業(yè)中就有金屬工具、絕緣工具、個(gè)人防護(hù)工具、檢測(cè)工具、輔助安全工具五大類，種類眾多。這對(duì)推動(dòng)工器具輕量化改革，配備輕量型工器具，來提升作業(yè)工具開發(fā)管理水平提出了新的要求。
一、工器具輕量化的經(jīng)濟(jì)效益分析
工器具輕量化是指根據(jù)施工實(shí)際需要和工器具的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用新材料、新工藝，并通過對(duì)工器具性能進(jìn)行分析測(cè)試，在滿足作業(yè)性能、安全要求和成本經(jīng)濟(jì)等要求的基礎(chǔ)上，以降低工程成本、提升工作效率、減少能源消耗、便于施工展開等為最終目的，來開展的優(yōu)化活動(dòng)。
選用輕量型工器具，在技改搶建工程中，會(huì)對(duì)工程成本帶來如下影響：
一是開展改型設(shè)計(jì)、更換輕量型器具會(huì)產(chǎn)生部分費(fèi)用。改型設(shè)計(jì)工器具，必然需要投入一定的人力物力，實(shí)驗(yàn)過程中需要消耗相關(guān)耗材，花費(fèi)一定設(shè)計(jì)費(fèi)用，產(chǎn)生了部分成本。但研究表明即使在大件工程機(jī)械的成本構(gòu)成中，設(shè)計(jì)費(fèi)用往往也只占總成本的5%，但是能影響60―70%的成本構(gòu)成。同時(shí)，更換輕量型工器具需要投入一筆新的購(gòu)置費(fèi)用，并可能提前報(bào)廢原有工器具，產(chǎn)生一定的折舊成本空耗。
二是選用輕量型工器具會(huì)降低運(yùn)輸、使用成本和人工成本。輕量型工器具與原工器具相比，最大的優(yōu)勢(shì)就是重量減輕。重量減輕對(duì)工程成本特別是搶建技改工程的成本影響較大。電網(wǎng)建設(shè)工程具有建設(shè)直線距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，工器具的運(yùn)輸成本在工程總成本中占比較高。而搶建工程中對(duì)工程建設(shè)時(shí)間進(jìn)度要求高，要求人、材料、機(jī)械快速到位，運(yùn)輸成本在施工總成本中占比更高。這種情況之下，多使用輕量型工器具，能在單位時(shí)間、單位臺(tái)班車輛運(yùn)輸更多的工器具，降低車輛運(yùn)輸成本。同時(shí)，對(duì)人工搬運(yùn)的消耗也減少，單人可攜帶工器具數(shù)量增多，施工效率增加，降低了工程的人工成本。
三是工器具輕量化具有綜合成本優(yōu)勢(shì)。根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際成本構(gòu)成分析，工器具輕量化具有綜合成本優(yōu)勢(shì)。僅以選用輕質(zhì)材料代替鋼材為例來開展分析，選用加厚的鋁合金材質(zhì)零部件可以實(shí)現(xiàn)與與鋼材質(zhì)零部件強(qiáng)度相當(dāng)，滿足施工需要。但同強(qiáng)度的質(zhì)量鋁合金材質(zhì)零部件重量只有鋼材質(zhì)零部件重量的1/2，盡管鋁合金價(jià)格比鋼材價(jià)格貴2倍左右，但結(jié)合零部件的全壽命使用周期中來開展成本核算的話，鋁合金材質(zhì)的增效效益遠(yuǎn)超增加份額，綜合成本優(yōu)勢(shì)顯著。
二、工器具輕量化改造的方法
結(jié)合材料科學(xué)相關(guān)知識(shí)，工器具輕量化一般包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)選輕量材料和優(yōu)選加工方法三大類。
（一）優(yōu)化工器具結(jié)構(gòu)
一是開展零部件功能分析，減去冗余零部件或零部件中的冗余部分。隨著電網(wǎng)施工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，在特高壓線路施工中，部分原用于較低電壓等級(jí)線路施工的工器具中有部分零部件已成冗余，可結(jié)合搶建技改工程實(shí)際需要，減去冗余零部件，降低作業(yè)工器具的重量。
二是優(yōu)化Y構(gòu)組合。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低工器具重量的一種有效途徑。CAE仿真優(yōu)化法是在輕量化設(shè)計(jì)中得到廣泛使用，它是指借助理論計(jì)算、有限元分析、數(shù)值優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化等數(shù)學(xué)建模方法，在滿足工器具安全、強(qiáng)度、剛度和疲勞度等約束條件的基礎(chǔ)上，通過改變某些允許改變的設(shè)計(jì)變量，使工器具的綜合性能達(dá)到最優(yōu)的拓樸優(yōu)化方法。在進(jìn)行工器具優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)需要使用該工器具的各種工況進(jìn)行建模、分網(wǎng)、加載、求解和后處理，合理分別不同部件的減重目標(biāo)，對(duì)應(yīng)力集中的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，必要時(shí)可去除該部分，以實(shí)現(xiàn)在滿足約束條件前提下重量這一參數(shù)上的總體結(jié)構(gòu)最優(yōu)。
三是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減小零部件外形尺寸。比如通過折疊化設(shè)計(jì)、壓縮化設(shè)計(jì)等改進(jìn)，雖不能直接降低工器具質(zhì)量，但便于工器具運(yùn)輸，一定程度上達(dá)到了工器具輕量化改造的目的。
（二）優(yōu)選輕量材料
新材料的研究和應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)工器具輕量化的最有效途徑。近年來，在生產(chǎn)實(shí)踐中，高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁、鎂等合金新材料在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車工業(yè)、飛行器制造工業(yè)、建筑工業(yè)等已經(jīng)大量通過
