徐工挖掘机焊接工艺技术研究方案(3)

徐工挖掘机结构优化与焊接工艺技术研究方案（讨论稿3）1 问题和要求1.1 关键结构件结构工艺性优化设计由于挖掘机结构件长期处于动载荷状况下工作，且工况极其复杂，因此对产品结构件的抗冲击性、抗疲劳性要求极高，而产品结构的合理性直接影响着挖掘机的整机性能。

徐工挖掘机整机性能的提升需对产品结构进一步优化，需对挖掘机的各种使用工况进行模拟受力分析，特别是对关键结构件的受力进行分析，最终使产品结构设计最为合理。

1.2 关键结构件选材合理化1.2.1 材料的选用材料的选用直接影响着挖掘机结构件的力学性能和制造成本，不同结构件受力状况不同，对材料的要求也不同，需要一个标准来规范不同结构件的材料使用，从而保证挖掘机关键结构件的制造质量和合理的成本。

1.2.2 关键结构件的焊接工艺合理化1.2.2.1 焊接工艺参数的选择挖掘机结构件以中厚板为主，焊接方法采用富氩二氧化碳混合气体保护焊接。

而混合气体的比例，焊接参数的匹配直接影响着焊缝及母材的强度、塑性、韧性及内部组织性能。

同时，焊接速度的选择直接影响着焊接效率的提高。

不同的板厚、不同的焊缝大小、不同的材质，需要制定一个合理的焊接参数标准来指导焊接工人的操作。

1.2.2.2 焊接材料的选择不同的结构件，不同的原材料，对焊接强度的要求不同。

而焊接材料的选择直接影响着焊缝的各项力学性能。

同时，焊材的大小也影响着焊接效率的提高。

因此焊接工艺的编制需要一个标准来规定不同焊缝对不同强度焊材的选用。

1.2.2.3 合理的焊接顺序焊接顺序的选择直接影响着焊接变形及焊接应力的大小，以至于影响着结构件的使用寿命。

针对徐工挖机关键结构件的焊接顺序，以借鉴和经验指导为主。

因此，需要一种比较合理的焊接顺序，来解决焊接变形及焊接残余应力较大的问题。

1.2.2.4 焊缝质量的检测挖掘机关键结构件焊缝等级的规定、结构件不同部位焊缝质量的要求、焊缝表面、焊缝内部质量的检测方法，都需要一个标准来进一步规定约束。

1.2.2.5 焊接应力的测量焊接参数的选择、焊接顺序的优化、焊缝质量的控制都影响着焊接残余应力的大小。

针对徐工挖掘机关键结构件内部应力的大小及内部应力的分布状况，一直都无法进行测量分析。

因此，针对不同的工况，结构件的使用寿命难以预测。

现需要对挖掘机关键结构件进行整体应力分析，以及疲劳强度测试。

根据测试结果对焊接工艺进行综合评估，并对焊接工艺进一步优化，最终来确定一种最佳工艺，以形成标准，指导生产。

2基于Pro/E的挖掘机工作装置运动仿真与受力分析2.1 挖掘机工作装置概述挖掘机的工作装置主要是由动臂、斗杆、铲斗和三个为之提供动力的驱动液压缸组成，如图1所示。

