李德明，宮濤，王彩鳳，雷寧寧

(山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

0 前言

工程機(jī)械作為國家工業(yè)基建的建設(shè)主力軍，近年來隨著一體化技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品逐漸向智能化、遙控型、無人化方向發(fā)展，新型推土機(jī)由常規(guī)機(jī)械液力式向更高效的靜液壓式升級，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為現(xiàn)有工廠生產(chǎn)制造技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。推土機(jī)臺車架屬于大型構(gòu)件，焊縫數(shù)量多、受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形，利用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法需要大量的計(jì)算，并需要試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)周期長、成本高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真算法的發(fā)展完善，采用數(shù)值模擬的方法可以預(yù)測焊接結(jié)構(gòu)的溫度場、應(yīng)力場和焊后變形等，能夠節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力，已經(jīng)成為智能化生產(chǎn)制造技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，已有學(xué)者對地鐵牽引梁、地鐵底架枕梁、壓濾機(jī)濾框、汽車車身等結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行研究[1-3]。也有學(xué)者采用ANSYS和SYSWELD軟件的二次開發(fā),建立適宜于CO2氣體保護(hù)焊的雙橢球熱源模型,通過Y形坡口的兩塊鋼板對接多層多道焊模型,分別采用3種不同“單元生死”技術(shù)對合金結(jié)構(gòu)鋼的CO2氣體保護(hù)焊溫度場分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬[4-5]；天津大學(xué)的鄭振太等人[6-7]通過紅外熱像儀檢測了CO2氣體保護(hù)焊的溫度場,發(fā)現(xiàn)在熔池及其鄰近區(qū)域溫度呈圓錐型分布，并對有強(qiáng)制對流效果的氣體保護(hù)焊溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬；雙絲MAG 焊接，基于泰勒因子計(jì)算MAG焊焊縫金屬對結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的影響，并采取有限元分析常規(guī)和低相變點(diǎn)MAG焊的焊接接頭的拉伸殘余應(yīng)力(RS)情況[8-9]；在雙橢球熱源理論研究方面，有學(xué)者基于SYSWELD和ANSYS軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)工具開展雙橢球熱源模型參數(shù)研究[10-11]，也有對網(wǎng)格尺寸及其作用下的溫度場計(jì)算的相關(guān)研究[12]，同時(shí)也有針對雙橢球熱源加載算法的研究，主要是基于熱源模型規(guī)則離散的加載算法和基于雙橢球區(qū)域節(jié)點(diǎn)選擇集的加載算法進(jìn)行對比分析，得出影響其模型參數(shù)的因素[13],以及低合金高強(qiáng)鋼雙面GTAW和焊接熔池發(fā)展的數(shù)值模擬等方面的研究[14-15]。上述研究方向及成果為文中的焊接順序、焊接工藝、熱源模型校核以及樣機(jī)驗(yàn)證等方面提供了理論依據(jù)，但在工程機(jī)械領(lǐng)域鮮有對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尤其是含有大量的高強(qiáng)度低合金板材、鑄鍛件摻雜，同時(shí)多種焊縫結(jié)構(gòu)形式的工件缺少直接指導(dǎo)企業(yè)制造實(shí)際的應(yīng)用研究。

文中結(jié)合虛擬仿真技術(shù)以及多年積累的制造經(jīng)驗(yàn)，對某型號靜液壓推土機(jī)臺車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立虛擬仿真模型，對焊后變形、殘余應(yīng)力和典型工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，為臺車架焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，并采取物理樣機(jī)驗(yàn)證優(yōu)化的結(jié)果可行性。

1 推土機(jī)臺車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺車架優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，原結(jié)構(gòu)如圖1a所示，整體為方盒結(jié)構(gòu)，兩段式組裝。制造工藝流程為彎板合件組焊、底板方盒組對、臺車一次組對、二次組對，然后臺車機(jī)器人焊接、人工焊補(bǔ)修磨、校形。存在的問題是：①整體由多個(gè)零件組成，零件之間尺寸互相關(guān)聯(lián)，只能在一個(gè)工位按順序逐步進(jìn)行，且工作時(shí)需要多次翻轉(zhuǎn)工件，效率低下；②由于零件多、工序繁雜，每個(gè)零件的制造公差和加工誤差積累，制造精度差；③彎板有較大制造公差，造成以其為基體進(jìn)行裝配焊的托輪支架、平衡梁座、耳軸安裝座公差較大，難以保證圖紙要求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，整體改為履帶盒結(jié)構(gòu)，三段式模塊化組對，生產(chǎn)流程簡化為小合件組焊、臺車總對、臺車機(jī)器人焊接、人工焊補(bǔ)修磨、校形，與原方案相比，效率明顯提高。同時(shí)將樞軸箱與主體彎板合件由原來的對接改為角接，中彎板合件內(nèi)部設(shè)計(jì)4個(gè)筋板，與上部彎板、下部底板相焊，形成箱形結(jié)構(gòu)增加強(qiáng)度。平衡梁座與耳軸安裝座均增加連接板成箱形結(jié)構(gòu)。板材型號和板厚做如下調(diào)整：將原底板由28 mm/Q460C改為25 mm/Q345，將原彎板上蓋板由10 mm/Q345改為8 mm/Q460C，將原中板由8 mm/Q460C改為6 mm/Q345，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)總重量減輕約70 kg。

