设备的轻量化设计分析

在全球环保消费观念盛行的今天，带压开孔设备轻量化技术开始变得重要，正成为通向未来节能设备发展之路的主流技术，在此技术领域已经走到了行业的前端。轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质、高强度的材料来实现。

设备的轻量化的技术内涵是：采用现代设计方法和有效手段对带压开孔设备的各类产品进行优化设计，或使用新材料在确保设备在综合性能指标的前提下，尽可能降低产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。

然而，设备的轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持设备原有的性能不受影响，既要有目标地减轻自身的重量，又要保证设备在带压开孔工程施工中的安全性、便携性、抗振性及操作简便化，同时还要使设备本身的造价不被提高，以免给客户造成经济的压力。

设备轻量化技术包括设备结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面设备的轻量化与材料密切相关；另一方面，优化带压开孔钻结构设计也是实现轻量化的有效途径。轻量化技术也在机械行业不断发展，主要表现在：

一、轻量化设计原理

明确轻量化设计及材料技术的主要研究内容、设备的主要发展阶段，按照工作原理和技术发展用轻量化设计及材料的特点和分析，了解现代轻量化设计及材料技术之间的关系。在设计与计算原理、材料性能 （包括相应的复合材料与材料复合物）以及成型方法的基础上，相应的论述将会对创新有所发展。

二、轻量化材料

轻量化材料应用

1、有色合金材料

1.1铝合金

铝相对于钢、铁来讲，质量轻许多，而且铝资源丰富，市场供应充足。铝加入合金元素后，具有密度小、质量轻、导热性能高、吸收冲击能力强，易于回收再生、耐腐蚀性高等特点。铝合金的密度大约是钢铁的1/3，吸收冲击的能力大约是钢的2倍，导热性能大约比铁高3倍，所以铝合金是轻量化的首选材料，在开孔设备上使用比较早，技术也相对成熟。

1.2镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，它们的密度之比为1.8:3，是当前最理想，重量最轻的金属结构材料，因而成为开孔机减轻自重、以提高其节能性和环保性的首选材料。但其铸造性差，后处理工艺复杂，成本高。我国的镁资源非常丰富，储量占世界首位。但是国内用量很少，尤其是带压开孔行业用量极少，因此前景非常广阔。

2、高强度钢

虽然设备制造中铝等轻质材料不断增加，但钢铁仍是设备制造的主要材料。铝等轻质材料由于受到自身性能、工艺要求以及价格等因素的限制，在设备制造中仅能代替一部分钢铁。高强度钢相对于普通钢来说具有高强度、质量轻、成本降低等特点，而且能够提高安全性能，所以高强度钢已成为颇具竞争力的轻量化的原材料。使用高强度钢板代替普通钢板制造设备，设备自身质量可减轻30%-40%；代替普通钢制成的钻杆质量可减轻约10%。所以，高强度钢是设备中钢铁材料今后的主要发展方向之一。不仅有利于实现设备的轻量化，降低能耗和保护坏境，而且可以大幅度地提高设备的耐侵蚀能力，增加使用寿命。

3、塑料和复合材料

与相同结构性能钢材相比，塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35%左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力，在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，整体成本通常更低。

塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。

复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外，还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料具有很多优点：密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。

4、其它轻量化材料

精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右，但具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等）和化学性能（耐热冲击、耐氧化、蠕变等）。作为轻量化材料如果用于开孔钻的零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，使功率提高，成本下降。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料，其最大的特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在开孔设备上的实例还不多，但应用研究在不断前进，将来会较多地得到运用。

5、结论

尽管我们会面临种种障碍，但仍然没有放弃努力，专业软件的开发成果越来越多，新材料技术、新生产技术和新设计方法不断进步，铝、镁、复合材料和特种钢等新材料在制造中的使用比例在逐步加大。虽然在目前看来短期内不会在减重方面出现革命性突破，但是由于不断努力，相信不久的将来制造出轻量廉价的新一代带压开孔设备的目标。