魯力群 尹永芳 史蕾蕾 唐玉龍 許慶斌

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

工作機(jī)構(gòu)作為井下鏟運(yùn)機(jī)的工作核心部分，用于完成礦巖的鏟裝作業(yè)，并將礦巖運(yùn)至卸載點(diǎn)卸載。井下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)基本上都采用了焊接結(jié)構(gòu)，且其主體構(gòu)件普遍具有量大體重的特點(diǎn)，尤其動(dòng)臂是工作機(jī)構(gòu)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜且焊縫最多的構(gòu)件[1-3]。焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響構(gòu)件的強(qiáng)度質(zhì)量，進(jìn)而影響著工作機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)效率。工作機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期受到隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷的沖擊，使損傷長(zhǎng)期積累導(dǎo)致疲勞失效的概率大大提高，甚至使工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)斷裂等嚴(yán)重事故[4]。作為井下鏟運(yùn)機(jī)工作時(shí)的核心組成部分，焊接強(qiáng)度對(duì)工作機(jī)構(gòu)的安全與效率至關(guān)重要。

本研究對(duì)井下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)中動(dòng)臂側(cè)板與橫梁之間的對(duì)接焊縫進(jìn)行有限元建模及強(qiáng)度分析，并對(duì)影響該處焊縫應(yīng)力分布的坡口角度、焊縫加強(qiáng)高尺寸、焊縫的表面形狀等因素進(jìn)行研究分析，以期獲得最佳焊接結(jié)構(gòu)。在確定動(dòng)臂側(cè)板與橫梁之間的焊縫結(jié)構(gòu)時(shí)，充分考慮合理選擇焊縫截面形式，減少焊縫缺陷的產(chǎn)生。

1 工作機(jī)構(gòu)動(dòng)臂焊結(jié)結(jié)構(gòu)

井下鏟運(yùn)機(jī)主要在工作環(huán)境惡劣的地下礦井中工作，其工作機(jī)構(gòu)中動(dòng)臂在工作過程中的焊接結(jié)構(gòu)斷裂或損壞的情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中存在極大的潛在危險(xiǎn)[5]。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)的特征，動(dòng)臂上的主要受力部位位于橫梁與側(cè)板之間的環(huán)形焊縫上，在使用過程中易出現(xiàn)焊縫開裂失效的情況。如圖1(a)所示的工作機(jī)構(gòu)焊結(jié)總成動(dòng)臂主要由側(cè)板、橫梁構(gòu)成。鏟運(yùn)機(jī)在實(shí)際使用時(shí)，動(dòng)臂橫梁處的焊縫開裂形貌如圖1(b)所示，直至延伸到側(cè)板上，有些鏟運(yùn)機(jī)在投入使用不久就會(huì)產(chǎn)生裂紋。焊縫發(fā)生開裂的主要原因是其承載軸向力過大，焊縫及其相連結(jié)構(gòu)件包括側(cè)板厚度不足、側(cè)板焊縫坡口過小、焊縫加強(qiáng)高度不足等。

工程實(shí)踐表明，焊接形式與性能決定了結(jié)構(gòu)的壽命甚至整機(jī)的使用效率，因此，近年來的研究人員對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)的選擇與優(yōu)化投入了更多的關(guān)注，研究?jī)?nèi)容主要包括角焊縫尺寸大小對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響規(guī)律，焊接接頭結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)連接處應(yīng)力的影響規(guī)律等[6]。下面將以工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)臂焊接結(jié)構(gòu)為例，通過ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行靜力強(qiáng)度仿真分析，以獲得焊縫的應(yīng)力分布情況和不同形狀尺寸的焊縫對(duì)強(qiáng)度的一般影響規(guī)律，進(jìn)而為動(dòng)臂的焊縫形狀尺寸的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 動(dòng)臂焊接總成與焊縫開裂形貌Fig.1 Beam welding assembly and the shape of beam welding crack

2 動(dòng)臂焊結(jié)結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

2.1 動(dòng)臂焊接模型網(wǎng)格劃分

在對(duì)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)臂進(jìn)行有限元建模時(shí)，以正轉(zhuǎn)六連桿工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)臂為例，如圖2所示。建模時(shí)充分考慮T型對(duì)接焊縫所受載荷、應(yīng)力、變形等與動(dòng)臂整體結(jié)構(gòu)的相關(guān)聯(lián)性，從而使應(yīng)力能夠精確傳遞。選取應(yīng)力最為集中的橫梁與側(cè)板之間的焊縫進(jìn)行局部研究。