圖1 臺車架優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)

2 虛擬仿真分析與驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

為驗(yàn)證上述優(yōu)化后推土機(jī)臺車架焊接結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，采用SYSWELD仿真軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，為保證計(jì)算精度，模型采用六面體網(wǎng)格，通過網(wǎng)格劃分工具Visual-Mesh導(dǎo)入三維CAD模型完成網(wǎng)格劃分。臺車架網(wǎng)格共計(jì)280 488個(gè)，焊縫共計(jì)120條，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 臺車架網(wǎng)格劃分

整體模型網(wǎng)格劃分完成后，打開焊接流程向?qū)?，按順序完成仿真。將局部模型提取的?yīng)變值加載到整體模型焊縫網(wǎng)格上，完成映射，利用Database數(shù)據(jù)庫設(shè)置配置好所有母材Q345，Q460C以及鑄件SC450等材料，并配置ER50-6φ1.2 mm焊絲，添加夾具設(shè)置約束條件如圖3所示，添加所有焊縫網(wǎng)格，完成焊縫激活，接觸傳熱系數(shù)設(shè)置為20 W/(m2·K)。零件及焊縫網(wǎng)格通過unconnect edge連接，從而大大減少網(wǎng)格處理時(shí)間。

圖3 夾持位置示意圖

2.2 工藝參數(shù)設(shè)定

通過軟件中的焊接順序管理器設(shè)置焊接順序、夾持順序和釋放順序。根據(jù)變位機(jī)支撐、定位及夾持點(diǎn)位置進(jìn)行工裝夾具模型的創(chuàng)建和設(shè)置，并根據(jù)變位機(jī)液壓夾具的夾緊力進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)工藝預(yù)設(shè)方案裝焊后對工件進(jìn)行剛性夾持，施焊完成后10 min進(jìn)行加持力的釋放。Q460C為臺車架主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)，是在16Mn鋼中加入Cr，Ni，V，Ti等合金元素的低合金高強(qiáng)度鋼，V和Ti元素的加入，使鋼材強(qiáng)度增高，同時(shí)又能細(xì)化晶粒，減少鋼材的過熱傾向，具有良好的抗疲勞性能和低溫韌性，根據(jù)材料化學(xué)成分及力學(xué)性能，并參照CE(IIW)和冷裂敏感指數(shù)Pcm，制定焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

現(xiàn)場焊接采取Ar-CO2二元混合氣體保護(hù)焊，選擇高斯雙橢球的熱源模型，根據(jù)校驗(yàn)熱源模型(表2和圖4)對熱源的參數(shù)/尺寸進(jìn)行配置，使之與焊接工藝中的實(shí)際熱源幾何形狀相匹配。設(shè)置完畢后，采取非線性、熱學(xué)耦合求解器進(jìn)行計(jì)算，并利用云圖進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變的結(jié)果輸出和直觀顯示。

表2 熱源模型參數(shù)設(shè)置表

圖4 熱源模型

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1焊后變形及殘余應(yīng)力

為了驗(yàn)證仿真模型，達(dá)到改進(jìn)焊接順序、工裝設(shè)計(jì)等工藝優(yōu)化目的，對新型臺車架的焊后變形情況、焊接結(jié)束后的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了預(yù)測。臺車架的焊后變形仿真結(jié)果如圖5所示，可見焊后總體最大變形量為12.1 mm，最大變形位于前導(dǎo)向合件處。應(yīng)力-應(yīng)變仿真結(jié)果如圖5b所示，可以看到主要?dú)堄鄳?yīng)力分布在焊縫熱影響區(qū)，最大殘余應(yīng)力值為369.733 MPa，低于Q460C的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對比原結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)實(shí)際測量情況，主體彎板合件、前導(dǎo)向焊接變形量均減少2～3 mm，通過現(xiàn)有HTY-12三維頻譜應(yīng)力消除系統(tǒng)配合應(yīng)力檢測片進(jìn)行實(shí)際檢測，殘余應(yīng)力約為387.45 MPa，新結(jié)構(gòu)最大殘余應(yīng)力值較原結(jié)構(gòu)低4.5%，位置基本一致。

圖5 臺車架焊接變形及殘余應(yīng)力仿真結(jié)果

2.3.2典型工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

基于上述結(jié)果，進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)仿真軟件中模擬左刀角偏載、鏟刀提鏟、整機(jī)勻速后退、整機(jī)后退過障礙物和最大牽引力后退等5種工況下臺車架的力學(xué)性能極值，分析可能的結(jié)構(gòu)薄弱部位和相關(guān)力學(xué)性能，驗(yàn)證方案的可行性。表3為產(chǎn)品主要性能參數(shù)表，其中載荷數(shù)值僅為右傾最深位置滿載推土的工況參考值。

