自卸車貨箱焊接工裝過程位移仿真及試驗研究

唐珊珊

(1.安徽三聯(lián)學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.馬來西亞砂拉越大學(xué) 工程學(xué)院，馬來西亞 砂拉越州 94300)

1 重卡自卸車行情

根據(jù)近五年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表1所示，重卡自卸車的更新?lián)Q代日益加速[1-2]，其主要原因有以下幾點：第一，我國從國三升級到國六只用了7年時間[3]，排放升級速度是所有國家中最快的，環(huán)保壓力也是全球之最。第二，2016年修改發(fā)布的GB1589以及2018年發(fā)布的新GB7258，新發(fā)布的國標(biāo)中對于卡車行業(yè)最主要的規(guī)定有：(1)危險貨物運輸掛車、三軸的欄板和倉柵式半掛車標(biāo)配盤式制動器和自動調(diào)整臂；(2)三軸及以上貨車將配備超速報警系統(tǒng)；(3)總質(zhì)量大于等于12000kg的危險貨物運輸貨車的后軸，所有危險貨物運輸半掛車，以及三軸欄板式、倉柵式半掛車應(yīng)裝備空氣懸架等[4-5]。第三，受全球疫情影響，對重卡產(chǎn)業(yè)的需求提高，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示：2020年中國重型貨車(含非完整車輛、半牽引車)產(chǎn)量為165.5萬輛，同比增長38.7%；中國重型貨車(含非完整車輛、半牽引車)銷量為161.9萬輛，同比增長37.9%[6]。受以上因素的綜合影響，重卡自卸車的平均使用年限在3年左右，加大了對各大廠家制作能力的考驗，一方面要提升產(chǎn)能，另一方面在輕量化大環(huán)境下保證產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 重卡自卸車的銷量

2 國內(nèi)外生產(chǎn)工藝研究現(xiàn)狀

根據(jù)對諸多自卸車貨箱制作廠家調(diào)研觀察，在規(guī)模較大廠家(年產(chǎn)≥3000臺)均使用拼箱專用設(shè)備，設(shè)備配備限位及液壓夾緊、自動尋位、自動焊接，至最后上龍門、后門，整套設(shè)備價值數(shù)百萬[7]，對于規(guī)模一般廠家上該設(shè)備使用頻率較低，會形成嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩。針對此問題，本文研究開發(fā)一種制造成本低，且可保證拼箱精度、提高拼箱效率的專用工裝，適合于產(chǎn)量規(guī)模一般的廠家使用。

對于一般規(guī)模廠家自卸車貨箱的拼焊過程，均通過以下方式進(jìn)行：第一步，底板焊接完成后流轉(zhuǎn)至拼箱工位，在底板上劃線定位、再點焊臨時限位；第二步，分別將左/右側(cè)邊吊至底板側(cè)邊，根據(jù)底板上的劃線及臨時限位確定左右側(cè)邊位置后點固，為減小拼接過程中邊板的變形及移位，需在左右側(cè)邊、側(cè)邊與底板之間點固臨時絲杠拉緊，同時可通過絲杠適當(dāng)調(diào)整左右側(cè)邊的位置和角度；第三步，將龍門吊至底板前端，根據(jù)底板上的劃線及臨時限位確定龍門位置點固，為方便調(diào)整龍門的位置，需在龍門與底板之間點固臨時絲杠；第四步，將后門吊至底板后端，根據(jù)底板上的劃線及臨時限位確定后門位置點固，為防止后門移位，需在后門與邊板之間點固臨時工藝筋，其工藝流程如圖1所示。

