驴头焊接变位机设计研究与仿真

李相国,李明浩,姜学田,姜源,孙庆

（大庆油田装备制造集团抽油机制造分公司，黑龙江大庆 163255）

0 引言

驴头作为游梁式抽油机四大结构件之一，外形不规则，焊道分布复杂；焊接过程需对其进行多次翻转，在翻转过程中存在安全隐患[1]。目前，现有的驴头焊接变位机，更多是与焊接机器人配套，一次定位不能完成所有焊道的焊接。如图1所示，一次定位无法焊接定位侧驴头侧板上定位轴、调整螺母及定位管等焊道。

图1 一种驴头焊接变位机

根据我集团生产现状及驴头结构特点，需要研发出一种适用于手工焊接，且能实现驴头全部焊道焊接的焊接变位机。焊接变位机可将工件任意一条焊缝转到平焊或者船焊位置[2]，可提高焊接效率、产品焊道质量，而且可以改善操作者工作环境，降低劳动强度，消除翻转驴头时存在的安全隐患[3]。

1 焊接回转平台结构设计

目前，焊接变位机主要分为三种结构类型：伸臂式、倾翻回转式和双立柱单回转式。笔者所设计的焊接变位机属双立柱单回转式，根据驴头的结构及焊道分布特点，综合考虑焊接变位机的通用性、定位方式，焊接回转平台采用“鱼骨”式结构[4]。通过设计配重块使焊接回转平台的重心在两旋转轴轴线处，提高结构稳定性的同时，可有效降低驱动力矩。

图2 焊接回转平台结构图

该焊接回转平台所用材质为Q345，应用SolidWorks软件对其结构进行了有限元分析。分析之前首先要对焊接回转平台进行网格划分，SolidWorks Simulation网格处理功能可对复杂的结构模型进行高品质的网格处理，计算结构能反映出实际受力情况[5]。为了验证自身结构安全性，在重力的作用下对其进行了受力分析，分析得最大应力及最小安全系数4.35位于旋转轴加强筋板连根部，最大位移为1.9 mm在允许变形范围内，不影响其结构稳定性。

将14型抽油机驴头固定在焊接回转平台上，同时在驴头上方施加0.25倍驴头重量的均布载荷，分析情况如图4所示，最大位移为1.37 mm，最大安全系数为3.35，焊接回转平台满足工作要求。焊接回转平台除了满足结构稳定性外，还要设置焊接导电装置，防止焊接电流对齿轮副和轴承等回转副造成损伤[6]。

图3 焊接回转平台有限元分析云图

图4 施加载荷后综合分析云图

2 驴头定位方式

设计驴头在回转平台的定位装置时，充分考虑定位快捷与稳定性，采用四点定位方式，对其进行定位。根据驴头侧板的外形尺寸，设计专用夹具限定驴头空间6个方向自由度。定位装置由一组圆弧定位装置和一组滑块式定位装置组成；通过定位装置上压紧机构，限定Z轴方向移动和绕X轴、Y轴旋转，3个方向自由度；滑块定位装置可沿Y轴移动，与侧板边缘接触部位呈斜面状，倾斜角度与侧板相同；圆弧定位装置相对固定，滑块定位装置向圆弧定位装置移动至与驴头侧板斜面完全接触，可限定驴头沿Y轴方向移动和绕Z轴旋转；而滑块定位装置内部斜面可限定驴头沿X轴方向的移动，如图5所示。

图5 驴头四点定位

3 焊接变位机动力学分析

考虑焊接时焊缝位置不宜过高，不便于操作者施焊，回转台不能整周旋转，旋转角度为0°～180°，再由180°至0°。运动仿真分析时，忽略调心滚子轴承产生的摩擦力矩。运动学分析目的在于准确选择驱动力矩及电动机功率，为此简化支撑立柱，建立动力学模型。为模型添加驱动马达，马达类型旋转距离，角度旋转180°，时间设定为12 s，为了实现焊接回转平台0°～180°～0°，需要为模型添加2个旋转马达，马达1为0°～180°提供动力，马达2为180°～0°提供动力。通过设置马达键码来实现其运动过程，为模型添加引力，在算例类型中选择Motion，开始进行动力学分析[7]。分析得马达1和马达2的力矩及能源消耗如图6～图8所示。马达1和马达2最大力矩为6479 N·m，消耗能源为3393 W。将驴头固定在焊接回转平台上，在0°和180°时，整个回转平台需要制动力矩才能保持在工作位置，为了确保安全性，需增设机械锁紧装置。

图6 马达1力矩

图7 马达2力矩

图8 马达1和马达2能源消耗

4 结语

综上所述，通过分析驴头的结构及焊缝分布，以SolidWorks软件的有限元及运动学仿真分析分析结果为参考，可有效优化其结构，准确选择其驱动力矩和传动系统。

通用驴头焊接变位机，可以很好改善焊接操作者作业环境，有效提高工作效率及产品焊接质量，消除驴头翻转过程中潜在的安全隐患。

[1] 李相国.基于有限元理论优化设计梁式抽油机结构件[J].机械工程师,2015(9):201-203.

[2] 翟浩,孟国强,王彩凤.常用焊接变位机种类及其选用原则[J].工程机械与维修,2013(11):179.

[3] 林尚扬,陈善本,李成桐.焊接机器人及其应用[M].北京:机械工业出版社,2000.

[4] 李相国,李明浩.通用驴头焊接变位机:CN201520736974.6[P].2015-09-22.

[5] 陆宗学,崔世义,刘勇.基于SolidWorks Simulation的重载机械手主梁的有限元分析[J].机械工程师,2013(11):129.

[6] 谭湘夫.焊接变位机[J].机械工程师,2001(3):58-59.

[7] DS SolidWorks公司.SolidWorks Motion运动仿真教程[M].北京:机械工业出版社,2012.