圖2 帶有焊縫結(jié)構(gòu)的動(dòng)臂有限元模型Fig.2 Boom arm finite element model with welding

在對(duì)帶有焊縫結(jié)構(gòu)的動(dòng)臂三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，組成部件均采用四面體網(wǎng)格來劃分，為了更真實(shí)地計(jì)算焊縫應(yīng)力水平，焊縫均采用實(shí)體單元建模，網(wǎng)格采用六面體單元來劃分且將焊縫的網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置為5 mm，焊縫處的網(wǎng)格建模如圖3所示，這樣能夠更真實(shí)地計(jì)算焊縫處的應(yīng)力值。最終，所生成的模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為115 507個(gè)，單元總數(shù)為56 773個(gè)。

圖3 結(jié)構(gòu)局部有限元模型Fig.3 Finite element model of local structure

2.2 位移邊界條件

根據(jù)對(duì)正轉(zhuǎn)六連桿工作機(jī)構(gòu)分析，選取鏟運(yùn)機(jī)鏟裝工況下動(dòng)臂的位置作為本次模型的計(jì)算仿真工況。進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析時(shí)，對(duì)該位置的動(dòng)臂同時(shí)施加垂直和水平約束。根據(jù)上述模型，對(duì)動(dòng)臂約束情況：在動(dòng)臂與前機(jī)架的鉸接位置施加圓柱面約束Cylindrical Support并添加相應(yīng)的耦合約束，對(duì)鉸接孔的x、y、z軸均進(jìn)行約束；在動(dòng)臂與舉升油缸的鉸接點(diǎn)處應(yīng)約束x、y軸方向的位移同時(shí)施加位移約束Displacement，z軸方向得到釋放。對(duì)于動(dòng)臂上的其他鉸接點(diǎn)既不允許沿x、y、z方向的移動(dòng)，也不允許繞x、y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，只保留繞z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣能夠保證動(dòng)臂自由度的正確性。

2.3 力邊界條件

在額定裝載下按正載的聯(lián)合鏟裝工況對(duì)已添加焊縫的動(dòng)臂模型進(jìn)行外載荷的加載。根據(jù)井下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)強(qiáng)度受力的計(jì)算理論，將用于本算例的2 m3井下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)參數(shù)以及整機(jī)性能參數(shù)代入相關(guān)公式，可計(jì)算出如表1所示的動(dòng)臂框架結(jié)構(gòu)各鉸接點(diǎn)所受力的具體數(shù)值。

表1 動(dòng)臂框架結(jié)構(gòu)各鉸接點(diǎn)所受力值Table 1 Stress value of the pivotal point movable arm frame structure

注：表1數(shù)據(jù)為聯(lián)合工況，單位：N。

采用對(duì)鉸接孔內(nèi)載荷簡(jiǎn)化為余弦載荷的辦法來模擬銷軸連接。利用ANSYS Workbench中的軸承載荷Bearing load，對(duì)動(dòng)臂銷軸孔圓柱面載荷進(jìn)行處理。該方式以矢量和幅值來定義圓柱形表面的軸承載荷，其軸向載荷分量沿著圓周均勻分布，其徑向分量依據(jù)圓柱面的投影面積來分布?jí)毫d荷。在施加該類型載荷時(shí)，應(yīng)完全選擇圓柱表面，當(dāng)圓柱面被分割成2部分時(shí)，一定保證2個(gè)柱面都要選中[7]。通過該設(shè)置得出如圖4所示的添有約束及載荷的動(dòng)臂焊接有限元仿真模型。

圖4 帶有約束與載荷的動(dòng)臂焊接結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of movable arm welding structure with loads and constraintA—軸承載荷 128 710 N；B—軸承載荷 154 490 N； C—軸承載荷 761.58 N；D—軸承載荷 105 140 N； E—圓柱支撐 0 mm

3 不同動(dòng)臂焊縫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在不改變動(dòng)臂原有的結(jié)構(gòu)形式和側(cè)板、橫梁厚度的情況下，對(duì)不同焊縫結(jié)構(gòu)形式的橫梁與側(cè)板之間的焊縫進(jìn)行有限元分析，使其滿足焊縫最佳的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求[8]。

