STR23工作裝置開焊分析

武占剛*，李凱，劉修超

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STR23工作裝置開焊分析

武占剛*，李凱，劉修超

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧，272000）

推耙機(jī)作為一種港口散裝物料裝卸的重要設(shè)備，其質(zhì)量穩(wěn)定性對(duì)港口的工作效率有較大影響，山推工程機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的STR23推耙機(jī)作為國內(nèi)最大馬力推耙機(jī)，在港口施工中逐步替代進(jìn)口產(chǎn)品，但是在實(shí)際使用過程中推耙鏟刀出現(xiàn)了不同程度的開焊現(xiàn)象，且開焊部位有一定的相似性，本文結(jié)合推耙機(jī)作業(yè)工況分析了STR23推耙機(jī)推耙鏟刀安裝座開焊產(chǎn)生的原因，并利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)刀頭在典型工況下所受外載荷進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果以及生產(chǎn)制作過程的實(shí)際可操作性，優(yōu)化了相關(guān)結(jié)構(gòu)。

推耙機(jī)；推耙鏟刀；焊接

引言

推耙機(jī)是針對(duì)散料作業(yè)開發(fā)出的一種工程機(jī)械，廣泛用于港口散裝貨物清理和船艙的清艙、平艙工作，也可用于電廠、碼頭、礦山松散物料的推耙作業(yè)，與推土機(jī)相比，推耙機(jī)的推工況與之類似，耙工況為推耙機(jī)獨(dú)有。

推耙機(jī)作業(yè)對(duì)象載荷較大，工作狀況復(fù)雜，作業(yè)工序反復(fù)循環(huán)且操作頻繁，工作過程中經(jīng)常變換速度姿態(tài)，并且由于船艙作業(yè)空間狹小，推耙機(jī)工作裝置在工作過程中經(jīng)常與船艙發(fā)生碰撞，工作條件十分惡劣。上述工作條件使得推耙機(jī)在使用中時(shí)常發(fā)生焊縫開裂、構(gòu)件變形及斷裂等破壞。

STR23型推耙機(jī)系目前國產(chǎn)最大馬力的專用清倉設(shè)備，打破了大馬力推耙機(jī)長(zhǎng)期由卡特彼勒、小松等國外品牌壟斷的局面，并填補(bǔ)了國內(nèi)大馬力推耙機(jī)的空白。我公司于2016年一次性銷售八臺(tái)該型號(hào)推耙機(jī)，其中一臺(tái)STR23型推耙機(jī)推耙鏟刀安裝座出現(xiàn)開焊斷裂情況，我們對(duì)推耙鏟刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，得出推耙鏟刀的應(yīng)力及變形分布狀況，改進(jìn)了推耙鏟刀安裝座結(jié)構(gòu)。

1 推耙鏟刀座裂紋的現(xiàn)狀調(diào)查

目前山推STR23推耙鏟刀安裝座是由鋼板組合焊接而成，開焊斷裂位置處于刀頭和推桿的連接支座處，如圖1所示。

圖2 推耙機(jī)的工作裝置

1- H型架 2-推耙鏟刀 3-鏟刀推耙機(jī)構(gòu) 4-鏟刀升降機(jī)構(gòu)

2 推耙鏟刀結(jié)構(gòu)及受力分析

2.1 推耙鏟刀結(jié)構(gòu)

STR23推耙機(jī)的工作裝置包括推耙鏟刀、H型架、鏟刀升降機(jī)構(gòu)、鏟刀推耙機(jī)構(gòu)，如圖2所示，其中構(gòu)件2即為推耙鏟刀。推耙鏟刀是由鋼板組合焊接而成的弧形箱體結(jié)構(gòu)，主要承受壓力與彎矩作用的構(gòu)件，截面形狀為弧形，為提高其承載能力，其內(nèi)部有加強(qiáng)筋板。

2.2 推耙鏟刀所受載荷分析

推耙機(jī)具體工況可分為推耙機(jī)具體工況可分為三種，工況包括：

（1）推工況，該工況與推土機(jī)一致，此工況下推耙鏟刀安裝座主要受壓應(yīng)力，不會(huì)造成開焊斷裂，如圖3。

（2）耙工況，該工況下鏟刀在提升油缸和推耙油缸聯(lián)合操縱下，不斷變換工作姿態(tài)，從而將散料歸集在一起。該工況下，推耙鏟刀安裝座會(huì)受到反復(fù)的拉應(yīng)力作用，從而使焊縫產(chǎn)生疲勞斷裂。因此主要分析該工況下推耙鏟刀受力情況，如圖4。

