驢頭焊接變位機(jī)設(shè)計(jì)研究與仿真

李相國,李明浩,姜學(xué)田,姜源,孫慶

（大慶油田裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)制造分公司，黑龍江大慶 163255）

0 引言

驢頭作為游梁式抽油機(jī)四大結(jié)構(gòu)件之一，外形不規(guī)則，焊道分布復(fù)雜；焊接過程需對(duì)其進(jìn)行多次翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)過程中存在安全隱患[1]。目前，現(xiàn)有的驢頭焊接變位機(jī)，更多是與焊接機(jī)器人配套，一次定位不能完成所有焊道的焊接。如圖1所示，一次定位無法焊接定位側(cè)驢頭側(cè)板上定位軸、調(diào)整螺母及定位管等焊道。

圖1 一種驢頭焊接變位機(jī)

根據(jù)我集團(tuán)生產(chǎn)現(xiàn)狀及驢頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要研發(fā)出一種適用于手工焊接，且能實(shí)現(xiàn)驢頭全部焊道焊接的焊接變位機(jī)。焊接變位機(jī)可將工件任意一條焊縫轉(zhuǎn)到平焊或者船焊位置[2]，可提高焊接效率、產(chǎn)品焊道質(zhì)量，而且可以改善操作者工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，消除翻轉(zhuǎn)驢頭時(shí)存在的安全隱患[3]。

1 焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，焊接變位機(jī)主要分為三種結(jié)構(gòu)類型：伸臂式、傾翻回轉(zhuǎn)式和雙立柱單回轉(zhuǎn)式。筆者所設(shè)計(jì)的焊接變位機(jī)屬雙立柱單回轉(zhuǎn)式，根據(jù)驢頭的結(jié)構(gòu)及焊道分布特點(diǎn)，綜合考慮焊接變位機(jī)的通用性、定位方式，焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)采用“魚骨”式結(jié)構(gòu)[4]。通過設(shè)計(jì)配重塊使焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)的重心在兩旋轉(zhuǎn)軸軸線處，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，可有效降低驅(qū)動(dòng)力矩。

圖2 焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

該焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)所用材質(zhì)為Q345，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。分析之前首先要對(duì)焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，SolidWorks Simulation網(wǎng)格處理功能可對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行高品質(zhì)的網(wǎng)格處理，計(jì)算結(jié)構(gòu)能反映出實(shí)際受力情況[5]。為了驗(yàn)證自身結(jié)構(gòu)安全性，在重力的作用下對(duì)其進(jìn)行了受力分析，分析得最大應(yīng)力及最小安全系數(shù)4.35位于旋轉(zhuǎn)軸加強(qiáng)筋板連根部，最大位移為1.9 mm在允許變形范圍內(nèi)，不影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

將14型抽油機(jī)驢頭固定在焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，同時(shí)在驢頭上方施加0.25倍驢頭重量的均布載荷，分析情況如圖4所示，最大位移為1.37 mm，最大安全系數(shù)為3.35，焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿足工作要求。焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)除了滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性外，還要設(shè)置焊接導(dǎo)電裝置，防止焊接電流對(duì)齒輪副和軸承等回轉(zhuǎn)副造成損傷[6]。

圖3 焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元分析云圖

圖4 施加載荷后綜合分析云圖

2 驢頭定位方式

設(shè)計(jì)驢頭在回轉(zhuǎn)平臺(tái)的定位裝置時(shí)，充分考慮定位快捷與穩(wěn)定性，采用四點(diǎn)定位方式，對(duì)其進(jìn)行定位。根據(jù)驢頭側(cè)板的外形尺寸，設(shè)計(jì)專用夾具限定驢頭空間6個(gè)方向自由度。定位裝置由一組圓弧定位裝置和一組滑塊式定位裝置組成；通過定位裝置上壓緊機(jī)構(gòu)，限定Z軸方向移動(dòng)和繞X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)，3個(gè)方向自由度；滑塊定位裝置可沿Y軸移動(dòng)，與側(cè)板邊緣接觸部位呈斜面狀，傾斜角度與側(cè)板相同；圓弧定位裝置相對(duì)固定，滑塊定位裝置向圓弧定位裝置移動(dòng)至與驢頭側(cè)板斜面完全接觸，可限定驢頭沿Y軸方向移動(dòng)和繞Z軸旋轉(zhuǎn)；而滑塊定位裝置內(nèi)部斜面可限定驢頭沿X軸方向的移動(dòng)，如圖5所示。

圖5 驢頭四點(diǎn)定位

3 焊接變位機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

考慮焊接時(shí)焊縫位置不宜過高，不便于操作者施焊，回轉(zhuǎn)臺(tái)不能整周旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為0°～180°，再由180°至0°。運(yùn)動(dòng)仿真分析時(shí)，忽略調(diào)心滾子軸承產(chǎn)生的摩擦力矩。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析目的在于準(zhǔn)確選擇驅(qū)動(dòng)力矩及電動(dòng)機(jī)功率，為此簡化支撐立柱，建立動(dòng)力學(xué)模型。為模型添加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)類型旋轉(zhuǎn)距離，角度旋轉(zhuǎn)180°，時(shí)間設(shè)定為12 s，為了實(shí)現(xiàn)焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)0°～180°～0°，需要為模型添加2個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，馬達(dá)1為0°～180°提供動(dòng)力，馬達(dá)2為180°～0°提供動(dòng)力。通過設(shè)置馬達(dá)鍵碼來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)過程，為模型添加引力，在算例類型中選擇Motion，開始進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[7]。分析得馬達(dá)1和馬達(dá)2的力矩及能源消耗如圖6～圖8所示。馬達(dá)1和馬達(dá)2最大力矩為6479 N·m，消耗能源為3393 W。將驢頭固定在焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，在0°和180°時(shí)，整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)需要制動(dòng)力矩才能保持在工作位置，為了確保安全性，需增設(shè)機(jī)械鎖緊裝置。

圖6 馬達(dá)1力矩

圖7 馬達(dá)2力矩

圖8 馬達(dá)1和馬達(dá)2能源消耗

4 結(jié)語

綜上所述，通過分析驢頭的結(jié)構(gòu)及焊縫分布，以SolidWorks軟件的有限元及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析分析結(jié)果為參考，可有效優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確選擇其驅(qū)動(dòng)力矩和傳動(dòng)系統(tǒng)。

通用驢頭焊接變位機(jī)，可以很好改善焊接操作者作業(yè)環(huán)境，有效提高工作效率及產(chǎn)品焊接質(zhì)量，消除驢頭翻轉(zhuǎn)過程中潛在的安全隱患。

[1] 李相國.基于有限元理論優(yōu)化設(shè)計(jì)梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)件[J].機(jī)械工程師,2015(9):201-203.

[2] 翟浩,孟國強(qiáng),王彩鳳.常用焊接變位機(jī)種類及其選用原則[J].工程機(jī)械與維修,2013(11):179.

[3] 林尚揚(yáng),陳善本,李成桐.焊接機(jī)器人及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[4] 李相國,李明浩.通用驢頭焊接變位機(jī):CN201520736974.6[P].2015-09-22.

[5] 陸宗學(xué),崔世義,劉勇.基于SolidWorks Simulation的重載機(jī)械手主梁的有限元分析[J].機(jī)械工程師,2013(11):129.

[6] 譚湘夫.焊接變位機(jī)[J].機(jī)械工程師,2001(3):58-59.

[7] DS SolidWorks公司.SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)仿真教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.