表3 產(chǎn)品主要性能參數(shù)

把焊后殘余應(yīng)力及應(yīng)變量數(shù)值載入至結(jié)構(gòu)強(qiáng)度軟件中，并對網(wǎng)格中的退化或不良單元網(wǎng)格進(jìn)行刪除優(yōu)化處理，確保良好網(wǎng)格單元占比達(dá)99.99%以上，同時(shí)把表3中作用載荷轉(zhuǎn)換為有效負(fù)荷加載力，進(jìn)行有限元分析計(jì)算，典型工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果分別如圖6所示。

圖6 典型工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真分析，臺車架結(jié)構(gòu)在鏟刀提鏟、整機(jī)最大牽引力后退2種工況時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，均不超過100 MPa，在左刀角偏載工況下應(yīng)力值較大，與實(shí)際工況符合。原結(jié)構(gòu)左刀角偏載工況和最大牽引力后退工況下最大應(yīng)力分別為195 MPa和193 MPa，新結(jié)構(gòu)下兩種工況下最大應(yīng)力分別為200 MPa和136 MPa，均小于選用材料Q460C的屈服強(qiáng)度，同時(shí)對比分析各工況可以發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)的工況安全系數(shù)更有優(yōu)勢，見表4所示，僅左刀角偏載工況下，新結(jié)構(gòu)耳軸周邊無加強(qiáng)板，耳軸與彎板焊接處周邊應(yīng)力稍高于原結(jié)構(gòu)。

表4 產(chǎn)品工況安全系數(shù)對比

3 物理樣機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)論，進(jìn)行新結(jié)構(gòu)5臺物理樣機(jī)生產(chǎn)驗(yàn)證。考慮批量化生產(chǎn)制造工藝，從試制階段就整體考慮采取模塊化組對，并融入到工廠現(xiàn)有臺車架機(jī)器人焊接自動化生產(chǎn)線，改變原試制采取人工作業(yè)的傳統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，減少不必要的額外投資，降低制造成本。整個(gè)工藝流程采取小合件組焊、模塊化總組對方式，通過平衡梁座焊前加工，取消焊后加工，解決加工瓶頸。由于與相關(guān)件的關(guān)鍵連接安裝尺寸沒變，采用現(xiàn)有工裝進(jìn)行組對，優(yōu)化了平衡梁架定位軸。在工裝上可完成樞軸箱、彎板合件、前支架合件、耳軸座、平衡梁座的組對，保證了精度；整體組對流程順暢，部件易調(diào)整，尺寸易保證，臺車加工增加托輪座劃線、銑面、鉆孔工序，減少托輪座孔鏜銑工序，其余加工內(nèi)容均相同，整體加工時(shí)間與現(xiàn)結(jié)構(gòu)臺車持平，特別說明的是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的焊縫總長度由原來26.540 m減少為22.106 m，實(shí)際焊接生產(chǎn)效率提升5.7%，同時(shí)工件的自動焊接可達(dá)率由原來的81.5%提升為82.1%。

樣機(jī)制作完成，進(jìn)行500,1 000,1 500,2 000 h 4階段的市場驗(yàn)證，目前市場驗(yàn)證時(shí)間均超過2 000 h，見表5所示，售后服務(wù)部門實(shí)時(shí)跟蹤作業(yè)工況、驗(yàn)證數(shù)據(jù)等信息收集，整個(gè)車輛工況滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)較原結(jié)構(gòu)在施工作業(yè)中，落土便捷性、整體可維修性方面得到很大的改善，得到客戶的認(rèn)可。

表5 樣機(jī)市場驗(yàn)證情況

4 結(jié)論

(1)將某型號推土機(jī)臺車架由原有兩段式方盒結(jié)構(gòu)改為三段式履帶盒結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)向合件、中彎板合件、后樞軸箱合件、底板、平衡梁座、耳軸、彈簧安裝座等。

(2)利用虛擬仿真軟件對推土機(jī)臺車架進(jìn)行建模和仿真，總體焊后變形為12.1 mm，位于前導(dǎo)向合件位置，熱影響區(qū)殘余應(yīng)力最高，達(dá)到369.733 MPa，由于臺車架結(jié)構(gòu)中焊縫較多，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理消除殘余應(yīng)力。

(3)虛擬仿真結(jié)果顯示，臺車架結(jié)構(gòu)在鏟刀提鏟、整機(jī)勻速后退、整機(jī)后退過障礙物3種工況時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，均不超過100 MPa，在左刀角偏載和最大牽引力后退兩種工況下應(yīng)力值較大，但未超過母材的屈服強(qiáng)度，表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)合理，重量減輕，裝配簡化，效率和安全系數(shù)均有所提高。

(4)通過物理樣機(jī)試制，模塊化生產(chǎn)，整個(gè)生產(chǎn)工序流程得到提升，新臺車結(jié)構(gòu)試制工時(shí)、生產(chǎn)效率比原結(jié)構(gòu)臺車提升約5.7%。