（3）沖擊載荷工況。工作時(shí)推耙機(jī)經(jīng)常與船艙或者塊狀作業(yè)對(duì)象發(fā)生碰撞，此時(shí)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于正常載荷的沖擊載荷，側(cè)向及垂直方向的沖擊載荷會(huì)對(duì)推耙鏟刀安裝座產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。由于沖擊載荷具有隨機(jī)、瞬態(tài)特性，不易確定，本文不再分析。

圖3 推工況工作裝置受力情況

圖4 耙工況工作裝置受力情況

如圖4所示，推耙機(jī)在對(duì)散料進(jìn)行歸集時(shí)，工作裝置姿態(tài)變化情況為：提升缸提升鏟刀，推耙缸處于最短行程，推耙鏟處于A位置準(zhǔn)備工作，到達(dá)散料處，提升剛將鏟刀放下同時(shí)推耙缸工作，推耙鏟由A位置到達(dá)B至C位置，如此反復(fù)進(jìn)行，將散料歸集在一起。整個(gè)過程中鏟刀在B位置，即鏟刀與地面垂直位置時(shí)受到的物料阻力最大，當(dāng)鏟刀到達(dá)C位置時(shí)鏟刀受限位塊阻擋而停止移動(dòng)，此時(shí)主要受油缸推力作用。

推耙工況推耙鏟刀處于B位置時(shí)受力分析，為便于計(jì)算，將推耙鏟受到的阻力即耙力考慮為集中力進(jìn)行分析。假設(shè)耙力集中作用點(diǎn)在推耙鏟刀下邊沿中點(diǎn)（圖5所示），由于推耙鏟刀安裝座和推耙油缸座沿推耙鏟刀中垂面對(duì)稱，這里以推耙鏟刀為研究對(duì)象，推耙鏟刀左安裝座中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖6所示。已知推耙鏟刀質(zhì)量m=1274.8kg，重力加速度取g=9.8N/kg，耙力Fb=136290N，推耙油缸工作壓力19.5MPa，油缸活塞直徑140mm。

圖5 耙工況工作裝置受力情況

圖6 耙工況工作裝置受力分析圖（B位置）

靜力平衡方程如下：

∑Mo=0：Fyg×525×cos15°+mg×246.5/2-Fb×791/2=0

∑Fxo=0：Fx+Fyg×cos15°+Fb/2=0

∑Fyo=0：Fy+Fyg×sin15°-mg/2=0

解得：

Fyg=103279.9N，F(xiàn)x=-167905.7N，F(xiàn)y=-20484.3N

推耙油缸最大推力：Fygmax=19.5×106×3.14×（0.14/2）2=300027N﹥Fyg=103279.9N。

推耙工況推耙鏟刀處于C位置時(shí)受力分析，鏟刀受限位塊阻擋而停止移動(dòng)，此時(shí)主要受油缸推力作用，油缸達(dá)到最大推力即Fygmax=300027N。以推耙鏟刀為研究對(duì)象，推耙鏟刀左安裝座中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖7所示。

圖7 耙工況工作裝置受力分析圖（C位置）

靜力平衡方程如下：

∑Mo=0：Fygmax×357+mg×52/2-Fxw×269=0

∑Fxo=0：Fx+Fyg×cos7°+Fxw×cos35°=0

∑Fyo=0：Fy+Fyg×sin7°-mg/2- Fxw×sin35°=0

解得：

Fxw=399384.6N，F(xiàn)x=-624947N，F(xiàn)y=198759.9N

2.3 推耙鏟刀應(yīng)力分析

在Croe中建立推耙鏟刀三維模型，采用山推模板，單位：Length（），Mass（），Time（sec）。

利用Croe中有限元分析功能Simulate對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，F(xiàn)orce（/sec∧2），材料選擇Q345，彈性模量1.99948e+11，泊松比0.27。根據(jù)上面分析結(jié)果對(duì)推耙鏟刀加載進(jìn)行應(yīng)力分析。

推耙工況推耙鏟刀處于B位置時(shí)應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示。從云圖看，推耙鏟刀座焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中處最大應(yīng)力達(dá)180MPa，該處焊接母材為Q460C，最低屈服強(qiáng)度為400MPa，遠(yuǎn)大于分析結(jié)果。

