農(nóng)業(yè)機(jī)械重量減輕和材料耗量降低方法

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摘要:機(jī)械重量和材料耗量是衡量設(shè)計(jì)水平的一個重要指標(biāo)，合理減輕機(jī)械重量，減少材料耗量對降低設(shè)計(jì)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益具有積極意義。因此，論述了選擇有效的機(jī)械原理方案和合理的零部件結(jié)構(gòu)，在保證機(jī)械零部件最小必需強(qiáng)度儲備的基礎(chǔ)上，采用適宜的材料種類和鋼材品種，應(yīng)用現(xiàn)代工藝方法等技術(shù)措施，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中具有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:機(jī)械重量;材料耗量;強(qiáng)度儲備

設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械時，減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械重量和降低材料耗量可以用以下的措施來達(dá)到:選用最有效的機(jī)械原理方案和結(jié)構(gòu)最合理的零部件;保證機(jī)械的零部件有最小的必需強(qiáng)度儲備;應(yīng)用有效的材料類型和鋼材品種;應(yīng)用現(xiàn)代的工藝方法等。

1選擇有效的機(jī)械原理方案和合理的零部件結(jié)構(gòu)

機(jī)械原理方案的選擇，對于解決在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的主要問題———減輕重量和節(jié)約材料，有很大影響。改進(jìn)原理方案，能夠設(shè)計(jì)出通用性較廣和總體配置比較合理的機(jī)械。這樣來改進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)，可以顯著減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械的重量，并且材料的利用率也更高。如圖所示谷物或莖稈粉碎器的簡圖，其中輸送器和粉碎裝置合為一體。這可改善整個機(jī)器的配置，并大大減少其外形尺寸和重量。消除多余的零件，或者將兩個或幾個零件用一個來代替，也可以改進(jìn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)。有多余的零件時，不容易保證機(jī)械的正常工作特性。用一個零件代替幾個零件，不僅可以減輕被替代零件本身的重量，并且能夠消除支承件，固定件和其他不必要的連接件，因此，可以節(jié)約材料，而且由于減少了加工面和裝配量，也減少了工時。

2保證機(jī)器零部件最小的必需強(qiáng)度儲備

設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械時，確定其零部件最小的必需強(qiáng)度儲備，是降低材料耗量及機(jī)械重量的措施之一。圖谷物或莖稈粉碎器簡圖農(nóng)業(yè)機(jī)械上過多的強(qiáng)度儲備是由于對機(jī)器使用工作條件的研究不足造成的。農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作條件差異很大，因此都是以最惡劣的條件來進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。在很多情況下，農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要零部件不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，只是根據(jù)結(jié)構(gòu)來選，并且為了提高機(jī)器的可靠性，不合理地增大了零部件的尺寸。這樣，在強(qiáng)度儲備的選擇中，對于節(jié)約材料是有很大潛力的。機(jī)器零件的工作應(yīng)力計(jì)算愈準(zhǔn)確，強(qiáng)度儲備愈合理，因而制造零件的材料利用地愈完全。例如，設(shè)計(jì)中耕機(jī)的機(jī)架時，由于強(qiáng)度儲備的選擇有理論依據(jù)，計(jì)算出了一種輕巧的機(jī)架結(jié)構(gòu)，運(yùn)用了一種較少數(shù)量的桿件，并將其斷面進(jìn)行了合理的改進(jìn)，因而使機(jī)架的重量減輕了22%，鋼材耗量減少21kg。當(dāng)缺乏分析計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)方法時，確定工作應(yīng)力的精確數(shù)值一般是不可能的。確定零件材料工作特性相適應(yīng)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，也很復(fù)雜。因此，必須改進(jìn)以最小強(qiáng)度儲備設(shè)計(jì)機(jī)器的計(jì)算方法。計(jì)算農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度時，應(yīng)該廣泛應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法測定變形和應(yīng)力的技術(shù)。例如，用應(yīng)變測量和涂漆法測定零件表面的應(yīng)力，用光測法測定零件體積內(nèi)各處的應(yīng)力。這些方法與分析計(jì)算相配合，能夠求得結(jié)構(gòu)元件的適當(dāng)尺寸，并能設(shè)計(jì)出重量輕和可靠性高的機(jī)器。應(yīng)變測量和涂漆法可在特定條件下用于測定農(nóng)業(yè)機(jī)械的強(qiáng)度特性。例如，用涂漆法研究收獲機(jī)機(jī)架的應(yīng)力和決定機(jī)架上超負(fù)荷與負(fù)荷不足的構(gòu)件。研究結(jié)果指出，增大超負(fù)荷構(gòu)件的斷面和減少負(fù)荷不足構(gòu)件的斷面，能夠在降低重量的情況下保證機(jī)架必需的強(qiáng)度。通過改變某些零部件的斷面、形狀和結(jié)構(gòu)等方法增加強(qiáng)度，是減輕重量的有效方法。設(shè)計(jì)機(jī)器時，承受很大負(fù)荷的零件的尺寸，大多數(shù)是根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算確定的。但有時經(jīng)常會產(chǎn)生很大的困難，因?yàn)榧词乖谧饔昧ο嗤瑫r，零件各個斷面上的應(yīng)力也是不同的。例如在斷面保持不變的零件中，承受彎矩時應(yīng)力不是常數(shù)，而是沿零件全長變化的。在這種情況下，斷面的尺寸根據(jù)最大彎矩來選，就會由于零件其他斷面內(nèi)強(qiáng)度儲備過多，而使材料利用的不合理。應(yīng)用變斷面的零件，特別是長度比較大的零件(桿件)，能夠減輕重量。這種等強(qiáng)度的零件，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用得很廣泛，代替了很多用大量鋼材制成的桿件。