選用新材料來降低重量。如由碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料制成的工程塑料，它所制成的受力結(jié)構(gòu)件，拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于鋼的35倍，穩(wěn)定性、疲勞度、耐腐蝕性也都優(yōu)于鋼，但同樣尺寸的工程塑料重量?jī)H為鋼鐵的三分之一到四分之一，具有優(yōu)良的輕量化性能，在結(jié)構(gòu)件、功能件設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。
在電網(wǎng)施工作業(yè)工器具改良中，應(yīng)廣泛參考當(dāng)前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的成功案例，大膽試用高強(qiáng)鋼、合金、工程塑料等新材料，根據(jù)施工實(shí)際需要和相關(guān)操作規(guī)范要求，選用最優(yōu)的材料來設(shè)計(jì)工器具，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，使工器具實(shí)現(xiàn)減重優(yōu)化、提高性能的目的。
（三）優(yōu)選加工方法
不同加工工藝、加工方法也會(huì)導(dǎo)致工器具的重量會(huì)發(fā)生變化。例如根據(jù)輕量化的要求來考量，同等性能的焊件比鑄件重量要輕，更加適宜于應(yīng)用在工器具輕量化改造中。在具體的工器具輕量化設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合運(yùn)用上述三種方法，以期最大限度提升輕量化效果。
三、在搶建技改工程中選用輕量型工器具需要注意的事項(xiàng)
輕量型工器具擁有降低運(yùn)輸成本、提升工作效率、便于施工展開等優(yōu)勢(shì)，在技改搶建工程中綜合效益突出，應(yīng)在送電線路施工項(xiàng)目中積極推廣應(yīng)用輕量型工器具。但與此同時(shí)，選用輕量型工器具必須注意以下事項(xiàng)：
第一，選用輕量型工器具必須滿足工器具的基本性能需要，符合電網(wǎng)建設(shè)施工規(guī)范的要求。每一項(xiàng)工器具在電網(wǎng)建設(shè)施工作業(yè)中都有其獨(dú)特的功能，部分工器具對(duì)其剛性、張力、承載力、絕緣性、使用壽命等有明確的要求，在進(jìn)行輕量化改造設(shè)計(jì)中，不能因?yàn)閱渭冏非鬁p重而影響其他性能，誘發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量事故。正確的設(shè)計(jì)輕量型工器具應(yīng)該是基于對(duì)工器具結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)選用材質(zhì)進(jìn)行充分比對(duì)，在安全、成本、質(zhì)量等方面進(jìn)行綜合對(duì)比分析后，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證后再定型推廣。因此，輕量型工器具選型工作必須由充分熟悉現(xiàn)行到工器具并熟知送電線路施工規(guī)范的中高級(jí)施工管理人員完成。
第二，選用輕量型工器具必須與工器具生產(chǎn)、采購(gòu)、分發(fā)、保管等工作做到協(xié)同推進(jìn)，提升企業(yè)整體物資管理水平，才能夠真正發(fā)揮輕量型工器具的比較效益優(yōu)勢(shì)。工器具的生產(chǎn)和采購(gòu)環(huán)節(jié)應(yīng)該嚴(yán)格保證質(zhì)量，特別是輕量型工器具較多涉及到使用新材料、新工藝，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)材料工藝穩(wěn)定性的控制，確保工器具質(zhì)量過關(guān)。工器具分發(fā)和保管工作應(yīng)做到科學(xué)有序，應(yīng)參照施工定額和以往施工實(shí)際消耗情況的大數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理，在物資申領(lǐng)調(diào)派運(yùn)輸分發(fā)過程中應(yīng)提高信息化水平，借助信息化手段來提高物資管理效率，以高效的物資管理來保障輕量型工器具真正在搶建技改工程中發(fā)揮出綜合優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]石生智，特高壓輸電線路帶電作業(yè)工器具及作業(yè)方法研究，華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013年度。
關(guān)鍵詞：重型商用汽車；車架；輕量化；設(shè)計(jì)技術(shù)
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.238
0 前言
車架的輕量化實(shí)際上是從動(dòng)靜力學(xué)特征進(jìn)行分析，結(jié)合載荷及位移邊界條件，考察車架的受力分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)車架架構(gòu)的優(yōu)化，最終使車架達(dá)到結(jié)構(gòu)合理輕便，又強(qiáng)度可靠的效果。本文關(guān)于重型商用汽車的車架輕量化設(shè)計(jì)研究，將以重型商用汽車為研究對(duì)象，從重型商用汽車的車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，分析車架進(jìn)行輕量化的重要意義，進(jìn)而對(duì)輕量化的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行具體研究，通過評(píng)價(jià)車架設(shè)計(jì)的合理性，確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行方案。并基于商用車車架量化的發(fā)展趨勢(shì)作出展望。希望能夠?yàn)槲覈?guó)的物流業(yè)及汽車運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展提供一份參考。
1 重型商用汽車的車架輕量化意義