圖1 貨箱制造工藝流程圖

一般規(guī)模廠家現(xiàn)有拼箱過程大多沿用最傳統(tǒng)的“地攤式”工藝，通過上述介紹可看出，傳統(tǒng)拼箱工藝過程復(fù)雜、對作業(yè)人員要求較高且對于各零部件的原始尺寸精度要求高。整個作業(yè)過程完全靠人去控制位置和尺寸進(jìn)度，所生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性也難以保證，根據(jù)某廠家(一般規(guī)模)近期10臺5600*2300*600尺寸U型貨箱(邊板材料為NM450，厚度4mm)拼箱后尺寸統(tǒng)計，拼箱后左右后立柱高度差、貨箱前端內(nèi)高尺寸、貨箱后端內(nèi)高尺寸、貨箱前端內(nèi)寬尺寸、貨箱后端內(nèi)寬尺寸，均難以保證一致，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 使用工裝前5項數(shù)據(jù)統(tǒng)計 mm

3 貨箱結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

重卡自卸車U型貨箱區(qū)別于矩形箱，主要特征在于其側(cè)板通過多道折彎而成，即通過機械加工方法大幅度提高其本身的抗彎及抗扭強度，其優(yōu)點較多：(1)省去傳統(tǒng)矩形箱側(cè)板外端的各種橫豎加強筋；(2)保證其外觀平整耐看；(3)防止了挖機在作業(yè)過程中掉落渣土堆積在加強筋上端，減小了車輛行駛出工地后對公共道路的污染。

也正是因為邊板的多道折彎，為產(chǎn)品制作過程中帶來了諸多不便：(1)邊板需多道折彎，在下料、折彎的過程中誤差不可避免；(2)合廂過程邊板與底板無限位固定點；(3)各總成滿焊處較多,存在超過5000mm焊縫，焊接變形不可避免[8]。以上原因存在導(dǎo)致：(1)難以保證產(chǎn)品質(zhì)量及一致性；(2)合廂過程對作業(yè)人員技術(shù)要求高，且?guī)实?，影響整體生產(chǎn)線平衡率。

因邊板折彎后角度及高度方向長度會影響到下道拼箱工序的作業(yè)，故選取這兩個參數(shù)做為變形量參考統(tǒng)計，如圖2所示，兩個變形量參考示意。根據(jù)市場訂單情況，選取符合輕量化要求的板材NM450邊板板材，分別取常用尺寸2mm，4mm及6mm厚試驗，統(tǒng)計側(cè)邊折彎角度參數(shù)及高度參數(shù)(理論值角度參數(shù)為90°，高度參數(shù)為900mm)，如圖3和圖4所示。

通過圖3和圖4，相同板材情況下，板厚越大，邊板折彎后角度及高度尺寸越不可控，發(fā)生較大誤差的概率加大。

圖2 角度及高度參數(shù)示意圖

圖3 角度參數(shù)

圖4 高度參數(shù)

4 新拼箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了適應(yīng)自卸車市場的需求，提升自卸車產(chǎn)能的同時保證其品質(zhì)，針對自卸車貨箱拼箱難度大、對作業(yè)人員要求高、產(chǎn)品一致性差的問題，本文介紹一種用于自卸車貨箱拼箱的專用結(jié)構(gòu)，優(yōu)化自卸車貨箱拼箱工藝，用于解決上述問題，以贏得更多的市場資源。

拼箱結(jié)構(gòu)主要由上端限位、前端限位、框架總成、加高限位、外側(cè)限位支架總成、外頂緊總成、限位塊存放框總成、內(nèi)頂緊總成。相比傳統(tǒng)拼箱工藝，該結(jié)構(gòu)所使用的工藝為反扣拼箱工藝，即貨箱拼箱完成后是反扣在工裝上，通過工裝及夾具來限位和夾緊，保證貨箱的位置和尺寸精度需求，保證產(chǎn)品的一致性，示意圖如圖5所示。

注：1.上端限位 2.前端限位 3.框架總成 4.加高限位 5.外側(cè)限位支架總成 6.外頂緊總成 7.限位塊存放框總成 8.內(nèi)頂緊總成。圖5 拼箱結(jié)構(gòu)

調(diào)整內(nèi)頂緊總成，使兩側(cè)內(nèi)頂緊限位塊外端間距為貨箱內(nèi)尺寸，如圖6，再將前端限位向上翻轉(zhuǎn)用螺母固定，見圖7框內(nèi)所示，將側(cè)板用行車吊起流轉(zhuǎn)至焊接工裝側(cè)邊，調(diào)整至側(cè)板前端抵住前端限位后緩慢放下側(cè)邊，側(cè)板上口掛在上端限位上，側(cè)板下口抵住加高限位，轉(zhuǎn)動外頂緊總成上絲杠，使外頂緊總成對側(cè)板限位。