3應(yīng)用有效的材料種類和鋼材品種

農(nóng)業(yè)機(jī)械零件所用的材料，應(yīng)保證在足夠的強(qiáng)度、耐久性和使用可靠性的情況下，以更輕材料為選擇目標(biāo)。同時應(yīng)當(dāng)使其有適當(dāng)?shù)墓に囆裕员隳軌驊?yīng)用合理的進(jìn)行壓力加工、鑄造、焊接、熱處理、機(jī)械加工和實(shí)施其他現(xiàn)代的加工工藝。應(yīng)用高強(qiáng)度材料來制造承載零件，并相應(yīng)地減少其斷面尺寸，是減輕機(jī)器重量的主要方法之一。但是，由于這種材料的價格較貴，應(yīng)用時必須以經(jīng)濟(jì)合理性作為依據(jù)。因此，在低合金鋼中，主要選用強(qiáng)度較高和價格較低的硅錳合金鋼，更符合農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際需求。低合金鋼的特點(diǎn)是比碳素鋼具有較高的保證屈服極限。例如，碳素鋼Cr.3及Cr.5的保證屈服極限相應(yīng)為24kg·mm－3及25kg·mm－3，而代替它們的低合金鋼則相應(yīng)為32～35kg·mm－3及38～40kg·mm－3。此外，它們還具有良好的沖擊韌性，可塑性及其他特性。用低合金鋼代替碳素鋼，由于在不改變零件結(jié)構(gòu)的情況下減小斷面厚度，可以減輕制品的重量平均達(dá)15%。在改變結(jié)構(gòu)的情況下，例如用板材沖壓代替型鋼，節(jié)約的材料還要多。假如由于零件斷面減少，而引起彈性變形的增加是不允許的，就不能應(yīng)用低合金鋼，在這種情況下應(yīng)采用具有大慣性矩的斷面。還應(yīng)指出，低合金鋼在不定負(fù)荷下易于產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，當(dāng)應(yīng)用于具有不定負(fù)荷的張應(yīng)力及劇烈的應(yīng)力場合時，這些鋼材運(yùn)用的可能性需要仔細(xì)檢查。在焊接件上，可以利用傾斜的焊道減少應(yīng)力數(shù)值和應(yīng)力集中的程度。為了減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械的重量，開始應(yīng)用了輕金屬，例如應(yīng)用鋁合金制造某些重要機(jī)構(gòu)的復(fù)雜殼體零件(液泵、汽缸、減速器和其他的部件)。在這種情況下，鑄件的重量減輕了，這不僅是因?yàn)椴牧系谋戎匦?，而且也與鑄件的精度提高有關(guān)，尤其是應(yīng)用永久性鑄型的情況。永久性鑄型鑄造方法，擴(kuò)大了在零件強(qiáng)度條件允許的情況下獲得薄壁鑄件工藝的可能性。但是，和應(yīng)用高強(qiáng)度材料一樣，輕合金的成本更高，所以應(yīng)用時必須考慮其經(jīng)濟(jì)依據(jù)。

4應(yīng)用現(xiàn)代的工藝方法

應(yīng)用各種現(xiàn)代的先進(jìn)工藝過程，可以提高材料強(qiáng)度、毛坯和零件的制造精度，并且能夠使毛坯的形狀接近于零件的形狀，簡化結(jié)構(gòu)和減小零件的斷面。熱處理及熱化學(xué)處理，表面強(qiáng)化處理，以及焊接、精密鑄造、模鍛等都屬于現(xiàn)代工藝過程。在這種情況下，廢料減少，可以節(jié)約材料，并且由于提高了材料的強(qiáng)度，能夠減小零件的尺寸和斷面面積。同時，由于提高了零件的使用壽命，也節(jié)約了很多金屬替換件。大家都知道，當(dāng)零件中的應(yīng)力狀態(tài)是一般形式時(彎曲、扭轉(zhuǎn))，表層受到因外部載荷而引起的最大應(yīng)力。所以，承載零件的表層應(yīng)該強(qiáng)化。根據(jù)加工過程的特點(diǎn)，表面加工的方法可分為兩類:①熱處理和熱化學(xué)處理過程(表面高頻淬火、滲碳和滲氮等);②機(jī)械加工過程(用滾子或鋼球滾壓、噴丸加工、刀具加工和磨削加工等)。在各種熱處理中，表面高頻淬火是最有效的，應(yīng)用這種加工方法，可以提高零件的強(qiáng)度和壽命。例如，普通碳鋼零件，經(jīng)過表面高頻淬火后，其性能并不低于全部淬火的合金鋼零件。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，表面高頻淬火，用于制造工作部件的切割部分和承受磨損的一些其他零件。采用熱處理時，用鑄鐵代替鋼不會降低零件的質(zhì)量，并且能夠節(jié)約大量的鋼材(齒輪、鏈輪、滾筒釘齒和其他零件)。以上四種減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械重量和降低材料耗量的方法，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，加以重視并采用的話，會給帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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作者：黃丙申 初旭宏 吳佳鈺 潘寵 單位：佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院