輕量化技術(shù)可以對(duì)汽車的尾氣排放與燃油量構(gòu)成直接的影響，是節(jié)約材料的有效手段之一。目前，我國(guó)重型商用車在全部車輛中的比例為23%左右，但是重型商用車在燃油消耗上占比卻高達(dá)70%。國(guó)外的有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，汽車的質(zhì)量受汽車油耗的影響。汽車質(zhì)量每上升100kg，油耗將提升0.3-0.6L/100km，相對(duì)來說，汽車整體質(zhì)量減少10%，油耗就降低7%左右。另外，汽車的輕量化不僅能減少耗油，為降低原材料做出貢獻(xiàn)，還能減少有害氣體的排放，每輛汽車減輕100kg，二氧化碳的排放量可降低5g/km，有利于我國(guó)的保護(hù)環(huán)境基本國(guó)策的實(shí)施。而且，汽車的質(zhì)量減少，零部件構(gòu)造簡(jiǎn)化，可以為企業(yè)減少經(jīng)濟(jì)成本的投入，間接的減少消費(fèi)者的支出。這對(duì)企業(yè)、環(huán)境、社會(huì)公眾都是一件有意義的事[1]。
2 重型汽車車架結(jié)構(gòu)的有限元分析
根據(jù)市場(chǎng)輸入要求進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)改造，必須對(duì)車架進(jìn)行有限元分析。在此基礎(chǔ)上確定車架的強(qiáng)度及整體特性，這是為汽車車架進(jìn)行輕量化的有效前提。對(duì)車架的有限元分析主要包含兩方面。首先，需要針對(duì)車架建立模型并作出預(yù)處理。利用CATIA原理搭建整車數(shù)學(xué)模型，利用車架數(shù)模作為建模對(duì)象，采用Hyper-works對(duì)車架及車架構(gòu)成部件進(jìn)行簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分。其次，分析出工況強(qiáng)度及疲勞程度。利用推導(dǎo)出的車架承重的最大載荷，將載荷數(shù)值設(shè)置在建立好的模型上，按照IVECO的分析方法，對(duì)車架的彎曲程度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了解。根據(jù)有限元分析方法，我們可以認(rèn)識(shí)到，車架的整體剛度過大，強(qiáng)度有富余，并且局部壓力大，具有裂縫風(fēng)險(xiǎn)，該條件下完全可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而減輕自身重量，降低經(jīng)濟(jì)成本[2]。
3 重型商用汽車的車架輕量化設(shè)計(jì)
3.1 輕量化設(shè)計(jì)方法
商用汽車車架的輕量化方法有兩種。一種是采用更高強(qiáng)度的材料實(shí)現(xiàn)輕量化。這種方式需要將普通材料采用高強(qiáng)度材料替代，同時(shí)減小零件的尺寸，保證強(qiáng)度不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行量化設(shè)計(jì)。商用車車架具有一定的系統(tǒng)零件及安裝布置，采用邊梁式的梯型結(jié)構(gòu)車架，將零件結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通過車架各零件的替代進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。另外一種方法優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)的輕量途徑，應(yīng)用CAE為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為，通過改變結(jié)構(gòu)形狀，使結(jié)構(gòu)部件輕薄化、小型化。以縮小尺寸、結(jié)構(gòu)中空化的優(yōu)化分析，最大限度減輕零部件質(zhì)量。設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做局部加強(qiáng)，保證汽車整體強(qiáng)度不變。兩種方法可共同使用，更大限度實(shí)現(xiàn)車架的輕量化[3]。
3.2 輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)
輕量化設(shè)計(jì)的工藝及技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)三方面。第一，高強(qiáng)度鋼板的生產(chǎn)受到限制，其主要應(yīng)用在工程機(jī)械的制造方面，對(duì)商用車車架的應(yīng)用暫無實(shí)例。強(qiáng)度過高的材料，延伸度較低，不適合以成型件進(jìn)行生產(chǎn)。另外，提高抗拉強(qiáng)度需要進(jìn)行高溫處理，這會(huì)導(dǎo)致鋼鐵的生產(chǎn)成本上升。第二，高強(qiáng)度鋼的成型能力有限。無論是傳統(tǒng)的縱梁成型工藝，還是輥壓成型工藝，都很難實(shí)現(xiàn)整體的成型組合。而且，相關(guān)設(shè)備也需要更高強(qiáng)度的材料進(jìn)行制作，是限制高強(qiáng)度鋼板發(fā)展的因素之一。第三，車架的輕量化和強(qiáng)度之間存在著矛盾，輕量化的前提條件是剛度與強(qiáng)度不變，要滿足該要求，更要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，勢(shì)必會(huì)影響部件的剛度，因此，對(duì)于改造的系數(shù)范圍有待研究[4]。
4 結(jié)論
輕量化是現(xiàn)代化汽車工業(yè)中重要的研究課題之一，也是汽車工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的有效保障。本文針對(duì)重型商用汽車的車架輕量化的設(shè)計(jì)研究，是基于對(duì)重型商用汽車的研究對(duì)象，根據(jù)車架進(jìn)行輕量化的重要意義與必要性，利用有限元法對(duì)汽車的零件結(jié)構(gòu)與剛度進(jìn)行分析，進(jìn)而提出了高強(qiáng)度的材料及改造結(jié)構(gòu)兩種輕量化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)又從設(shè)計(jì)方法中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)提出了注意事項(xiàng)。汽車的輕量化設(shè)計(jì)，是技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。結(jié)合現(xiàn)代工藝上的不足，我國(guó)對(duì)汽車輕量化的新工藝方法研究將不斷持續(xù)，使輕量化的設(shè)計(jì)更好的應(yīng)用在重型商業(yè)汽車運(yùn)輸上，同時(shí)將“低碳經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”應(yīng)用在物流業(yè)及汽車運(yùn)輸中。減低經(jīng)濟(jì)成本，提高運(yùn)輸質(zhì)量與安全系數(shù)，為我國(guó)的企業(yè)、社會(huì)公眾及環(huán)境保護(hù)做出一份貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：混凝土泵；綠色節(jié)能；設(shè)計(jì)；應(yīng)用