圖6 內(nèi)尺寸調(diào)整

圖7 側(cè)板上件

將焊接完成的底板吊起流轉(zhuǎn)至焊接工裝上方，調(diào)整使底板中心線與工裝縱向中心標(biāo)識重合，見圖8框中所示，底板前端抵住前端限位后緩慢放下底板，底板左右兩側(cè)壓在側(cè)板上方，復(fù)查前后壓覆均勻后，點固底板和側(cè)板。

圖8 底板上件

松開前端限位上螺母，使其自然垂下。將焊接完成的龍門吊起流轉(zhuǎn)至焊接工裝前方，龍門前板端的缺口處扣在側(cè)板伸出梁上端，在龍門左右安裝板上各插入一根圓鋼，與焊接工裝上預(yù)留孔貫通，保證龍門的左右位置，如圖9框中所示。調(diào)整使龍門與底板及側(cè)邊貼合后點固。在貨箱后端的左右邊板后端拉一根工藝筋后(防止吊運過程中組件變形)，可將上述組件吊下。

圖9 龍門上件

5 模擬仿真及驗證

5.1 絲杠嚙合部分各圈承重比例分析

絲杠及其套筒嚙合情況如圖10所示。

圖10 絲杠及其套筒嚙合示意

旋合長度L，絲杠受拉伸力Fb的作用，牙面上每單位寬度上斜面垂直力ω。以絲杠套筒的頂面位置為原點，在z位置處作用于牙面垂直截面上的軸向力為F(z)[9]，則在z位置處絲杠伸長εb和絲杠套筒εn，可由下式求出。

(1)

式(1)中：Ab和An—絲杠和絲杠套筒的垂直截面面積；

Eb和En—絲杠和絲杠套筒的彈性模量。

故在z與z+dz之間的牙段上有：

ωcosα·dzcotβ=dF(z)

(2)

式(2)中：β—升角；α—牙型半角?？傻茫?/p>

(3)

對于內(nèi)螺紋，其累計變形量δb、δn為：

(4)

式(4)中：kb、kn—絲杠和絲杠套筒的彈性變形系數(shù)。

將式(3)代入式(4)得：

(5)

在圖10中，εb、εn、δb、δn之間關(guān)系如下：

(εb+εn)z=L=(δb+δn)z

=L-(δb+δn)z=0

(6)

把式(1)和式(5)代入式(6)中，并進(jìn)行微分計算，可得：

(7)

式(7)中，

(8)

式(6)的通解為：

F(z)=c1coshλz+c2sinλz

(9)

邊界條件[F]Z=L=0，[F]Z=0=Fb，根據(jù)此條件確定c1和c2，則式(9)變?yōu)椋?/p>

(10)

代入式(3)得：

(11)

單圈螺紋承受的軸載荷p(i),i=1,2,3…[L/P]

(12)

又取ηi為第i圈螺紋承受軸向載荷的比例，則

(13)

所設(shè)計絲攻公稱直徑為d=24mm，牙距為p=10mm，故其截面面積Ab取有效值dp=d-0.5*p=19mm圓柱體的橫截面面積，牙型角2α=60°，嚙合部分長度L=50mm，預(yù)緊力Fb暫取50000N。則有：

所設(shè)計絲杠和絲杠套筒所用材料均為45號鋼，密度7.85g/cm3，彈性模量為210GPa，泊松比0.3，根據(jù)文獻(xiàn)中的計算方法[10]，kb=kn=3.45，Eb/En=1，將這些數(shù)據(jù)代入公式(8)中得λ=0.15，由此可計算前6圈螺牙承載的比例分別為：η1=28.3%，η2=22.6%，η3=18.8%，η4=12.1%，η5=8.4%，

