大吨位汽车起重机车架细节的设计与工艺概要

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2006.04
CMTM 产品・技术
Product & Technology
随着近年来国外新材料在国内的应用以及新技术的引进,国产汽
车起重机的吨位也不断加大,100t 、130t、300t 汽车起重机近两年在这种
大环境下得到了快速地研究和开发。

与进口汽车起重机相比,国产汽车起重机由于存在价格方面的绝对优势及完善的售后服务网络强有力的保障支持,100t 以上的大吨位产品迅速得到用户认可,并批量走向市场。

1概要
对汽车起重机而言,三大结构件即车架、吊臂、转台是决定产品能否满足性能的最主要因素,其设计和制作是决定产品开发成败的关键,其它如底盘动力及上装液压系统主要是匹配问题,大吨位汽车起重机现在大多采用进口的动力装置及液压阀组,一般不存在多少致命的问题。

因此首先要在源头即设计上保证三大结构件不能出现缺陷,下面就130t 汽车起重机三大结构件之一的车架细节的设计与工艺改进作一些探讨。

2设计思路及问题
最初的设计沿用中小吨位即65t 以下的车架思路来进行的,即采用传统的大箱形抗扭截面梁,不同
的是在箱形里面增加了两块内腹板,以增大抗弯和抗扭能力,截面形式
如图1所示。

由于箱形为封闭的结构,为了保证每块隔板、内腹板与
上下盖板之间都能有效焊接,必须在乌龟板上开焊接工艺孔,工艺孔的四个圆角半径为10m m ,工艺孔的形状如图2所示。

当箱形里面的焊缝全部焊接完后(图1箭头所示位置,再将同样形状(图2的板材焊在工艺孔的位置,焊接时采用
连续焊接的方法将工艺孔封闭。

大吨位汽车起重机车架细节的设计与工艺
Design and Process for Frame Detail of Big Tonnage Truck Crane
■长沙中联重工科技发展股份有限公司浦沅分公司刘毓明
/LIU Yuming
图2
1.上盖板
2.腹板
3.乌龟板
4.隔板
5.工艺板
6.下盖板图1
产品销售给用户,经用户使用一段时间后,问题漫漫地暴露出来,工艺板位置处的焊缝有不同程度的开裂现象,严重时还引起母材的开裂,维修人员及时修补后,用不了多久此位置会出现第二次,甚至第三次开裂,用户意见很大,给市场造成了不良影响,有损公司品牌的形象。

3原因分析
有限元分析的应力图显示乌龟板处的应力仅为363M P a ,材料为进口WELDOX960,离材料的许用应力[σ]=570M P a 有较远的距离,安全系数
还有很大的富余,排除了因材质的选用导致问题的产生。

查阅相关资料,得知结构件开裂,多半是脆性破坏。

3.1脆断原因分析
3.1.1材料的韧性不足
特别在缺口尖端处材料的微观塑
性变形能力差。

脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始,所以焊缝及热影响区的韧性不足,往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。

3.1.2焊缝存在着裂纹等缺陷
断裂总是从缺陷处开始的。

虽然随着焊接技术(如富氩气体保护焊
的发展,裂纹基本上可以得到控制,但要完全避免,还是比较困难的。

产品经过定型试验和可靠性试
验后,车架没有发现任何问题,但
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3.1.3一定的应力水平
不正确的设计和不良的制造工艺是产生焊接残余应力的主要原因。