中圖分類號(hào)：TV331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗日益加劇，建筑工程機(jī)械能耗也在不斷攀升，同時(shí)人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，各種節(jié)能技術(shù)不斷得到應(yīng)用，國(guó)家對(duì)于節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展也越來越重視。因此對(duì)混凝土泵進(jìn)行綠色節(jié)能技術(shù)開發(fā)是建筑機(jī)械發(fā)展的重要方向，是大勢(shì)所趨。在進(jìn)行綠色節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)要貫徹“安全、節(jié)能、環(huán)保、高效、智能”的設(shè)計(jì)理念，注重節(jié)能、高效技術(shù)的研究和應(yīng)用。在基于“成本管理”和“精益生產(chǎn)管理”思想的成套設(shè)備及施工生產(chǎn)管理系統(tǒng)，有效管理設(shè)備、優(yōu)化施工，最大限度地為客戶創(chuàng)造價(jià)值的基礎(chǔ)上，全力設(shè)計(jì)“安全、節(jié)能、環(huán)保、高效、智能”混凝土泵送設(shè)備。本文以某品牌K系列混凝土泵送設(shè)備為例，對(duì)混凝土泵綠色節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行了探討。
1 K系列混凝土泵送設(shè)備介紹
K系列混凝土泵送設(shè)備涵蓋34～60m混凝土泵車、80～120m3/h車載式混凝土泵等系列產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)緊扣“安全、節(jié)能、環(huán)保、高效、智能”主題，著力在“輕量化技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、高效泵送技術(shù)、整車智能化控制技術(shù)”上取得突破。如：行業(yè)首創(chuàng)的“X支腿同步伸縮及浮動(dòng)張緊軟管輸送技術(shù)、具有單側(cè)作業(yè)功能的前后多級(jí)伸縮雙擺腿結(jié)構(gòu)”、行業(yè)領(lǐng)先的“RZ仿生七節(jié)臂技術(shù)”等技術(shù)的研究應(yīng)用，大幅提高了設(shè)備整體性能。K系列混凝土泵送設(shè)備一經(jīng)推出，在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了很大影響，3橋50m、4橋60m全球最長(zhǎng)鋼臂架泵車，行業(yè)最低油耗等各項(xiàng)指標(biāo)都引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，技術(shù)水平達(dá)到一個(gè)新的高度。本文在K系列混凝土泵送設(shè)備技術(shù)的研究應(yīng)用基礎(chǔ)上探討分析產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)、節(jié)能技術(shù)研究和應(yīng)用在混凝土泵送施工機(jī)械節(jié)能環(huán)保發(fā)展中的重要性?；炷帘密噭?dòng)力裝置應(yīng)用的是柴油機(jī),因此混凝土泵車應(yīng)用時(shí)的耗能情況主要是由柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力性所決定的。在設(shè)計(jì)混凝土動(dòng)力系統(tǒng)時(shí),一般對(duì)柴油機(jī)的靜態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注,混凝土泵車機(jī)使用的柴油機(jī)和底盤是由專門的廠家一起提供的。
2輕量化設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)有研究表明，混凝土泵車臂架長(zhǎng)度的增加將帶來整車質(zhì)量呈幾何級(jí)數(shù)增加。為解決臂架長(zhǎng)度與底盤載荷限制之間的矛盾，K系列混凝土泵車采用結(jié)構(gòu)參數(shù)化輔助設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真及三維有限元分析等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，使部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化，部件分布最優(yōu)化，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)輔助和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行校核調(diào)整，在確保穩(wěn)定性、可靠性的前提下最大限度地控制了整機(jī)質(zhì)量。以46～60m混凝土泵車為例，K系列混凝土泵車重量減輕見表1（表1中的數(shù)據(jù)以配置奔馳底盤為例）。
表1K系列混凝土泵車輕量化效果
從表1可發(fā)看出通過輕量化設(shè)計(jì)，K系列混凝土泵車大幅降低了整機(jī)重量，這對(duì)節(jié)約能源、材料，減少排放有著重要意義。據(jù)研究表明，質(zhì)量16～20t的載貨汽車，每減重1 000kg，則可降低油耗 6%～7%，這意味K系列混凝土泵車輕量化設(shè)計(jì)有效低了降低產(chǎn)品油耗與排污量。因此，減輕混凝土泵車自重對(duì)于燃油汽車是節(jié)能環(huán)保的最有效措施之一。同時(shí)混凝土泵車的輕量化是符合社會(huì)發(fā)展和用戶的需求，是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而這一技術(shù)引導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展，其中3橋50m、4橋60m全球最長(zhǎng)鋼臂架泵車是代表產(chǎn)品。
