楊尚武 屈晨曦 金秀宇

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

1 掘進機簡介

掘進機這種大型地下工程機械的組成部件有運動部件和工作部件等。運動部分有履帶行動部，工作部分有截割、鏟料裝置、輸送料機構，動力由液壓部分傳動，冷卻依靠水冷卻部分，車身由本體部及后腿組成，其他還包括電氣結構、稀油潤滑等，使這種工程機械可以自如地進行運作生產工作。

2 CO2氣體保護焊簡介

2.1 CO2氣體保護焊的說明

CO氣體保護焊是目前制造業(yè)物美價廉的科學焊接技術之一，可細分為兩種，一種是CO氣體為主的焊接技術，一種是含有氬的混合氣體焊接技術。普遍應用于全面手動焊接和自動化機械臂焊接，對焊接環(huán)境要求不高，通常在廠房內即可進行技術操作。自身零熱特點的CO氣體焊接技術有不確定的飛濺，軸向過度無法自如，但是只要采用質量相對優(yōu)質的焊機進行操作，設置指數(shù)適合，并使用含脫氧材質的焊絲，就是效率及成本最優(yōu)的焊接制造技術。

2.2 CO2氣體保護焊的各種參數(shù)

在焊絲的選擇上，根據焊接的連接點、金屬的厚度及效率等需求，薄板（50mm 以下）通常采用1.2mm 的焊絲焊接，厚板（70mm 以上）通常采用1.6mm 的焊絲焊接，更大的焊接量會采用2.8mm 的焊絲焊接。當焊接電流60A～250A，即以短路過渡形式焊接時，焊縫熔深為1mm～2mm；只有在300A 以上時，熔深才明顯的增大。

3 掘進機主要部件焊接工藝

3.1 截割頭焊接

標準設計制造中，截割頭的材料為鑄鋼,碳當量Ceq=0.49%，齒座材料為35CrMo,碳當量Ceq=0.65%以上兩種金屬的含碳量較高，硬度亦是如此，焊在一起時排斥效果明顯。除此之外，焊接角度螺旋線的截割頭截齒座使不同焊接面、焊接點相差甚遠，焊接時容易產生較大的焊接應力，嚴重的可能會產生一些熱裂紋，導致焊接失敗。

3.1.1 問題分析及建模

在實際底層工作掘進中，被截割的材料在計算機中需要制造體積較大的模擬煤巖。可以設計立方體，體積有邊界但不被截割表面添加不存在反射邊界的設定，來模擬實際掘進的材料。在creo 中建立長為1000mm、寬為800mm、高為1000mm 的立方體用于模擬。

3.1.2 材料參數(shù)的設定

該課題研究中選用ANSYS/LS-DYNA12.1 程序材料庫中193 號材料（MAT_DRUCKER_PRAGER）來模擬煤巖。這種材料本構模型反映了巖體的基本特性，各參數(shù)取值如表1 所示。

模擬模型橫切掘進時的截割頭狀態(tài)如圖1 所示。采用面接觸算法中的侵蝕接觸算法，并在采用此算法前，定義CONTACT PART 在截割頭截齒上，還要將TARGET PART 定義為截割模擬物料，并將截齒定義為剛體。

圖1 橫切工況有限元模型網格劃分

模擬模型橫切掘進時的截割頭狀態(tài)時如圖2 所示。

3.1.3 結論分析

從圖2 中可以清晰地看到截割頭前端為阻力最大值位置，截割過程受力不規(guī)則的波動主要是與煤巖各向異性的性質及煤塊的崩裂有關。截齒座底部焊接位為受力重點。截割頭的前端截齒座焊接周長及要求應比后端高。截割頭截齒角度形成螺旋曲線，此曲線及角度均需要有保證，否則截割阻力將變大。在焊接時，徹底清除金屬表面油污銹蝕等雜質，點固前局部預熱，組立點固定截齒座，焊前整體預熱。弧形接觸面焊接連接處均為弧形，并非v 型或平的，弧形以大弧形過渡，三邊頂點以大曲面、無直邊來減少焊接后的應力集中。與此同時也改善了煩瑣的焊接技術，但不能取消熱處理。多層焊時，第1 層焊道的柱狀晶受后焊層的熱作用而轉化成較細的晶粒，所以多層焊焊縫比單層焊焊縫的力學性能好。