因此,对于焊接结构件来说,除了工作应力外,还必须考虑焊接残余应力和应力集中程度,以及由于装配不良等所带来的附加应力。

3.2脆性断裂的主要影响因素
最重要的影响因素是应力状态、温度和加载速度、材料。

当温度越低,加载速度越快,材料中三向应力状态越严重,则产生脆性断裂的倾向越大。

3.2.1应力状态的影响
试验证明:当材料处于单轴或双轴拉应力状态下,呈现塑性。

当处于三向拉应力状态下,则不易发生塑性变形,而是呈现脆性。

在实际结构中,三向拉应力可能由三向载荷产生,但更多的情况下是由于几何不连续性引起的。

虽然整个结构处于单轴、双向拉伸应力状态下,但其局部地区由于设计不佳、工艺不当,往往出现形成局部三轴应力状态的缺口效应(如三向焊缝。

在受力过程中,缺口根部材料的伸长,必然要引
起材料沿宽度和厚度方向的收缩。

由于缺口根部出现高值的应力和应变集中,而缺口尖端以外材料受到的应力较小,它们只能引起较小的横向收缩,又由于横向收缩的不均匀,缺口根部的横向收缩受阻,结果产生横向和厚度方向的拉伸应力和剪切应力,即在缺口根部产生三轴拉伸应力,使最大应力超出单轴拉伸时的屈服应力,形成很高的局部应力,而材料尚不发生屈服,结果降低了材料的塑性,使该处材料变脆。

因此,脆断事故一般都起源于
具有严重应力集中效应的缺口处!
而在试验中也只有引入这样的缺口
才能产生脆性行为。

3.2.2温度的影响
确定合适的预热温度可减少焊
接区的冷裂倾向,避免产生裂纹。

当
热输入增大到允许值上限时裂纹还
不能避免,那就必须采取预热措施,
对低碳高合金钢来说,预热的主要
目的是防止冷裂,改善热影响区的
性能意义并不大,从它800~500℃
的性能变化来看,对韧性会有不利
的影响,因此焊接时必须采用较低
的预热温度(对低碳高合金钢而言
一般为100~150℃,主要是希望它
能降低马氏体转变时的冷却速度,
通过马氏体的自回火作用来提高抗裂性能。

当预热温度过高时,不仅
对防止冷裂纹没有效果,相反会使800~500℃的冷却速度低于出现脆
性混合组织的临界冷却速度,从而
使热影响区出现明显的脆化。

3.2.3加载速度的影响
加载速度对材料破坏的影响已
由试验所证实,即提高加载速度能
促使材料脆性破坏,其作用相当于
降低温度。

3.2.4材料的影响
材料中的晶粒度和化学成份(如
氢、硫、碳、锰等影响也很大,其
中氢(包括材料内和附在材料上的
是焊接冷裂纹的最直接的诱发因素, 低合金高强钢焊接时产生的裂纹大多
是氢致裂纹,因此在采用低扩散氢焊接方法的同时,还需按规定要求严格采取焊前清理、打磨焊缝区域的氧化皮、铁锈、底漆、油污等措施。

从以上的分析得知:工艺板位
置产生裂纹的原因是设计细节上存在不足,主要是工艺板四个角处的
圆角太小,焊缝采用连续焊接而且
焊缝形成一个封闭的环形,导致应
力集中和焊接残余应力无法释放。

4改进措施
将工艺板的形状改成椭圆形形
状(如图3所示,同样将乌龟板的
形状改为椭圆形,并且焊缝要求采
用间断焊,这样既可消除焊缝应力
集中的现象,又可使焊缝残余应力
有充分的释放空间,用此方法再次
对工艺孔进行修复,经过一年左右
时间的使用后,此位置再没有出现
焊缝或母材开裂的现象,说明修改
方案的效果不错,决定在其它产品
上也实行推广。

5结论
对于大型结构件的设计,设计人
员一方面要考虑整体性能满足要求外,还需具有丰富的工艺制作经验(如焊接技术及新材料的应用,特别
是在细节上要考虑周到,避免出现应力集中和焊接残余应力无法释放的情况,零件中尖角处能大圆弧的时候必须大圆弧,这一点非常非常重要。

还有:结构件的局部失稳往往也是设计者忽略的因素,而结构件的局部失稳或工艺处理不当往往会造成整体破坏,带来非常严重的后果。

(收稿日期:2006-01-14
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2006.04建设机械技术与管理。