STR23工作装置开焊分析

武占刚*，李凯，刘修超



STR23工作装置开焊分析

武占刚*，李凯，刘修超

（山推工程机械股份有限公司，山东济宁，272000）

推耙机作为一种港口散装物料装卸的重要设备，其质量稳定性对港口的工作效率有较大影响，山推工程机械股份有限公司生产的STR23推耙机作为国内最大马力推耙机，在港口施工中逐步替代进口产品，但是在实际使用过程中推耙铲刀出现了不同程度的开焊现象，且开焊部位有一定的相似性，本文结合推耙机作业工况分析了STR23推耙机推耙铲刀安装座开焊产生的原因，并利用计算机仿真软件对刀头在典型工况下所受外载荷进行仿真分析，根据仿真分析结果以及生产制作过程的实际可操作性，优化了相关结构。

推耙机；推耙铲刀；焊接

引言

推耙机是针对散料作业开发出的一种工程机械，广泛用于港口散装货物清理和船舱的清舱、平舱工作，也可用于电厂、码头、矿山松散物料的推耙作业，与推土机相比，推耙机的推工况与之类似，耙工况为推耙机独有。

推耙机作业对象载荷较大，工作状况复杂，作业工序反复循环且操作频繁，工作过程中经常变换速度姿态，并且由于船舱作业空间狭小，推耙机工作装置在工作过程中经常与船舱发生碰撞，工作条件十分恶劣。上述工作条件使得推耙机在使用中时常发生焊缝开裂、构件变形及断裂等破坏。

STR23型推耙机系目前国产最大马力的专用清仓设备，打破了大马力推耙机长期由卡特彼勒、小松等国外品牌垄断的局面，并填补了国内大马力推耙机的空白。我公司于2016年一次性销售八台该型号推耙机，其中一台STR23型推耙机推耙铲刀安装座出现开焊断裂情况，我们对推耙铲刀结构进行了受力分析，得出推耙铲刀的应力及变形分布状况，改进了推耙铲刀安装座结构。

1 推耙铲刀座裂纹的现状调查

目前山推STR23推耙铲刀安装座是由钢板组合焊接而成，开焊断裂位置处于刀头和推杆的连接支座处，如图1所示。

图2 推耙机的工作装置

1- H型架 2-推耙铲刀 3-铲刀推耙机构 4-铲刀升降机构

2 推耙铲刀结构及受力分析

2.1 推耙铲刀结构

STR23推耙机的工作装置包括推耙铲刀、H型架、铲刀升降机构、铲刀推耙机构，如图2所示，其中构件2即为推耙铲刀。推耙铲刀是由钢板组合焊接而成的弧形箱体结构，主要承受压力与弯矩作用的构件，截面形状为弧形，为提高其承载能力，其内部有加强筋板。

2.2 推耙铲刀所受载荷分析

推耙机具体工况可分为推耙机具体工况可分为三种，工况包括：

（1）推工况，该工况与推土机一致，此工况下推耙铲刀安装座主要受压应力，不会造成开焊断裂，如图3。

（2）耙工况，该工况下铲刀在提升油缸和推耙油缸联合操纵下，不断变换工作姿态，从而将散料归集在一起。该工况下，推耙铲刀安装座会受到反复的拉应力作用，从而使焊缝产生疲劳断裂。因此主要分析该工况下推耙铲刀受力情况，如图4。

（3）冲击载荷工况。工作时推耙机经常与船舱或者块状作业对象发生碰撞，此时产生远大于正常载荷的冲击载荷，侧向及垂直方向的冲击载荷会对推耙铲刀安装座产生较大的剪切应力。由于冲击载荷具有随机、瞬态特性，不易确定，本文不再分析。

图3 推工况工作装置受力情况

图4 耙工况工作装置受力情况

如图4所示，推耙机在对散料进行归集时，工作装置姿态变化情况为：提升缸提升铲刀，推耙缸处于最短行程，推耙铲处于A位置准备工作，到达散料处，提升刚将铲刀放下同时推耙缸工作，推耙铲由A位置到达B至C位置，如此反复进行，将散料归集在一起。整个过程中铲刀在B位置，即铲刀与地面垂直位置时受到的物料阻力最大，当铲刀到达C位置时铲刀受限位块阻挡而停止移动，此时主要受油缸推力作用。

推耙工况推耙铲刀处于B位置时受力分析，为便于计算，将推耙铲受到的阻力即耙力考虑为集中力进行分析。假设耙力集中作用点在推耙铲刀下边沿中点（图5所示），由于推耙铲刀安装座和推耙油缸座沿推耙铲刀中垂面对称，这里以推耙铲刀为研究对象，推耙铲刀左安装座中心为原点建立坐标系，如图6所示。已知推耙铲刀质量m=1274.8kg，重力加速度取g=9.8N/kg，耙力Fb=136290N，推耙油缸工作压力19.5MPa，油缸活塞直径140mm。

图5 耙工况工作装置受力情况

图6 耙工况工作装置受力分析图（B位置）

静力平衡方程如下：

∑Mo=0：Fyg×525×cos15°+mg×246.5/2-Fb×791/2=0

∑Fxo=0：Fx+Fyg×cos15°+Fb/2=0

∑Fyo=0：Fy+Fyg×sin15°-mg/2=0

解得：

Fyg=103279.9N，Fx=-167905.7N，Fy=-20484.3N

推耙油缸最大推力：Fygmax=19.5×106×3.14×（0.14/2）2=300027N﹥Fyg=103279.9N。

推耙工况推耙铲刀处于C位置时受力分析，铲刀受限位块阻挡而停止移动，此时主要受油缸推力作用，油缸达到最大推力即Fygmax=300027N。以推耙铲刀为研究对象，推耙铲刀左安装座中心为原点建立坐标系，如图7所示。