根據(jù)焊縫強(qiáng)度理論，本研究主要針對(duì)焊接坡口形式、側(cè)板坡口角度、加強(qiáng)角焊縫尺寸、焊縫表面形狀影響焊縫強(qiáng)度的因素進(jìn)行仿真并研究分析，獲得以上因素對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響規(guī)律以設(shè)計(jì)出動(dòng)臂側(cè)板與橫梁對(duì)接焊縫的最優(yōu)焊接形式。

3.1 坡口形式

動(dòng)臂側(cè)板和橫梁之間的焊接結(jié)構(gòu)可以采用如圖5所示的2種形式。在保證動(dòng)臂結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度滿足要求的情況中，可通過減少動(dòng)臂的內(nèi)部隔板的數(shù)量，增強(qiáng)該處焊縫在內(nèi)部的施展性，對(duì)于采用何種結(jié)構(gòu)形式，需要對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 焊接坡口形式Fig.5 Groove form of weld

為了最大化地提高動(dòng)臂側(cè)板與橫梁之間的焊縫的強(qiáng)度，將對(duì)這2種有無坡口的焊接形式進(jìn)行建模與有限元分析。通過對(duì)比不同形式焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，得出有無坡口對(duì)焊縫強(qiáng)度影響的結(jié)論。如圖6所示為側(cè)板有無坡口焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比圖。

圖6 無坡口和單邊V形坡口應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of the stress result between unilateral No-shaped and V-shaped groove

從圖6的應(yīng)力分析結(jié)果可知，采用V形坡口的焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力54.8 MPa遠(yuǎn)小于無坡口進(jìn)行焊接產(chǎn)生的應(yīng)力84.7 MPa。因?yàn)楹附庸に嚨挠绊?，?dòng)臂側(cè)板與橫梁之間的焊接形式采用單邊V形坡口的形式進(jìn)行焊接能達(dá)到最佳效果。

3.2 坡口角度

以上分析可以看出有無坡口對(duì)焊縫強(qiáng)度有著較大的影響，但坡口角度對(duì)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響呢？在鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范應(yīng)用指南中，對(duì)于采用單邊開V形坡口的焊接形式，只是列舉出坡口角度的選取范圍，并沒有給出完全符合實(shí)際要求的坡口角度θ，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和要求合理地選擇坡口角度θ。當(dāng)選擇的側(cè)板坡口角度與焊接形成的焊縫達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求時(shí)，則可將焊縫處的疲勞強(qiáng)度與側(cè)板母材等同考慮。動(dòng)臂焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂的原因主要由焊接過程中焊縫缺陷的形成導(dǎo)致，以至于降低了動(dòng)臂焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度壽命。

為了驗(yàn)證坡口角度對(duì)強(qiáng)度的影響，選取30°、35°、40°、45° 4種不同坡口角度的焊縫形式進(jìn)行建模仿真。由圖7中4種不同坡口角度的應(yīng)力分析可知，焊縫強(qiáng)度隨著坡口角度的增大而發(fā)生變化，所存在的最大應(yīng)力位置發(fā)生了變化。當(dāng)坡口角度由35°增大到40°時(shí)，焊縫最大應(yīng)力位置由側(cè)板與焊縫的節(jié)點(diǎn)部位轉(zhuǎn)向了橫梁與焊縫之間的節(jié)點(diǎn)部位。當(dāng)焊縫最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)板焊接焊縫的位置時(shí)，所形成的焊縫最大應(yīng)力值隨著坡口角度的增大而減小，從坡口角度為30°時(shí)的63.954 MPa減小到坡口角度為35°時(shí)的59.085 MPa。當(dāng)焊縫最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁焊接位置時(shí)，所形成的焊縫最大應(yīng)力值形成反向?qū)Ρ?，隨著坡口角度的增大而增大，從坡口角度為40°時(shí)的54.847 MPa增大到坡口角度為45°時(shí)的62.08 MPa。

圖7 不同坡口角度應(yīng)力分析結(jié)果Fig.7 Stress analysis results of groove with different bevel angle

隨著側(cè)板坡口角度的增加，焊縫形成的整體截面積隨之增大，為保證焊縫強(qiáng)度要求，在焊接過程中形成的焊接組織應(yīng)減少，導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生的概率越小越好。在選擇坡口角度θ時(shí)，在達(dá)到焊接結(jié)構(gòu)形成的焊縫強(qiáng)度要求的情況下，需用坡口角度較小的焊接形式，從而減少焊接組織中裂紋源的形成。綜合考慮以上各因素，對(duì)于動(dòng)臂側(cè)板與橫梁之間的焊接采用單邊V形坡口角度為40°的焊縫較好，可滿足強(qiáng)度要求。

