STR23工作裝置開焊分析

武占剛*，李凱，劉修超

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STR23工作裝置開焊分析

武占剛*，李凱，劉修超

（山推工程機械股份有限公司，山東濟寧，272000）

推耙機作為一種港口散裝物料裝卸的重要設備，其質量穩定性對港口的工作效率有較大影響，山推工程機械股份有限公司生產的STR23推耙機作為國內最大馬力推耙機，在港口施工中逐步替代進口產品，但是在實際使用過程中推耙鏟刀出現了不同程度的開焊現象，且開焊部位有一定的相似性，本文結合推耙機作業工況分析了STR23推耙機推耙鏟刀安裝座開焊產生的原因，并利用計算機仿真軟件對刀頭在典型工況下所受外載荷進行仿真分析，根據仿真分析結果以及生產制作過程的實際可操作性，優化了相關結構。

推耙機；推耙鏟刀；焊接

引言

推耙機是針對散料作業開發出的一種工程機械，廣泛用于港口散裝貨物清理和船艙的清艙、平艙工作，也可用于電廠、碼頭、礦山松散物料的推耙作業，與推土機相比，推耙機的推工況與之類似，耙工況為推耙機獨有。

推耙機作業對象載荷較大，工作狀況復雜，作業工序反復循環且操作頻繁，工作過程中經常變換速度姿態，并且由于船艙作業空間狹小，推耙機工作裝置在工作過程中經常與船艙發生碰撞，工作條件十分惡劣。上述工作條件使得推耙機在使用中時常發生焊縫開裂、構件變形及斷裂等破壞。

STR23型推耙機系目前國產最大馬力的專用清倉設備，打破了大馬力推耙機長期由卡特彼勒、小松等國外品牌壟斷的局面，并填補了國內大馬力推耙機的空白。我公司于2016年一次性銷售八臺該型號推耙機，其中一臺STR23型推耙機推耙鏟刀安裝座出現開焊斷裂情況，我們對推耙鏟刀結構進行了受力分析，得出推耙鏟刀的應力及變形分布狀況，改進了推耙鏟刀安裝座結構。

1 推耙鏟刀座裂紋的現狀調查

目前山推STR23推耙鏟刀安裝座是由鋼板組合焊接而成，開焊斷裂位置處于刀頭和推桿的連接支座處，如圖1所示。

圖2 推耙機的工作裝置

1- H型架 2-推耙鏟刀 3-鏟刀推耙機構 4-鏟刀升降機構

2 推耙鏟刀結構及受力分析

2.1 推耙鏟刀結構

STR23推耙機的工作裝置包括推耙鏟刀、H型架、鏟刀升降機構、鏟刀推耙機構，如圖2所示，其中構件2即為推耙鏟刀。推耙鏟刀是由鋼板組合焊接而成的弧形箱體結構，主要承受壓力與彎矩作用的構件，截面形狀為弧形，為提高其承載能力，其內部有加強筋板。

2.2 推耙鏟刀所受載荷分析

推耙機具體工況可分為推耙機具體工況可分為三種，工況包括：

（1）推工況，該工況與推土機一致，此工況下推耙鏟刀安裝座主要受壓應力，不會造成開焊斷裂，如圖3。

（2）耙工況，該工況下鏟刀在提升油缸和推耙油缸聯合操縱下，不斷變換工作姿態，從而將散料歸集在一起。該工況下，推耙鏟刀安裝座會受到反復的拉應力作用，從而使焊縫產生疲勞斷裂。因此主要分析該工況下推耙鏟刀受力情況，如圖4。

（3）沖擊載荷工況。工作時推耙機經常與船艙或者塊狀作業對象發生碰撞，此時產生遠大于正常載荷的沖擊載荷，側向及垂直方向的沖擊載荷會對推耙鏟刀安裝座產生較大的剪切應力。由于沖擊載荷具有隨機、瞬態特性，不易確定，本文不再分析。

圖3 推工況工作裝置受力情況

圖4 耙工況工作裝置受力情況

如圖4所示，推耙機在對散料進行歸集時，工作裝置姿態變化情況為：提升缸提升鏟刀，推耙缸處于最短行程，推耙鏟處于A位置準備工作，到達散料處，提升剛將鏟刀放下同時推耙缸工作，推耙鏟由A位置到達B至C位置，如此反復進行，將散料歸集在一起。整個過程中鏟刀在B位置，即鏟刀與地面垂直位置時受到的物料阻力最大，當鏟刀到達C位置時鏟刀受限位塊阻擋而停止移動，此時主要受油缸推力作用。

推耙工況推耙鏟刀處于B位置時受力分析，為便于計算，將推耙鏟受到的阻力即耙力考慮為集中力進行分析。假設耙力集中作用點在推耙鏟刀下邊沿中點（圖5所示），由于推耙鏟刀安裝座和推耙油缸座沿推耙鏟刀中垂面對稱，這里以推耙鏟刀為研究對象，推耙鏟刀左安裝座中心為原點建立坐標系，如圖6所示。已知推耙鏟刀質量m=1274.8kg，重力加速度取g=9.8N/kg，耙力Fb=136290N，推耙油缸工作壓力19.5MPa，油缸活塞直徑140mm。