工作装置的各部件均采用铰销连接，通过液压缸的伸缩运动来完成挖掘过程的作业运动（即挖装、提升和卸载等动作）。

动臂下铰点与转台连接，由动臂液压缸支撑并改变动臂倾角，动臂缸活塞伸缩，使动臂绕下铰点转动，从而达到动臂的升或降。

斗杆铰接在动臂上端，斗杆与动臂间的相对位置由斗杆缸控制。

铲斗铰接在斗杆前端，铲斗缸活塞伸缩即可使铲斗绕斗杆端部伸缩。

为扩大转角范围，常用连杆结构将铲斗与斗杆连接起来。

挖掘机在实际工作中，挖掘阶段转台不回转，静止不动，转台回转时，工作装置不挖掘，因此，挖掘机工作装置挖掘轨迹，可以归结为动臂、斗铲和铲斗三个杆件的运动轨迹。

2.2 虚拟样机技术目前挖掘机的设计一般是先制定设计方案、采用力学的方法进行运动规律分析、优化、强度分析及计算和结构设计等。

工作装置的动力学分析中，了解工作装置各点运动状况和受力情况是整个分析的基础，也是合理解决问题的关键。

但是最困难和繁琐的工作就是运动机构的设计与运动轨迹绘制。

虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题角度出发，解决传统设计制作过程弊端的新技术。

在该技术中，设计人员通过CAD软件来设计出具有满足要求几何特性信息的零部件，并把这些零部件按照一定的约束关系转配成整个产品。

这样符合要求的虚拟样机就在计算机这个虚拟平台上建立起来了。

在此基础上，运用仿真软件在各种虚拟环境中模拟系统在不同工况下运动和受力情况，观察各运动组件间在运动仿真过程中彼此协调关系，从而很方便地在计算机上修改设计缺陷，比较不同方案，通过当今通用的参数化CAD设计系统实现快速对模型进行修改。

通过对整个系统逐步改进，最终获得最优设计方案。

这样就可以按照该方案做出实际样机，再进行实际物理样机的各项设计方案，此物理样机与没有经过虚拟样机分析做出的物理样机相比，其结构和性能有了非常大的提高，基本上不会出现较大的设计缺陷，从而不仅可以缩短开发周期，而且设计质量和效率也得到了提高。

2.3 基于Pro/E的挖掘机工作装置运动仿真与受力分析有限元分析求解的一般步骤是按照各个模块从上到下依次完成，概括起来大致包括以下几个步骤：（1）进入通用前处理模块，完成以下工作：● 单元选择● 材料定义● 几何建模● 网格划分● 模型局部调整● 施加载荷（2）进入求解模块，完成以下工作● 分析问题的类型● 设定分析参数● 添加载荷条件● 建立荷载工况● 求解（3）进入通用后处理模块，完成以下工作● 机构变形情况显示● 机构等值应力云图显示● 关键部位应力分析（4）优化设计● 关键部位几何参数优化处理基于以上思想，首先对挖掘机工作装置的各个构件进行三维建模。

根据液压挖掘机的实际作业过程，即以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将其装入斗内，斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土，卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘，当挖完一段土壤后，整机移位，以便继续工作。

液压挖掘机为了实现上述周期性作业动作，整机由下列几个基本组成部分：动力装置、工作装置、回转机构、传动操作机构、行走装置和辅助设备。

反铲作业设备是中小型液压挖掘机的主要工作装置，以此为例来说明并进行建模分析，即包括对动臂、斗杆、铲斗和它们的连接部件进行建模，对回转装置进行简化、对行走装置、辅助设备省略等。

然后，完成工作装置的装配，即将各构件动态连接起来。

运动装配既要使两个构件直接接触，又要使两个构件产生一定运动，它们之间有不同的运动副，分别是动臂相对回转装置的转动副、斗杆绕动臂末端的转动副以及铲斗绕斗杆末端的转动副，把构件组合成一个能够运动的实体。

装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否将直接影响到运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的各个构件以及各构件之间的运动副，然后即可通过选择构件和运动副组成机构，最后由各机构件组成整机，并为后面的仿真做准备。

接下来，进行约束和载荷的施加。

施加载荷时，主要设定液压缸的运动和转盘的选择，如根据实际运行情况，其中动臂下铰点跟机座之间通过旋转运动副铰接，动臂绕该铰点运动；斗杆底部与动臂末端通过旋转运动副约束，同样斗杆也只能绕动臂末端作一定范围内的旋转；铲斗与铲斗液压缸通过摇杆连杆机构铰接，以增大铲斗旋转运动范围；各个液压缸和缸杆都是通过旋转运动副铰接在相应的构件上并绕该构件作一定范围内的选择运动；各液压缸和缸杆之间施加滑移运动副。

最后，对挖掘机进行动态仿真模拟并建立动态分析。

由分析结果可输出动力臂液压轴、斗杆液压轴和铲斗液压轴的应力分析图谱，找到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的各极限位置，得到挖掘机铲斗斗尖运动包络图。

挖掘机铲斗斗尖轨迹的包络图，即挖掘机在任一正常工作位置时所控制到的工作范围。

它是挖掘机后来进行静动态分析的前提和基础。

目前包络线图的绘制方法多采用绘图法，即当反铲工作装置的结构形式及结构尺寸已固定时（包括动臂、斗铲、铲斗尺寸、铰点位置、相对的允许转角或各油缸的行程等），用作图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图。