3.3 焊縫加強(qiáng)高尺寸

由焊接結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算分析可知，在坡口角度一定的情況下，焊縫加強(qiáng)高的尺寸對(duì)焊接焊縫強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生影響。圖8中的H表示焊縫加強(qiáng)高的位置。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661中AWS D1.1規(guī)定，梁的翼緣板與柱之間的對(duì)接與角接組合焊縫的加強(qiáng)高焊縫尺寸不得超過10 mm，但也不能小于翼緣板厚度的0.25倍[9-10]。為了研究焊縫加強(qiáng)高對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響，本文選擇焊縫坡口角度為40°，焊縫加強(qiáng)高分別為5、6、7、8 mm時(shí)，對(duì)動(dòng)臂三維模型進(jìn)行ANSYS有限元仿真，觀察焊縫強(qiáng)度的變化情況。4種不同的焊縫加強(qiáng)高的有限元計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 焊縫加強(qiáng)角Fig.8 Weld strengthening angle

由圖9計(jì)算結(jié)果可知，隨著動(dòng)臂側(cè)板與橫梁之間焊縫加強(qiáng)高的增加，焊縫強(qiáng)度逐漸增大，焊縫受力逐漸減小。在坡口角度為40°、加強(qiáng)高為7 mm時(shí)，焊縫所受的最大應(yīng)力為61 MPa，滿足強(qiáng)度要求。隨著焊縫加強(qiáng)高的減小，由于減小了焊縫形成時(shí)的截面積，從而減少了焊縫組織缺陷，提高了焊縫的強(qiáng)度。因此，選擇合適的焊縫加強(qiáng)高，對(duì)焊縫強(qiáng)度有極大影響。建議側(cè)板與橫梁之間的焊接形式采用坡口角度為40°且加強(qiáng)高的尺寸不大于7 mm的焊縫為最佳選擇。

3.4 焊縫表面形狀

焊縫的表面形狀對(duì)焊縫應(yīng)力流的傳遞有著一定的影響，為了研究焊縫表面形狀對(duì)焊結(jié)強(qiáng)度的影響，選取如圖10所示的焊縫表面形狀進(jìn)行有限元建模分析。表面形狀為平面時(shí)用R表示，內(nèi)凹時(shí)用R-表示，外凸時(shí)用R+表示。

圖9 不同焊縫加強(qiáng)高的有限元強(qiáng)度分析結(jié)果Fig.9 Finite element strength analysis results with different strength weld height

圖10 焊縫表面形狀Fig.10 Weld surface shape

采用焊接側(cè)板開坡口角度為40°、形成的焊縫加強(qiáng)高為7 mm的焊接結(jié)構(gòu)對(duì)以上不同焊縫表面形式進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

由圖11(a)內(nèi)凹形狀和圖11(b)外凸形狀的焊縫有限元分析結(jié)果可知，焊縫凹凸的表面形狀對(duì)應(yīng)力分布及應(yīng)力值存在影響。外凸形狀焊縫的應(yīng)力值大于內(nèi)凹形狀焊縫的應(yīng)力。在焊接過程中，選擇形成內(nèi)凹的焊縫表面形狀的焊接形式對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有一定的提高效果。

圖11 不同表面的形狀的應(yīng)力分析結(jié)果Fig.11 Stress analysis results with different surface shape

4 結(jié) 論

(1)井下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)臂的焊結(jié)形式、焊結(jié)質(zhì)量都影響著其工作效率及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)臂側(cè)板與橫梁之間的T型對(duì)接焊縫采用單邊V形坡口的焊接優(yōu)于無坡口形成的焊縫強(qiáng)度，且焊縫強(qiáng)度隨坡口角度的增大與焊縫加強(qiáng)高尺寸的減小而增強(qiáng)；表面形狀為內(nèi)凹的焊縫強(qiáng)度優(yōu)于外凸形成的焊縫。

(3)井下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)臂在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，建議橫梁與側(cè)板之間的T型對(duì)接焊縫采用表面為內(nèi)凹形、側(cè)板開坡口角度為40°、形成的角焊縫加強(qiáng)高尺寸小于7 mm為好。

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