圖5 耙工況工作裝置受力情況

圖6 耙工況工作裝置受力分析圖（B位置）

靜力平衡方程如下：

∑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。

推耙工況推耙鏟刀處于C位置時受力分析，鏟刀受限位塊阻擋而停止移動，此時主要受油缸推力作用，油缸達到最大推力即Fygmax=300027N。以推耙鏟刀為研究對象，推耙鏟刀左安裝座中心為原點建立坐標系，如圖7所示。

圖7 耙工況工作裝置受力分析圖（C位置）

靜力平衡方程如下：

∑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 推耙鏟刀應力分析

在Croe中建立推耙鏟刀三維模型，采用山推模板，單位：Length（），Mass（），Time（sec）。

利用Croe中有限元分析功能Simulate對模型進行有限元分析，Force（/sec∧2），材料選擇Q345，彈性模量1.99948e+11，泊松比0.27。根據上面分析結果對推耙鏟刀加載進行應力分析。

推耙工況推耙鏟刀處于B位置時應力分析結果如圖8所示。從云圖看，推耙鏟刀座焊縫處存在應力集中現象，應力集中處最大應力達180MPa，該處焊接母材為Q460C，最低屈服強度為400MPa，遠大于分析結果。

圖8 推耙鏟刀主應力分布圖

推耙工況推耙鏟刀處于C位置時應力分析結果如圖9所示。從云圖看，推耙鏟刀座焊縫處存在應力集中現象，應力集中處最大應力達200MPa，該處焊接母材為Q460C，最低屈服強度為400MPa，遠大于分析結果。

圖9 推耙鏟刀主應力分布圖

3 推耙鏟刀座開焊原因分析

從上面分析結果看，推耙鏟刀座所使用的材料最低屈服強度均滿足工況要求，因此推耙鏟刀座焊縫開焊斷裂主要原因并非材料強度本身不足，而應該是焊接工藝問題。

影響焊接性能因素眾多，可以歸納為兩個方面：一是力學方面性能影響因素；二是材質方面影響因素。力學性能影響方面，可能在焊縫內部存在未焊透、氣孔、夾渣等缺陷；材質影響方面，焊接過程中熱循環引起組織變化，焊接過程中熱塑性變形循環產生材質變化都會影響焊縫壽命，單純加強焊縫部位強度，可能不會大幅提高其壽命。

焊接工藝方面主要由外協廠家控制，考慮到目前焊接工藝現狀，短期內無法大幅度提高。鑒于此，本文從設計角度，對結構進行優化設計，減少焊縫應力集中。

4 推耙鏟刀座結構優化設計

原推耙鏟刀座與油缸座是分離的，且兩個部件都是通過多個板材進行焊接，如此焊接在鏟刀上，很容易出現應力集中現象。為消除應力集中，并考慮整個工作裝置布局，將鏟刀座和油缸座設計成一體，然后焊接在鏟刀上，零部件大大減少，整體的焊縫數量和交叉也隨之減小，有效降低焊接內應力和焊接變形，見圖10。優化后的鏟刀應力分析云圖見圖11，從圖上看，優化后的推耙鏟刀座焊縫應力集中現象消除，焊縫處應力降低40%以上。

圖10 推耙鏟刀優化結構圖

圖11 推耙鏟刀應力分析云圖

5 結束語

通過對STR23推耙機推耙鏟刀受力分析及有限元應力分析，找到了推耙鏟刀座焊縫開裂的原因：即焊縫處存在應力集中現象，雖然材料強度滿足要求，但由于焊接工藝問題，焊縫易在交變載荷作用下發生疲勞失效，因此，在設計過程中應進行合理的結構設計，并利用有限元分析元件進行結構優化設計，使焊縫處避開應力集中點和最大受力點。

[1] 馬祥. 推耙機h型架焊接結構強度分析及其測試[D]. 浙江大學, 2012.

[2] 陳帥. 基于Abaqus的推耙機工作裝置碰撞仿真及結構優化[D]. 浙江大學, 2014.

[3] 李亞江, 王娟, 等. 焊接缺陷分析與對策[M]. 北京: 化學工業出版社, 2014.

[4] 李圣君. 甲醇裝置第1變換爐壓差上升過快原因分析和處理原版[J]. 化肥工業, 2015, (8): 58-59+64.

[5] 李富貴. 往復桿式輸送機汽車焊接生產線輸送方式失效分析[J]. 工藝與裝備, 2015. (5): 43-44+58.

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

武占剛, 李凱, 劉修超. STR23工作裝置開焊分析[J]. 數碼設計, 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。

武占剛（1985-），男，山東濟寧，工程師，碩士研究生，研究方向：機械工程。E-mail: bianjibu2018@163.com