表1 煤巖和截齒的材料參數(shù)

圖2 模擬模型橫切掘進時的截割頭狀態(tài)應力云圖

3.2 掘進機鏟料裝置焊接

鏟料裝置主要由left 板、right 板、主鏟板、A 輪裝置、收料輪裝置等組成，通過左邊及右邊的液壓馬達轉動輪體，把掘進機截割工作產生的物料歸攏到鏟料裝置中間，經過輸送鏈帶到掘進機后端。鏟料裝置可以向下活動，以收集物料或支撐前端掘進機，也可向上活動，以供鏟高出物料或上坡等工作工況使用。

鏟料裝置大部分以焊接結構為主，主要受力并體積較大質量較高的部件為left 板、right 板、主鏟板，因此它們的結構設計復雜，筋板、腔體較多，并且根據工作避讓截割位置的需求和臥底深度的需求，鏟尖角度也不同。因此焊接的重點位置需要把關，探傷位置設計也需要衡量，整體鏟料裝置焊接將直接反映出掘進機的性能穩(wěn)定性。

3.2.1 問題分析及建模

因left 板、right 板、主鏟板為主要焊接結構件，其也是受力主體，所以有限元模型利用shell 單元建立鏟料裝置，并只分析以上結構件組合。鏟板材料采用Q345B，見表2。

表2 Q345B 材料參數(shù)

3.2.2 載荷及約束

鏟板受到兩個油缸的水平推力，大小均為814000N，將鏟板下端轉軸的旋轉自由度放開，約束鏟板前端延鏟尖方向自由度。鏟板仿真分析如圖3 所示。

3.2.3 結論分析

鏟料裝置最大應力148Mpa 位于鏟尖前端兩側筋板位置，主鏟板為主要為受力結構，應力集中于主鏟板鏟尖位置。由于主鏟板為掘進機前端支持主受力，型腔煩瑣，無法單次完成焊接整體部件，因此采用多點多遍焊接。先對主框架受力架構焊接，拼出外型，然后將小件焊接為整體，再進行組合連接，焊接成整個鏟料裝置。這樣小件變形量低，整體變形量可控度高，并能保證較高的剛性。鏟料裝置所有部分都要采用多次焊接技術。根據位置的不同，焊接次數(shù)一般為橫板4 遍及豎直版6 遍，鏟尖處的堆焊量最多，焊接裝配及焊接單件的遍數(shù)多達6 遍，以保證坡口深度與焊角尺寸。適合的組焊布局及焊接工藝順序可增加鏟料裝置各部分穩(wěn)定性和強度。焊后熱處理時需要有必要的固定工藝及支撐結構的增加，工藝受熱后冷卻至室溫再拆除工藝工具。合理改進焊接工藝，控制焊接變形及質量，才能滿足鏟料裝置結構對于掘進機的重要作用。

圖3 鏟料裝置應力云圖

3.3 本體部焊接

掘進機的本體部位于設備的心肺位置，但結構又像身體的骨骼連接各軀干，是整個結構的重心。主要構造為掘進骨架安裝、回轉支承安裝、回轉臺等。掘進骨架由本體架安裝連接板組裝而成，焊接結構組成主體，材料選用Q345 或Q460C 等厚鋼板。在掘進機的前端有截割部，安裝在本體部上端的回轉臺，前端的鏟料裝置也安裝在本體上，液壓系統(tǒng)泵站架構位于設備右側，左側安裝人工操作骨架，中空的設計可使截割物料從中間輸送于尾部位置，掘進機下方裝有履帶行動部。

