王建玲
德州通懋机电设备有限公司山东德州市，253000
摘要：进入新时代，人们生活水平提高，我国能源短缺和环境污染的形势日益严重，工程机械高能耗、高排放的问题日益突出，工程机械节能减排工作已经刻不容缓。如何在国家政策的领导下实现工程机械的节能减排和环境保护目标已经成为当今社会关注的热点。从工程机械节能减排的背景出发，分析当前工程机械减排降耗的研究现状，归纳总结了工程机械节能减排的主要技术以及存在的不足，提出了相关解决办法，重点强调了轻量化设计的新理念新方法，指出今后节能减排工作新动向，为我国机械制造行业的环保与节能技术的研发提供借鉴。
关键词：工程机械；节能减排；新趋势
引言
随着社会经济的发展，人们的环保问题意识也不断增强，节能设计理念得到了全世界的认可。机械制造和自动化随全球的发展不断变化，所以需要节能的理念融入这个行业。因为中国机械设备所有社会功能的实现都需要得到保障其能源供应，而且设备本身的制造发展过程涉及能源与资源的大规模消耗。我们要优化设计方面，机械制造和自动化应用的节能设计理念的渗透，系统的设计使其更加稳定和高效。
1应用节能设计理念的重要性
随着我国社会的不断进步与科学的不断发展，人们也越来越关注自身赖以生存的地球，加之能源的过度开采，致使能源问题成为现在最为重要和紧迫的问题。那么，人们应该如何做才能更好地解决能源问题？开采新能源是必不可少的，与此同时还应尽量节约开采的能源。对于节能，可以通过使用节能设计来达到这一目的，主要体现在以下几点。（1）可以明显提高常见高机产品的质量。在机械制造以及自动化中，衡量系统最为关键的指标就是其可靠性能，如果可靠性出现问题，那么整个系统将会受到严重影响，甚至会出现系统瘫痪的情况。而且，设备的可靠性与能源的消耗存在一定的关系，如果使用的设备可靠性能存在问题，就会在能源的使用过程中出现成本快速增加和能源效率降低的情况。（2）有利于提升企业的竞争力。在国民经济快速发展的时期，机械制造业在工业中占据了非常大的份额，若企业想提升自身的竞争力，必须在发展中走环保节能之路。
2工程机械节能减排的主要技术
2.1机械设备的加工工艺
在能源消耗和生产资源形式的日益复杂的情况下，精密的机械生产过程的结构也发生了改变，除了成功加工成的产品被加工成动能和设备部件材料等能源资源的各种的形式，也通过多个生产过程被消耗和排放到环境中，包括直接的热损失、能量损失和机械振动等的废物。所以，基于节能设计发展理念、运用自动化专业技术进行优化机械制造领域的加工工艺，能有效管理控制系统能量和资源的损耗。在加工过程中，广泛地使用当前数控加工技术组件可以精确地控制温度和参数，如切削，本身基于操作条件，以实现目标能量的装置，借此精确地控制，并且该处理可以被简化和减少了设备的能量处理中材料节省部件。其次，基于信息技术进行创新发展改进生产管理过程中的冷却、表面处理等工艺，可以通过直接减少热能损失并改进设备性能，提高零部件的耐久性与可靠性。
2.2优选环保材料
机械设备在选材上要优先选择环保的可回收材料，才能优化系统构件，使工艺机械制造更科学合理化，在耗能方面达到最佳的理想设计效果，进而延长机械的使用寿命。在科学技术的不断发展下，机械部件之间的关系也变得越来越密切，因此更要优化设计元件。从实际的环保材料选用来看，可从以下方面着手：（1）在材料选用中融入环保理念。为促进行业的可持续性发展，当前在机械制造加工生产过程中，选用环保材料是一个十分重要的环节，在实际选用时可关注所选材料的可回收性、可再生性、可降解性等特点，尽量选择无毒、无害的材料进行生产，降低所用材料对环境造成的不良影响。同时，通过回收重复利用的方式，降低资源损耗，达到节能的目的。（2）在材料选用中应坚持轻重量、低能耗、长寿命的原则。适当减轻机械产品的原材料重量，能对制作过程中的搬运、装配产生便利，降低各生产环节能源消耗量，同时应用一些质量较轻的材料，也能降低机械产品自身在运转过程中的能量损耗，达到较好的节能效果。此外，在选用材料时还应综合考虑强度、耐磨损性能等参数，确保其在实际运行使用过程中能够具有较长的使用寿命，降低机械产品的报废率，间接达到节能降耗的目的。