η6=5.2%。

5.2 絲杠仿真模擬及分析

由上述分析計算可知，絲杠上前6道螺牙承受95%以上的負(fù)載，其中第一道牙承載28.3%，第六道承載5.2%，其余道承載可忽略。由于外牙的尺寸和受力面積比與之相配的內(nèi)牙要小，所以螺紋發(fā)生破壞通常發(fā)生在外牙，故梯形螺紋核算承載力通常計算外牙(假設(shè)相同材料和處理工藝)[11-12]。

螺紋牙危險截面剪切強度條件[13-14]：

(14)

[τ]=0.06*[φ]

(15)

b=0.68P

(16)

式中：[τ]-剪切強度；[φ]為屈服強度，45號鋼；F-作用于螺桿的軸向力；D-外牙小徑，公稱直徑為24mm；μ-螺紋工作圈數(shù)；b-牙根的寬度；P為牙距。

式(14)變形得：

F≤0.06*[φ]*3.14*15*0.65*8/0.283

=31491N

即拼箱工裝外頂緊總成螺紋處最大承受能力為31491N。

考慮拼箱過程中各總成之間存在縫隙時，需要進(jìn)行敲擊調(diào)整，以動態(tài)許用應(yīng)力[F]計算。

[F]=F/S

(17)

式(17)中：S為動態(tài)修正系數(shù)，取值為3[15]，計算得[F]=10497N。

現(xiàn)選取市場銷量最大貨箱尺寸5600*2300*600mm尺寸U型貨箱(邊板材料為NM450，厚度4mm)進(jìn)行建模，并分析邊板總成在拼箱工裝擠壓下，是否可按照既定設(shè)計完成校正[16-17]。

如圖11和圖12所示，在壓力點處可完成位移超過200mm，換算相應(yīng)角度為12°，可完成圖3統(tǒng)計中最大角度誤差為3°時校正。

圖11 邊板過程位移變化云圖

圖12 邊板位移對應(yīng)角度示意圖

圖13 拼箱工裝實物圖

按照設(shè)計結(jié)構(gòu)，制作出自卸車貨箱拼箱工裝，如圖13所示。制作完成后批試10臺5600*2300*600mm尺寸U型貨箱(邊板材料為NM450，厚度4mm)，在拼箱完成后，發(fā)現(xiàn)各總成間間縫隙均≤2mm，減小焊接難度的同時，可有效預(yù)控產(chǎn)品滿焊過程的焊接變形。滿焊后，又對該10臺貨箱5項關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行尺寸復(fù)核，如表3所示。

表3 使用工裝后5項數(shù)據(jù)統(tǒng)計 mm

表4 使用工裝后5項數(shù)據(jù)分析 mm

將使用工裝前(表2中數(shù)據(jù))，及使用工裝后(表3中數(shù)據(jù))，各項分別取平均值后進(jìn)行對比，如表4所示。從表4可看出，五項關(guān)鍵數(shù)據(jù)均有大幅度降低，其中左右后立柱高度差降幅最大達(dá)79%，其次為龍門左右高度差達(dá)72%，該兩項數(shù)據(jù)的降低，可從直觀上提升產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，并提升產(chǎn)品的使用壽命,其余三項關(guān)鍵數(shù)據(jù)降幅也在50%左右，有效保證了產(chǎn)品過程質(zhì)量要求。

結(jié)語

本文利用solidworks軟件設(shè)計一種拼箱結(jié)構(gòu)，并采用simulation模塊對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力部位位移情況進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)制作加工實物后，再次進(jìn)行系列試驗驗證設(shè)計的有效性。

試驗數(shù)據(jù)表明所設(shè)計結(jié)構(gòu)，可良好控制自卸車貨箱制作過程中5項關(guān)鍵參數(shù)，其中左右后立柱高度差、龍門左右高度差降幅超過70%，貨箱內(nèi)尺寸相關(guān)誤差數(shù)據(jù)降幅超過49%，大幅度控制了產(chǎn)品的焊接誤差，提升了貨箱外觀及關(guān)鍵位置質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的法規(guī)項目及一致性要求。