或采用矩阵方法，即根据相邻两杆件的平移、转动关系，为关节链中的每一个杆件建立附加坐标系。

在杆机构的分析中利用坐标变换，求出不同位置的节点力与位移的关系，然后在计算机上用C++程序编码。

这两种方法复杂、工作量大，而且不直观。

采用Pro/E的运动学仿真模块，可以通过限制挖掘机的极限位置而得到挖掘机的铲斗斗尖运动轨迹，即挖掘机包络图，这大大节省了运动分析时间，并提高分析的质量。

挖掘机在实际工作中有几个典型的工况位置：（1）铲斗最高位置处的姿态。

铲斗最高位置出现在动臂油缸全伸，斗杆油缸和铲斗油缸全缩时。

（2）最高卸载高度处的姿态。

工作装置处于最高卸载高度处，动臂油缸全伸，斗杆油缸全缩，铲斗处于垂直工作地面向下的位置，该位置挖掘机工作装置先满斗上升，到卸载位置处开始卸载，其目标是使装载车达到尽可能多的物料装载。

其中涉及的运动包括：上升过程的加速与减速，卸载过程的抖动卸料及卸完后的加速下降。

（3）最大挖掘半径的姿态。

挖掘机的设计规范中，最大挖掘半径是评价挖掘能力的主要标准之一，它决定着挖掘机的挖掘范围。

该位置出现在斗杆油缸铰接点这3个处于同一直线上，且动臂油缸缩进使铲斗齿尖处于地面上。

在该位置处，工作装置下落时，挖掘机将会产生很大的冲击力，在挖掘的过程中也将受到很大的土壤阻力。

（4）最深挖掘位置处的姿态。

此位置出现在动臂油杆全缩，斗杆与斗杆油缸铰接点、斗杆与铲斗铰接点及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面。

该位置处，铲斗中物料较多，土壤挖掘阻力较大，大臂、斗杆与铲斗的受力都很大，同时该位置也是用于计算斗杆与铲斗的危险情况的典型受力工况位置。

了解了挖掘机各个典型位置后，以保证挖掘机具有良好的综合性能为原则，包括能够得到较大的挖掘深度和挖掘半径等较大的挖掘范围；铲斗满斗时土壤不外卸，卸载时土壤能够卸除干净；并且考虑到反铲装置的强度等原则来确定动臂与斗杆之间、斗杆与铲斗之间的最大夹角和最小转角。

然后使用Mechanism中的“连接轴设置”功能，分别对动臂、斗杆和铲斗的运动范围加以限制。

然后进行运动分析，根据设定的运动模式，挖掘机就会在要求的范围内进行运动。

由分析结果可得到挖掘机铲斗的包络线图。

同时运动仿真的结果可以以动画的形式表现，可以在仿真完后，再回放结果，以观察每一个位置状态所对应的受力大小。

也可以以参数的形式输出，如根据分析结果，通过软件中相关功能的选择，可得到挖掘机的工作参数，如最大挖掘半径和最大挖掘深度，这样不仅可知零件之间是否干涉，干涉的体积有多大，还可获知挖掘机的设计是否满足性能要求。

根据仿真结果对设计的零件进行修改，可以大大的提高设计的效率，并为改善整机性能提供设计依据。

2.4 挖掘机工作过程仿真机性能参数优化主要完成的工作包括：（1）分析各铰点（如动臂-机座铰点；动臂缸-机座铰点；动臂-动臂缸铰点；动臂-斗杆铰点；动臂-斗杆缸铰点；斗杆-斗杆缸杆铰点；斗杆-铲斗缸杆铰点；铲斗缸杆-连杆-摇杆铰点；斗杆-摇杆铰点；斗杆-铲斗铰点；摇杆-铲斗铰点等）工作过程中（准备挖掘→挖掘→提升→卸载）力的变化情况以及最大值，方便轴套和销轴选取；（2）绘制挖掘曲线，验证最大挖掘高度、最大挖掘半径、最大挖掘深度等参数；挖掘机重要的设计参数也是评价挖掘机性能的主要参数是最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大卸载高度，实现以上各参数必须合理设计动臂、斗杆、铲斗各部分尺寸，并配合各个液压缸以合适的伸长量，经过调整并结合手册中液压缸及缸杆推荐长度来最终确定。