2.3轻量化设计
传统的工程机械设计中安全系数取值过大，导致工程机械本身比较笨重，进而带来油耗过高、燃油经济性差的问题。因此，产品轻量化设计的重要性就凸显出来了。轻量化的设计计算方法包括极限状态法、有限元法、优化设计法三种。极限状态法以概率论、数理统计、可靠性分析为基础，将载荷、材料属性、构件实际尺寸均看作基于某种概率分布的统计量，计算产品失效概率来获得结构的安全度，是一种近似于定量计算的方法。有限元法是以弹性力学为基础的计算方法，能考虑实际工况和约束，得出结构全面的应力分布情况。优化设计法是基于某种或多种评价目标而进行的优化设计。轻量化设计主要包括材料的轻量化、制造工艺的轻量化以及结构的轻量化三种途径。材料的轻量化是指通过选用高强度钢材、合金、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等，减重效果突出，但是这些材料的价格昂贵，使得制造成本很高。制造工艺的轻量化是指新的热处理工艺、激光焊接、增压技术、真空等，其中焊接技术作为主要工艺，针对焊接时收缩、弯曲、扭曲等主要变形可以采取逐段焊接作业、焊接顺序尽量由内至外、由中间到四周、焊前预热处理焊后回火的方式进行，将手工焊和半自动焊转变为全自动焊或者焊接流水线作业，并对自动焊接进行有效控制。但是此类制造工艺对生产设备要求很高，需要购买相关设备，因此也增加了制造成本。结构的轻量化是指在不改变各项性能要求的前提下，通过改变结构形状，减少材料使用量来实现轻量化设计，具有成本低、性价比高的优点。以装载机为例，分别对铲斗、动臂、发动机和变速器进行有限元等强度分析，削减多余的重量，节省原材料降低成本的同时可以减少不必要的动力输出。其中以铲斗为例，传统的强度设计方法是采用极限工况以最极端的方式对工作装置加载进行强度计算，如图1所示。虽然该方法能够了解铲斗的整体强度，能保证产品的强度在使用范围之内，但是安全系数取值过大，导致设计出的铲斗强度储备偏大，不利于实现产品的轻量化目标，更不利于实现整机的节能减排和燃油经济性。因此我国的轻量化研究需要改掉原有的产品设计理念，应该在准确了解产品实际作业状态下的受力情况及强度分布的条件下，再去考虑产品的结构和材料轻量化设计。
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图1 六种典型工况
结语
（1）分析了目前工程机械节能减排的研究现状，介绍了工程机械节能减排核心技术及存在的不足，并提出了相关解决办法；（2）以装载机铲斗为例，阐述了现存产品设计理念和结构分析方法存在的问题以及对轻量化设计带来的弊端，重点提出了一种未来工程机械节能减排中轻量化设计的新理念新方法；（3）经过研究该方法一定程度上可以代替实验验证环节，改变了在产品加工之前无法通过实验对计算结果进行验证的现状；同时也可以为工作装置载荷谱的测试提供参考；能为产品精品化设计提供重要的指导，比如在满足强度作业要求的前提下，可以进行质量最轻、作业阻力最小、材料成本最低等多目标优化，具有理论和现实意义。
参考文献
［1］张大庆.工程机械节能环保研发趋势［J］.建筑机械化，2015，36（6）：27-30.
［2］杜岩，刘政宏，易智涛.机械制造与自动化设计理念研究[J].南方农?机，2017，（6）：41-43.