图7 耙工况工作装置受力分析图（C位置）

静力平衡方程如下：

∑Mo=0：Fygmax×357+mg×52/2-Fxw×269=0

∑Fxo=0：Fx+Fyg×cos7°+Fxw×cos35°=0

∑Fyo=0：Fy+Fyg×sin7°-mg/2- Fxw×sin35°=0

解得：

Fxw=399384.6N，Fx=-624947N，Fy=198759.9N

2.3 推耙铲刀应力分析

在Croe中建立推耙铲刀三维模型，采用山推模板，单位：Length（），Mass（），Time（sec）。

利用Croe中有限元分析功能Simulate对模型进行有限元分析，Force（/sec∧2），材料选择Q345，弹性模量1.99948e+11，泊松比0.27。根据上面分析结果对推耙铲刀加载进行应力分析。

推耙工况推耙铲刀处于B位置时应力分析结果如图8所示。从云图看，推耙铲刀座焊缝处存在应力集中现象，应力集中处最大应力达180MPa，该处焊接母材为Q460C，最低屈服强度为400MPa，远大于分析结果。

图8 推耙铲刀主应力分布图

推耙工况推耙铲刀处于C位置时应力分析结果如图9所示。从云图看，推耙铲刀座焊缝处存在应力集中现象，应力集中处最大应力达200MPa，该处焊接母材为Q460C，最低屈服强度为400MPa，远大于分析结果。

图9 推耙铲刀主应力分布图

3 推耙铲刀座开焊原因分析

从上面分析结果看，推耙铲刀座所使用的材料最低屈服强度均满足工况要求，因此推耙铲刀座焊缝开焊断裂主要原因并非材料强度本身不足，而应该是焊接工艺问题。

影响焊接性能因素众多，可以归纳为两个方面：一是力学方面性能影响因素；二是材质方面影响因素。力学性能影响方面，可能在焊缝内部存在未焊透、气孔、夹渣等缺陷；材质影响方面，焊接过程中热循环引起组织变化，焊接过程中热塑性变形循环产生材质变化都会影响焊缝寿命，单纯加强焊缝部位强度，可能不会大幅提高其寿命。

焊接工艺方面主要由外协厂家控制，考虑到目前焊接工艺现状，短期内无法大幅度提高。鉴于此，本文从设计角度，对结构进行优化设计，减少焊缝应力集中。

4 推耙铲刀座结构优化设计

原推耙铲刀座与油缸座是分离的，且两个部件都是通过多个板材进行焊接，如此焊接在铲刀上，很容易出现应力集中现象。为消除应力集中，并考虑整个工作装置布局，将铲刀座和油缸座设计成一体，然后焊接在铲刀上，零部件大大减少，整体的焊缝数量和交叉也随之减小，有效降低焊接内应力和焊接变形，见图10。优化后的铲刀应力分析云图见图11，从图上看，优化后的推耙铲刀座焊缝应力集中现象消除，焊缝处应力降低40%以上。

图10 推耙铲刀优化结构图

图11 推耙铲刀应力分析云图

5 结束语

通过对STR23推耙机推耙铲刀受力分析及有限元应力分析，找到了推耙铲刀座焊缝开裂的原因：即焊缝处存在应力集中现象，虽然材料强度满足要求，但由于焊接工艺问题，焊缝易在交变载荷作用下发生疲劳失效，因此，在设计过程中应进行合理的结构设计，并利用有限元分析元件进行结构优化设计，使焊缝处避开应力集中点和最大受力点。

[1] 马祥. 推耙机h型架焊接结构强度分析及其测试[D]. 浙江大学, 2012.

[2] 陈帅. 基于Abaqus的推耙机工作装置碰撞仿真及结构优化[D]. 浙江大学, 2014.

[3] 李亚江, 王娟, 等. 焊接缺陷分析与对策[M]. 北京: 化学工业出版社, 2014.

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Analysis of STR23 Welding Equipment

WU Zhangang*, LI Kai, LIU Xiuchao

(Shantui construction machinery Limited by Share Ltd, Shandong Jining, 272000, China)

Push the rake machine is an important equipment for port bulk materials handling, has great influence on the quality of the work efficiency of port stability, Shantui construction machinery production of Limited by Share Ltd STR23 push the rake machine as the largest horsepower bulldozers, gradually replace imported products in the construction of the port, there are different degrees of welding phenomenon but the pushframe the blade in the actual use of the process, and welding parts have certain similarity, this combination of bulldozers working of STR23 dozer blade pushframe installation seat open welding, and using the computer simulation software tool head loads are simulated and analyzed in typical working condition, according to the simulation results and the production process of the actual operation, optimize the related structure.

push the rake machine; pushing rake blade; welding

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.059

TP 311

A

1672-9129(2018)01-0146-03

武占刚, 李凯, 刘修超. STR23工作装置开焊分析[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 146-148.

WU Zhangang, LI Kai, LIU Xiuchao. Analysis of STR23 Welding Equipment[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 146-148.

2017-11-15；

2017-12-28。

武占刚（1985-），男，山东济宁，工程师，硕士研究生，研究方向：机械工程。E-mail: bianjibu2018@163.com