3節(jié)能技術(shù)研究和應(yīng)用
K系列泵送設(shè)備突破了傳統(tǒng)的極限功率控制模式，其將泵送系統(tǒng)參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，通過車載中央控制器達(dá)到最佳匹配。系統(tǒng)選定泵送速度后，車載中央控制器根據(jù)泵送壓力、系統(tǒng)壓力等實(shí)際反饋參數(shù)，比對(duì)系統(tǒng)理想?yún)?shù)曲線，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和泵送排量，確保在不影響泵送效率的前提下，使系統(tǒng)始終工作在最佳節(jié)能模式，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線與泵送系統(tǒng)最節(jié)能匹配。該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了突破，節(jié)能效果優(yōu)于同行5%以上，也表明了節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用在節(jié)能環(huán)保中具有很大前景。
3.1混凝土泵車實(shí)施節(jié)能技術(shù)測(cè)試
本文應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，在混凝土泵車正常模式與節(jié)能模式（由人工來選擇，按動(dòng)開關(guān)即可在兩種模式間方便地切換）兩種模式下測(cè)量了節(jié)能工況下不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同試驗(yàn)工況下每泵送1m3混凝土的實(shí)際油耗的測(cè)量計(jì)算值，和油耗曲線圖的數(shù)據(jù)，見表2、圖1。
表2混凝土泵車不同工況下每泵送1m3混凝土的實(shí)際油耗測(cè)試
圖1混凝土泵車正常模式與節(jié)能模式每泵送1m3混凝土的油耗曲線圖
3.2混凝土泵車實(shí)施節(jié)能控制前后比較
3.2.1節(jié)能前后油耗、轉(zhuǎn)速對(duì)比
節(jié)能前后油耗比較標(biāo)準(zhǔn)：泵送次數(shù)相同、泵送壓力相同時(shí)的泵車節(jié)能前后油耗狀況。方法：記錄正常模式下一分鐘泵送次數(shù)、壓力和油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后在節(jié)能模式下，調(diào)整排量旋鈕，使其工作在泵送次數(shù)與正常模式下相同，然后記錄當(dāng)前泵送次數(shù)、混凝土泵送壓力、油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。表3記錄了5種工況下的油耗對(duì)比數(shù)據(jù)，圖2、圖3為工況D的節(jié)能前后轉(zhuǎn)速對(duì)比與油耗對(duì)比，其他工況對(duì)比圖略。
表3正常模式與節(jié)能模式下（穩(wěn)態(tài)）1min油耗對(duì)比
圖2 工況D能前后轉(zhuǎn)速對(duì)比
圖3 工況D節(jié)能產(chǎn)后油耗對(duì)比
3.2.2總的油耗、轉(zhuǎn)速對(duì)比
總的油耗、轉(zhuǎn)速對(duì)比見圖4、圖5。
圖4節(jié)能前后轉(zhuǎn)速對(duì)比
圖5節(jié)能前后油耗對(duì)比
3.2.3總體節(jié)能效果分析
上述數(shù)據(jù)表明：混凝土泵車采用節(jié)能控制后，燃油消耗明顯降低。混凝土泵車在低速工作時(shí)，節(jié)能效果明顯比高速工作好，這是因?yàn)橐话惚盟妥鳂I(yè)低速工作時(shí)負(fù)載較小，高速時(shí)負(fù)載較大，在相同發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下，大負(fù)載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率較高（省油空間較小），而小負(fù)載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率較低（省油空間較大）。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土泵車實(shí)施節(jié)能控制后，總的節(jié)能效果在3%～26%之間，平均節(jié)能效果在15%左右，用戶常用泵送速度下（如1min泵送10、12、14、16次）節(jié)能效果約為16.5%。
4節(jié)能減排產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸探討
混凝土施工機(jī)械節(jié)能減排技術(shù)雖然得到一定的發(fā)展，但在節(jié)能研究方面目前主要存在以下瓶頸。
1）輕量化技術(shù)的研究是當(dāng)前重要課題，雖然已經(jīng)取得了很大的成績(jī)，但如何在減輕重量的基礎(chǔ)上有效的保證作業(yè)穩(wěn)定性和減少作業(yè)的振動(dòng)幅度是一個(gè)長(zhǎng)期的課題。
2）如何提高泵送效率從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。目前泵送產(chǎn)品的混凝土吸入效率可達(dá)85%。如何進(jìn)一步提高混凝土泵吸入效率，也是今后的研究方向，涉及泵送技術(shù)和液壓控制技術(shù)的深度研究。
5未來節(jié)能減排產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展方向
混凝土施工機(jī)械未來節(jié)能減排的技術(shù)發(fā)展方向主要是新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。隨著新材料研究應(yīng)用技術(shù)的成熟，大量的新材料、新技術(shù)應(yīng)用到混凝土泵車上，如碳纖維材料應(yīng)用到臂架技術(shù)、陶瓷材料應(yīng)用到輸送管中。新節(jié)能技術(shù)研究是節(jié)能減排的重要研究方向。同時(shí)，智能控制和高效作業(yè)研究也是未來節(jié)能減排產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展方向。
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關(guān)鍵詞：協(xié)同設(shè)計(jì)；工程機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用