3.3.1 問題分析及建模

掘進機工作主要集中在截割部上，本體部作為承載截割部工作時反向沖擊的載荷，會受到截割壁反向軸向力以及向下重力。該文選用的某機型的參數(shù)設定為軸向力載荷8.4t，垂向力載荷16.8t。本體部材料采用Q345B。本體部分析狀態(tài)如圖4 及圖5 所示。

3.3.2 結論分析

本體架應力最大值為87MPa，出現(xiàn)在防護板側面與主立板焊接處。主立板油缸連接耳端面截面變化部位應力集中，屬于易開裂位置。防護板直接焊接到本體架兩側油缸連接耳處應力較高，為避免拼接結構應力集中，可減少焊接強度負擔。掘進機本體部通常是由大于36mm 的厚鋼板結構組成，尤其前后連接板及立板接處，一些主要筋板的厚度約為70mm 左右，坡口的設計為雙邊V 型坡口。由于V 型坡口的角度的局限性，除保證焊透外還應考慮施焊方便，板越厚、坡口寬度越寬，焊接時鋼板越容易變形。坡口換成帶鈍邊雙J 型坡口，能保證焊接滲透度高，也能讓破口寬度設計的相對偏小、焊接偏窄。

圖4 本體部應力云圖

圖5 本體部應力云圖放大

3.4 履帶行動部焊接

掘進機作為巷道工作的大型井下工程機械，需要在惡劣環(huán)境中自由前進，在凸凹的斜面中無束縛移動，還要保證轉體及爬坡的能力。履帶行動部的動力源是驅動裝置，包括電機驅動組件以及液壓馬達驅動組件。履帶板有兩個種類，分別為整體式履帶板以及滾子式履帶板。使用率高的支承方式為支重輪式。履帶行動部擔負著整個工程機械的核心質量，還為整個工程機械自由及平穩(wěn)的移動提供動力保障。掘進機能否持續(xù)工作、高效截割，履帶行動部的焊接結構至關重要。

3.4.1 問題分析及建模

履帶行動部整體采用殼網格和四面體實體網格劃分。在履帶行動部驅動電機安裝點處抓取Rbe2 剛性單元，用于加載縱向驅動力。在履帶行動部與本體部安裝位置抓取Rbe2剛性單元，并施加固定約束。在行走部承重輪安裝點處抓取Rbe2 剛性單元，并施加工況載荷。如圖6 所示。

履帶行動部材料為Q345B。由于履帶行動部采用單側模型分析，故側向與垂向的工況載荷相對于整機采用一半的載荷進行分析。載荷采用某機型的數(shù)據，具體載荷施加方法如下。工況1：縱向施加驅動電機安裝點838570 載荷，垂向施加承重輪安裝點載荷872200 載荷。工況2：側向承重輪安裝點125000 載荷，垂向與工況1 相同。履帶行動部分析結果如圖7 及圖8 所示。

3.4.2 結論分析

工況1 最大應力213MPa，工況2 最大應力121Mpa。通過分析可知，在兩種工況下，最大應力的位置均在焊縫端部，在后續(xù)的產品設計及焊接過程中，需要重點關注這些位置。從整體看，履帶架側面的變形也較大。在掘進機履帶架車間工廠組焊時，需要設計合理的焊接組焊順序，由小之大，由少至多，由外至內焊接，如此可嚴格控制焊接變形，梳理出合適的工藝排序，以及確定可控差異量，進而減小掘進機在行駛過程中履帶架焊接變行對履帶張緊力的影響。

圖6 履帶行動部有限元模型約束施加

圖7 工況1 應力云圖

圖8 工況2 應力云圖

4 結語

該文通過各部件模型有限元分析，為焊接工藝設計引領了方向，通過預判焊縫在工作時的應力分布及其變形特點，為采取針對性的措施提供了可靠的理論依據，進而提高各部件的焊接強度。該文還提出了工藝特點的焊接注意事項及焊接變形避免方法，為焊接工藝的質量提升提供可靠的幫助，使掘進機整機工作穩(wěn)定性得到保障。