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(jìn)機(jī)簡介

掘進(jìn)機(jī)這種大型地下工程機(jī)械的組成部件有運(yùn)動部件和工作部件等。運(yùn)動部分有履帶行動部，工作部分有截割、鏟料裝置、輸送料機(jī)構(gòu)，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(jié)構(gòu)、稀油潤滑等，使這種工程機(jī)械可以自如地進(jìn)行運(yùn)作生產(chǎn)工作。

2 CO2氣體保護(hù)焊簡介

2.1 CO2氣體保護(hù)焊的說明

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

2.2 CO2氣體保護(hù)焊的各種參數(shù)

在焊絲的選擇上，根據(jù)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(dāng)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(jìn)機(jī)主要部件焊接工藝

3.1 截割頭焊接

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造中，截割頭的材料為鑄鋼,碳當(dāng)量Ceq=0.49%，齒座材料為35CrMo,碳當(dāng)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(yuǎn)，焊接時容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，嚴(yán)重的可能會產(chǎn)生一些熱裂紋，導(dǎo)致焊接失敗。

3.1.1 問題分析及建模

在實際底層工作掘進(jìn)中，被截割的材料在計算機(jī)中需要制造體積較大的模擬煤巖?？梢栽O(shè)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(shè)定，來模擬實際掘進(jìn)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(shè)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(gòu)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(jìn)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(wǎng)格劃分

模擬模型橫切掘進(jìn)時的截割頭狀態(tài)時如圖2 所示。

3.1.3 結(jié)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(zhì)及煤塊的崩裂有關(guān)。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(yīng)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(zhì)，點固前局部預(yù)熱，組立點固定截齒座，焊前整體預(yù)熱?；⌒谓佑|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(yīng)力集中。與此同時也改善了煩瑣的焊接技術(shù)，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(zhuǎn)化成較細(xì)的晶粒，所以多層焊焊縫比單層焊焊縫的力學(xué)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(jìn)時的截割頭狀態(tài)應(yīng)力云圖

3.2 掘進(jìn)機(jī)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(dá)轉(zhuǎn)動輪體，把掘進(jìn)機(jī)截割工作產(chǎn)生的物料歸攏到鏟料裝置中間，經(jīng)過輸送鏈帶到掘進(jìn)機(jī)后端。鏟料裝置可以向下活動，以收集物料或支撐前端掘進(jìn)機(jī)，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(jié)構(gòu)為主，主要受力并體積較大質(zhì)量較高的部件為left 板、right 板、主鏟板，因此它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，筋板、腔體較多，并且根據(jù)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(guān)，探傷位置設(shè)計也需要衡量，整體鏟料裝置焊接將直接反映出掘進(jìn)機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)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(jié)論分析

鏟料裝置最大應(yīng)力148Mpa 位于鏟尖前端兩側(cè)筋板位置，主鏟板為主要為受力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中于主鏟板鏟尖位置。由于主鏟板為掘進(jìn)機(jī)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(gòu)焊接，拼出外型，然后將小件焊接為整體，再進(jìn)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(shù)。根據(jù)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(dá)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(qiáng)度。焊后熱處理時需要有必要的固定工藝及支撐結(jié)構(gòu)的增加，工藝受熱后冷卻至室溫再拆除工藝工具。合理改進(jìn)焊接工藝，控制焊接變形及質(zhì)量，才能滿足鏟料裝置結(jié)構(gòu)對于掘進(jìn)機(jī)的重要作用。

圖3 鏟料裝置應(yīng)力云圖

3.3 本體部焊接

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

3.3.1 問題分析及建模

掘進(jìn)機(jī)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(jī)型的參數(shù)設(shè)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(jié)論分析

本體架應(yīng)力最大值為87MPa，出現(xiàn)在防護(hù)板側(cè)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(yīng)力集中，屬于易開裂位置。防護(hù)板直接焊接到本體架兩側(cè)油缸連接耳處應(yīng)力較高，為避免拼接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，可減少焊接強(qiáng)度負(fù)擔(dān)。掘進(jìn)機(jī)本體部通常是由大于36mm 的厚鋼板結(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)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(shè)計的相對偏小、焊接偏窄。

圖4 本體部應(yīng)力云圖

圖5 本體部應(yīng)力云圖放大

3.4 履帶行動部焊接

掘進(jìn)機(jī)作為巷道工作的大型井下工程機(jī)械，需要在惡劣環(huán)境中自由前進(jìn)，在凸凹的斜面中無束縛移動，還要保證轉(zhuǎn)體及爬坡的能力。履帶行動部的動力源是驅(qū)動裝置，包括電機(jī)驅(qū)動組件以及液壓馬達(dá)驅(qū)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(dān)負(fù)著整個工程機(jī)械的核心質(zhì)量，還為整個工程機(jī)械自由及平穩(wěn)的移動提供動力保障。掘進(jìn)機(jī)能否持續(xù)工作、高效截割，履帶行動部的焊接結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

3.4.1 問題分析及建模

履帶行動部整體采用殼網(wǎng)格和四面體實體網(wǎng)格劃分。在履帶行動部驅(qū)動電機(jī)安裝點處抓取Rbe2 剛性單元，用于加載縱向驅(qū)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(cè)模型分析，故側(cè)向與垂向的工況載荷相對于整機(jī)采用一半的載荷進(jìn)行分析。載荷采用某機(jī)型的數(shù)據(jù)，具體載荷施加方法如下。工況1：縱向施加驅(qū)動電機(jī)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(cè)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(jié)果如圖7 及圖8 所示。

3.4.2 結(jié)論分析

工況1 最大應(yīng)力213MPa，工況2 最大應(yīng)力121Mpa。通過分析可知，在兩種工況下，最大應(yīng)力的位置均在焊縫端部，在后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計及焊接過程中，需要重點關(guān)注這些位置。從整體看，履帶架側(cè)面的變形也較大。在掘進(jìn)機(jī)履帶架車間工廠組焊時，需要設(shè)計合理的焊接組焊順序，由小之大，由少至多，由外至內(nèi)焊接，如此可嚴(yán)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(jìn)而減小掘進(jìn)機(jī)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(yīng)力云圖

圖8 工況2 應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

該文通過各部件模型有限元分析，為焊接工藝設(shè)計引領(lǐng)了方向，通過預(yù)判焊縫在工作時的應(yīng)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(jù)，進(jìn)而提高各部件的焊接強(qiáng)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(zhì)量提升提供可靠的幫助，使掘進(jìn)機(jī)整機(jī)工作穩(wěn)定性得到保障。