1我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)十分重視，在設(shè)計(jì)中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)學(xué)圖表、理論等方法。我國(guó)工程機(jī)械發(fā)展時(shí)間較晚，與國(guó)外相比差異還很大，其以設(shè)計(jì)引進(jìn)技術(shù)等為依據(jù)進(jìn)行前期發(fā)展，設(shè)計(jì)人員主要負(fù)責(zé)改進(jìn)工藝編排以及轉(zhuǎn)化圖紙等，沒有做到深入的分析整機(jī)的深層設(shè)計(jì)機(jī)理。相較于國(guó)外，我國(guó)工程設(shè)計(jì)人員沒有多元化的專業(yè)知識(shí)，并且其產(chǎn)品原理和設(shè)計(jì)思想等都在模仿國(guó)外。工程機(jī)械這一行業(yè)的特點(diǎn)，使得其遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，因此在缺乏改進(jìn)和創(chuàng)新的前提下，是無法對(duì)工程機(jī)械制造業(yè)進(jìn)行振興的，要想發(fā)展首先要做的就是對(duì)技術(shù)、知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新。目前已經(jīng)有許多工程機(jī)械企業(yè)開始行動(dòng)，對(duì)更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行尋找。在計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展過程中，工程機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用了很多先進(jìn)的建模方法、設(shè)計(jì)方式以及設(shè)計(jì)思想，進(jìn)而逐漸將工程的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在部分企業(yè)中已經(jīng)開始應(yīng)用CSCW、CIMS系統(tǒng)等信息化工程。設(shè)計(jì)師開始對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行應(yīng)用。在不斷的發(fā)展中，目前設(shè)計(jì)師們通常都用SolidWorks、AutoCAD等三維設(shè)計(jì)等建模工具。三維設(shè)計(jì)能夠更加形象直觀的展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)，預(yù)先演示產(chǎn)品最終的動(dòng)作以及形態(tài)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)出風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行大幅度降低。除此之外還能夠通過計(jì)算機(jī)輔助以及建模軟件對(duì)軟件接口進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)費(fèi)用和產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用進(jìn)行有效的降低，對(duì)開發(fā)周期進(jìn)行縮短，縮短產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提升。
2工程機(jī)械設(shè)計(jì)的CSCD體系
2.1工程機(jī)械CSCD體系結(jié)構(gòu)的核心
在過去企業(yè)內(nèi)部為開發(fā)工程機(jī)械產(chǎn)品的主力軍，但隨著時(shí)代的發(fā)展，許多大型企業(yè)在開發(fā)產(chǎn)品的過程中也要求合作商以及供應(yīng)商加入其中，將一致的產(chǎn)品信息進(jìn)行及時(shí)獲取，并對(duì)這些信息進(jìn)行應(yīng)用，從而將實(shí)時(shí)的協(xié)同開發(fā)展開。其中包括設(shè)計(jì)思想的交流、遠(yuǎn)程評(píng)審的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)仿真的模擬、檢查干涉、模型裝配以及產(chǎn)品零件的查閱等。在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)CSCD系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，其存在的主要問題如下。第一，可靠安全的異地通訊，能夠?qū)?shù)據(jù)共享和信息交流在不同的工作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而將實(shí)時(shí)協(xié)同實(shí)現(xiàn)。第二，不同CAE軟件下的仿真分析以及不同CAD軟件的虛擬裝配和數(shù)字化建模。從目前我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的情況可以看出，目前主流的方式就是結(jié)合式的設(shè)計(jì)方式。第三，將核心設(shè)置為知識(shí)管理，對(duì)分析案例、修改設(shè)計(jì)的過程以及重視知識(shí)的應(yīng)用進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，進(jìn)而將專家數(shù)據(jù)庫形成，能夠?qū)Ψ磸?fù)發(fā)生同樣的修改錯(cuò)誤進(jìn)行預(yù)防。第四，將核心認(rèn)定為過程管理，對(duì)人機(jī)交互無縫接口以及人與人之間和諧交互進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。第五，協(xié)同設(shè)計(jì)可視化?，F(xiàn)階段能夠?qū)⒖梢暈g覽實(shí)現(xiàn)的方式包括以下兩種，第一種瀏覽是建立在輕量化數(shù)據(jù)格式上，其在下載數(shù)據(jù)文件的時(shí)候不會(huì)保存到本地，而是直接轉(zhuǎn)化存在于服務(wù)器中的數(shù)據(jù)文件，從而使得瀏覽的格式變?yōu)檩p量化格式，從而對(duì)瀏覽的速度以及安全性進(jìn)行提升，其具有較高的技術(shù)難度。