圖8 推耙鏟刀主應(yīng)力分布圖

推耙工況推耙鏟刀處于C位置時(shí)應(yīng)力分析結(jié)果如圖9所示。從云圖看，推耙鏟刀座焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中處最大應(yīng)力達(dá)200MPa，該處焊接母材為Q460C，最低屈服強(qiáng)度為400MPa，遠(yuǎn)大于分析結(jié)果。

圖9 推耙鏟刀主應(yīng)力分布圖

3 推耙鏟刀座開焊原因分析

從上面分析結(jié)果看，推耙鏟刀座所使用的材料最低屈服強(qiáng)度均滿足工況要求，因此推耙鏟刀座焊縫開焊斷裂主要原因并非材料強(qiáng)度本身不足，而應(yīng)該是焊接工藝問題。

影響焊接性能因素眾多，可以歸納為兩個(gè)方面：一是力學(xué)方面性能影響因素；二是材質(zhì)方面影響因素。力學(xué)性能影響方面，可能在焊縫內(nèi)部存在未焊透、氣孔、夾渣等缺陷；材質(zhì)影響方面，焊接過程中熱循環(huán)引起組織變化，焊接過程中熱塑性變形循環(huán)產(chǎn)生材質(zhì)變化都會(huì)影響焊縫壽命，單純加強(qiáng)焊縫部位強(qiáng)度，可能不會(huì)大幅提高其壽命。

焊接工藝方面主要由外協(xié)廠家控制，考慮到目前焊接工藝現(xiàn)狀，短期內(nèi)無法大幅度提高。鑒于此，本文從設(shè)計(jì)角度，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少焊縫應(yīng)力集中。

4 推耙鏟刀座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

原推耙鏟刀座與油缸座是分離的，且兩個(gè)部件都是通過多個(gè)板材進(jìn)行焊接，如此焊接在鏟刀上，很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為消除應(yīng)力集中，并考慮整個(gè)工作裝置布局，將鏟刀座和油缸座設(shè)計(jì)成一體，然后焊接在鏟刀上，零部件大大減少，整體的焊縫數(shù)量和交叉也隨之減小，有效降低焊接內(nèi)應(yīng)力和焊接變形，見圖10。優(yōu)化后的鏟刀應(yīng)力分析云圖見圖11，從圖上看，優(yōu)化后的推耙鏟刀座焊縫應(yīng)力集中現(xiàn)象消除，焊縫處應(yīng)力降低40%以上。

圖10 推耙鏟刀優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

圖11 推耙鏟刀應(yīng)力分析云圖

5 結(jié)束語

通過對(duì)STR23推耙機(jī)推耙鏟刀受力分析及有限元應(yīng)力分析，找到了推耙鏟刀座焊縫開裂的原因：即焊縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖然材料強(qiáng)度滿足要求，但由于焊接工藝問題，焊縫易在交變載荷作用下發(fā)生疲勞失效，因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用有限元分析元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使焊縫處避開應(yīng)力集中點(diǎn)和最大受力點(diǎn)。

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Analysis of STR23 Welding Equipment

WU Zhangang*, LI Kai, LIU Xiuchao

(Shantui construction machinery Limited by Share Ltd, Shandong Jining, 272000, China)

Push the rake machine is an important equipment for port bulk materials handling, has great influence on the quality of the work efficiency of port stability, Shantui construction machinery production of Limited by Share Ltd STR23 push the rake machine as the largest horsepower bulldozers, gradually replace imported products in the construction of the port, there are different degrees of welding phenomenon but the pushframe the blade in the actual use of the process, and welding parts have certain similarity, this combination of bulldozers working of STR23 dozer blade pushframe installation seat open welding, and using the computer simulation software tool head loads are simulated and analyzed in typical working condition, according to the simulation results and the production process of the actual operation, optimize the related structure.

push the rake machine; pushing rake blade; welding

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.059

TP 311

A

1672-9129(2018)01-0146-03

武占剛, 李凱, 劉修超. STR23工作裝置開焊分析[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2018, 7(1): 146-148.

WU Zhangang, LI Kai, LIU Xiuchao. Analysis of STR23 Welding Equipment[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 146-148.

2017-11-15；

2017-12-28。

武占剛（1985-），男，山東濟(jì)寧，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械工程。E-mail: bianjibu2018@163.com