2.2工程機(jī)械CSCD中CAD環(huán)境中的實(shí)時(shí)協(xié)同
CSCD系統(tǒng)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)CAD環(huán)境下的實(shí)時(shí)協(xié)同進(jìn)行支持為其應(yīng)用價(jià)值最高的協(xié)同設(shè)計(jì)方式。目前現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員已經(jīng)將三維建模軟件作為主要的應(yīng)用工具。但通常情況下CAD平臺(tái)無法將同步更新和傳遞消息等設(shè)計(jì)過程中的功能提供出來，在不同的CAD環(huán)境中不同設(shè)計(jì)者無法將真正的同步實(shí)現(xiàn)，必須在庫中保存數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，才能夠?qū)⑵渲匦麓蜷_，隨后才能夠?qū)⒏聦?shí)現(xiàn)，但是難以改變?cè)O(shè)計(jì)更改滯后的情況。在滯后的時(shí)期，會(huì)使得一些不曾想到的結(jié)果出現(xiàn)，無法預(yù)料到變更設(shè)計(jì)造成的影響。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)在CSCD中進(jìn)行，更改的信息在CAD環(huán)境的實(shí)時(shí)協(xié)同中能夠進(jìn)行及時(shí)獲取，對(duì)設(shè)計(jì)來說這些信息的十分重要，其能夠?qū)φw設(shè)計(jì)由于滯后而失敗的情況進(jìn)行避免。如果對(duì)CSCD中CAD環(huán)境下的實(shí)施協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用，在機(jī)架設(shè)計(jì)上零件工程師進(jìn)行變更，裝配工程師就能夠?qū)ζ浞答佭M(jìn)行及時(shí)的獲取，進(jìn)而調(diào)整裝配，防止有錯(cuò)誤出現(xiàn)在之后的設(shè)計(jì)中。將實(shí)時(shí)協(xié)同在CSCD系統(tǒng)的CAD環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，其主要是對(duì)協(xié)同感知技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而使得設(shè)計(jì)者對(duì)不同工作平臺(tái)無縫接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及圖形空間的集成進(jìn)行共享。在交流數(shù)據(jù)模型傳輸?shù)臅r(shí)候，由于三維CAD設(shè)計(jì)具有非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)，并且由于其受到網(wǎng)絡(luò)帶寬以及網(wǎng)絡(luò)硬件的局限，應(yīng)該對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行減少，進(jìn)而將協(xié)同實(shí)時(shí)在設(shè)計(jì)中進(jìn)行。在工程機(jī)械朝著智能化和系列化的方向進(jìn)行發(fā)展，大型機(jī)和小型機(jī)也在分別朝著大功率化和多功能化的方向發(fā)展。在工程機(jī)械中，目前已經(jīng)在其中應(yīng)用了高速無線電通信、GPS微波定位以及機(jī)載計(jì)算等信息技術(shù)，成熟機(jī)型的設(shè)計(jì)在不斷創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)也在不斷改進(jìn)。實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)在CAD的環(huán)境中，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)者關(guān)于零件結(jié)構(gòu)的意見實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流，進(jìn)而對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)進(jìn)行獲取，從而對(duì)整機(jī)的性能和外形兩個(gè)方面的結(jié)合進(jìn)行滿足。
3結(jié)語
本文就協(xié)同設(shè)計(jì)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，首先對(duì)我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，隨后對(duì)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的CSCD體系進(jìn)行了分析，并且分析了工程機(jī)械CSCD中CAD環(huán)境中的實(shí)時(shí)協(xié)同。協(xié)同設(shè)計(jì)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠使得工程機(jī)械設(shè)計(jì)具有更高的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，從而對(duì)工業(yè)發(fā)展起到促進(jìn)作用。
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[關(guān)鍵詞]輕量化；新材料；城軌車輛；內(nèi)裝
中圖分類號(hào)：U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）13-0172-01
1 前言
作為城軌車輛內(nèi)裝中的一項(xiàng)重要方面，對(duì)輕量化新材料的應(yīng)用占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。該項(xiàng)課題的研究，將會(huì)更好地提升對(duì)輕量化新材料應(yīng)用的分析與掌控力度，從而通過合理化的措施與途徑，進(jìn)一步優(yōu)化城軌車輛內(nèi)裝工作的最終整體效果。
2 聚碳酸酯材料的應(yīng)用
聚碳酸酯，即俗稱的PC材料，與傳統(tǒng)的玻璃相比，聚碳酸酯板材具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：
2.1 輕量化優(yōu)勢(shì)
同等厚度面積的PC重量?jī)H為玻璃的一半，減重效果明顯。
2.2 力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)
作為由有機(jī)大分子鏈結(jié)構(gòu)組成的PC材料，韌性和強(qiáng)度大大強(qiáng)于玻璃，主要體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度等方面。在實(shí)際的使用過程中，PC不會(huì)發(fā)生自爆，且受外力沖擊不會(huì)崩碎，安全性更高。
2.3 隔熱性優(yōu)勢(shì)
PCk值較玻璃低10%左右，可以更好的隔絕冬天的熱量損失以及夏天的熱量傳入。冬天或夏天空調(diào)環(huán)境中觸碰感覺較玻璃來說，不會(huì)很涼。
2.4 隔聲性優(yōu)勢(shì)
阻隔分貝值較玻璃高10%左右，可以更好的隔絕噪音。
2.5 抗劃傷方面
經(jīng)過硬化涂敷的PC材料，可接近于玻璃的抗劃傷效果。
綜上所述：聚碳酸酯材料在具有玻璃一系列性能特征的同時(shí)，重量?jī)H為玻璃的一半，在輕量化方面優(yōu)勢(shì)巨大。內(nèi)裝系統(tǒng)的車窗、屏風(fēng)、行李架均可以使用聚碳酸酯材料來代替現(xiàn)有的鋼化玻璃。
3 NGC型鋁合金型材的應(yīng)用
目前城市軌道交通車輛上的扶手，材質(zhì)多為不銹鋼，重量較大。NGC型鋁合金型材因其機(jī)械性能、防腐性能及成形焊接性能方面的特點(diǎn)，具備了替代不銹鋼作為扶手基材的可能，使用鋁合金扶手將比不銹鋼扶手減重50%以上。
NGC型合金、防銹鋁LF5合金、Us5083按《輕金屬材料和加工手冊(cè)》規(guī)定的快速腐蝕條件，用3%氯化鈉+1%過氧化氫（重量比）作腐蝕介質(zhì)，在25℃，全浸96小時(shí)，腐蝕速度對(duì)比：
為了提高鋁合金扶手的表面硬度和耐磨性，通常還需進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理，氧化膜厚度在20μm，硬度（HV）3500MPa以上的稱為硬質(zhì)氧化膜，表面處理工藝順序：機(jī)械拋光拉絲除油清洗化學(xué)拋光水洗中和硬質(zhì)陽極氧化水洗封孔烘干。硬質(zhì)陽極氧化膜受溶液組成、濃度、溫度、電流密度等多種條件的影響，而其中影響最大的是溫度。溶液溫度越低，氧化膜的硬度就越高。
隨著軌道交通車輛的不斷創(chuàng)新發(fā)展，NGC型鋁合金扶手在車輛上的應(yīng)用必定會(huì)得到更加廣泛的推廣。
4 碳纖維材料的應(yīng)用
碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強(qiáng)度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。
碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維（GF）相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱芙拉纖維（KF-49）相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。
碳纖維密度不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3000MPa以上，是鋼的7～8倍，抗拉彈性模量為23000～43000MPa亦高于鋼。因此碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程機(jī)械的廣闊應(yīng)用前景。
目前城市軌道車輛上的司機(jī)室面罩所使用材料為玻璃纖維增強(qiáng)的熱固塑料，該結(jié)構(gòu)密度低，強(qiáng)度好，城軌車輛的面罩一般在250kg～320kg左右。為達(dá)到更輕量化的目的，可以采用碳纖維增強(qiáng)的熱固塑料，碳纖維相比玻璃纖維而言密度更小，性能更加卓越。
碳纖維的密度約為鋼的1/5，玻璃纖維的2/3，抗拉強(qiáng)度卻能達(dá)到鋼的7-8倍左右，玻璃纖維的2倍以上。
使用碳纖維替代玻璃纖維去制作地鐵車輛的司機(jī)室面罩，在保證面罩相關(guān)性能要求的前提下，輕量化方面優(yōu)勢(shì)明顯。隨著軌道交通的不斷發(fā)展，碳纖維在車輛內(nèi)裝件上的應(yīng)用必將愈發(fā)廣泛。
5 復(fù)合鋁板的應(yīng)用
復(fù)合鋁板，又稱鋁塑復(fù)合板，是由多層材料復(fù)合而成，上下層為經(jīng)過化學(xué)處理的涂裝鋁板，中間層為無毒低密度聚乙烯（PE）芯板，在專用鋁塑板生產(chǎn)設(shè)備上加工而成的復(fù)合材料。
復(fù)合鋁板具有如下所述的性能特點(diǎn)：
5.1 剝離強(qiáng)度高
鋁塑復(fù)合板最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)-剝離強(qiáng)度，因特殊的復(fù)合工藝被提高到了極佳狀態(tài)，使鋁塑復(fù)合板的平整度、耐候性方面的性能都相應(yīng)提高。
5.2 防火性能卓越
鋁塑板中間是阻燃的物質(zhì)PE塑料芯材，兩面是極難燃燒的鋁板層，因此具有良好的防火性能。
5.3 耐沖擊性
耐沖擊性強(qiáng)、韌性高、彎曲不損面漆。
5.4 易保養(yǎng)
自清潔性好，只需用中性的清洗劑和清水即可，清洗后板材永久如新。
5.5 材質(zhì)輕
鋁蜂窩板每平方米的重量在11kg左右，復(fù)合鋁板每平方米的重量?jī)H在3.5kg～5.5kg左右，輕量化優(yōu)勢(shì)明顯。
城市軌道車輛的內(nèi)裝墻板基材通常有復(fù)合鋁板、鋁蜂窩板、玻璃鋼等，其中復(fù)合鋁板在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防火環(huán)保的前提下具有明顯的輕量化優(yōu)勢(shì)。
6 結(jié)束語
綜上所述，加強(qiáng)對(duì)輕量化新材料在城軌車輛內(nèi)裝中應(yīng)用的研究分析，對(duì)于其良好實(shí)踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的輕量化新材料應(yīng)用過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)其關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重點(diǎn)要素的重視程度，并注重其具體實(shí)施措施與方法的科學(xué)性。
⒖嘉南
